地鐵隧道火災煙氣蔓延和人員疏散效率研究

李宇輝，費瑞振

(1. 南京鐵道職業(yè)技術學院，江蘇 南京 210031；2. 中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；3. 中國鐵路設計集團有限公司，天津 300142)

地鐵是現(xiàn)代城市重要的基礎設施之一，其作為交通現(xiàn)代化的重要象征，更成為世界各大城市的一張美麗的明信片[1]。地鐵隧道是一個狹長受限空間，由于其建筑結構和通風排煙模式方面的特點，火災時期煙氣輸運方式不同于其他類型的建筑，高溫有毒有害煙氣可迅速蔓延并充斥整個通道，近火源場的溫度會高達幾百甚至上千攝氏度，高溫可對建筑結構的穩(wěn)定性造成嚴重的損毀，更重要的是，火災產(chǎn)生的有毒有害煙氣極易導致人員中毒傷亡[2]。因此，針對地鐵隧道火災時煙氣蔓延和人員疏散效率問題展開研究具有重要的現(xiàn)實意義。19 世紀80 年代，德國有關研究者針對火災的火焰特性展開了一系列試驗研究[3]。WOODBURN 等[4]為驗證地鐵火災數(shù)值模擬數(shù)據(jù)的準確性和靈敏度，對比了數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與實驗所得數(shù)據(jù)。DENG 等[5-6]針對地鐵隧道發(fā)生火災時火焰以及煙氣的蔓延規(guī)律進行了一系列數(shù)值研究。我國的此類研究起步較晚，王建國等[7]根據(jù)典型易燃物的清單列出其名稱、材料、重量以及燃燒熱值，并計算出在1 h之內將有1～2輛車被燒毀。李冬等[8]通過建立Pathfinder 人員疏散模型，對比人員疏散的可用安全疏散時間和必須安全疏散時間，驗證得出B 型地鐵能夠有效地縮短人員疏散時間。汪志雷等[9]采用FDS(Fire Dynamics Simulator)結合Pathfinder 的數(shù)值模擬手段，模擬了在隧道中運行的列車車廂內部發(fā)生火災時，煙霧在車廂內部的運移規(guī)律，并探討了其對乘客疏散效率的影響情況。丁厚成等[10]采用FDS軟件模擬研究了屏蔽門的開啟方式對隧道內火災煙氣流動的影響。席亞軍等[11]通過FDS建立了地鐵車廂火災模型，并在設定工況下對模型的熱釋放速率、CO 濃度和溫度等進行了分析，同時利用Pathfinder 建立人員疏散模型，研究地鐵車廂內火災蔓延的規(guī)律及其對人員疏散的影響。姜學鵬等[12]基于FDS模擬手段，分析了地鐵區(qū)間隧道內煙氣流動特性，并采用Pathfinder 軟件計算人員必需安全疏散時間，研究人員疏散的安全性。在地鐵隧道發(fā)生火災時，疏散平臺和疏散門是主要的疏散設施，設置合理的間距可以縮短人員疏散時間，同時也可以使地鐵隧道運營較為經(jīng)濟。根據(jù)GB50157—2013《地鐵設計規(guī)范》[13]可知，地鐵隧道疏散平臺寬度需大于等于0.7 m；而TB10063—2016《鐵路工程防火設計規(guī)范》[14]規(guī)定相應疏散平臺寬度不應低于1.5 m。由此可見，保障人員疏散效率的前提是確保區(qū)間隧道內的疏散平臺具有足夠的寬度。而疏散門則是疏散平臺上受困人員進行疏散的主要途徑，選擇合理的疏散門間距也能顯著提高人員疏散效率?，F(xiàn)將我國部分典型高鐵和城際隧道的平臺設置情況總結于表1。

表1 典型隧道疏散平臺設計方案Table 1 Typical tunnel evacuation platform design scheme

目前，關于地鐵站臺火災的研究較為成熟，但涉及地鐵區(qū)間隧道火災及人員疏散的研究較少。因此，本文對地鐵區(qū)間隧道內的火災煙氣蔓延、溫度和能見度運移規(guī)律作了進一步分析，探討了疏散平臺寬度和疏散門間距對人員安全疏散效率的影響規(guī)律。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 地鐵隧道火災模型

1.1.1 模型概況

圖1 為某地鐵隧道斷面圖，車廂長24.5 m，寬3.4 m，高3.8 m。線路中線右側2.2 m，左側為2.4 m，軌頂面以上至頂高度為4.55 m。通道左側設置供乘客逃生的疏散平臺，平臺寬度為0.7 m，高2.0 m。地鐵隧道部分區(qū)段坡度最大達4.85%，模型總長度為500 m。依據(jù)文獻[15]，可計算出相應的臨界風速為2.3 m/s。由于火源位置處危險性較大，乘客在進行疏散時一般不允許跨越火源，而應向火源兩側進行疏散，因此考慮最不利情況，將火源位置設定于地鐵列車中部，火源功率取10.5 MW。為揭示地鐵隧道火災蔓延過程中疏散平臺上溫度、能見度和CO 濃度的分布情況，建立了圖2所示的地鐵隧道火災FDS模型。

1.1.2 初始條件及邊界條件

1) 初始條件初始時刻，模型內部溫度設為環(huán)境溫度20 ℃，壓力為101 325 Pa。隧道屬性設為CONCRETE，列車車體屬性設為STEEL，其具體熱物性參數(shù)如表2所示。

表2 隧道及列車材料的熱物性參數(shù)Table 2 Thermophysical parameter table of tunnel and train materials

2) 邊界條件壁面邊界條件包括壁面流動邊界和壁面熱邊界條件。對于壁面流動邊界，認為煙流是不能滲透的，且壁面速度為0；壁面熱邊界條件設定為外壁面溫度條件，即壁面溫度固定不變。

3) 通風條件研究區(qū)間隧道火災時為機械通風模式，隧道兩端定義為壓力邊界條件SUPPLY，通過設定不同的動壓值提供變化的縱向通風風速。

1.1.3 網(wǎng)格劃分及獨立性驗證

在FDS 中，網(wǎng)格的分辨率是影響計算結果與模擬結果之間誤差大小的關鍵因素，網(wǎng)格劃分的精細度越高，模擬結果的誤差越小，計算成本也隨之升高。實際上，當網(wǎng)格精細到一定程度以后，模擬結果精度隨著網(wǎng)格的進一步縮小而改善提升的效果非常有限。因此，需要對模擬計算的網(wǎng)格尺寸進行一定的篩選，確保能得到相對精確的計算結果，同時能夠節(jié)約計算資源。

根據(jù)FDS 手冊中[16]推薦的火源特征直徑計算公式：

式中：Q為總的熱量釋放率；ρ∞為氣體密度；cp為氣體的比熱；T∞為氣體溫度。

由式(1)可計算出本文的火源特征直徑為2.46 m，從而進一步估算出本文FDS模型的網(wǎng)格尺寸在0.15～0.62 m 的范圍內較為合適?？紤]到地鐵區(qū)間隧道的長寬比較大，可在火源遠場區(qū)域按一定比例適當放大網(wǎng)格尺寸。

為檢驗網(wǎng)格獨立性，現(xiàn)對火源近區(qū)設置4種網(wǎng)格尺寸，分別為0.15，0.25，0.45和0.6 m，相應的火源遠場區(qū)網(wǎng)格尺寸按1.67 倍進行擴張，均采用六面體結構化網(wǎng)格進行劃分。圖3給出了隧道火災時不同網(wǎng)格尺寸下指定點的溫度變化曲線。由圖3分析可知，當網(wǎng)格尺寸為0.6 m 時，由于網(wǎng)格較為粗糙，造成了數(shù)值模擬不穩(wěn)定，其余3種形式的網(wǎng)格劃分均能得到趨勢一致且較為平緩的數(shù)據(jù)?？紤]模擬結果數(shù)值大小的差異，0.15 m的網(wǎng)格較為精確，而0.25 m 與0.45 m 結果相差不大，但為避免網(wǎng)格數(shù)量過多，本模型近火源區(qū)網(wǎng)格尺寸取0.15 m，遠火源區(qū)網(wǎng)格尺寸取0.25 m。數(shù)值模擬時間為900 s，具體網(wǎng)格劃分情況形如圖4所示。

1.2 地鐵人員疏散模型

1.2.1 乘客疏散方向設定

當?shù)罔F車輛運行于區(qū)間隧道內時，若發(fā)生火災，在列車動力尚未完全喪失的前提下，應將車輛行駛至最近車站時才進行乘客疏散。而最不利的情況則為火災列車滯留在區(qū)間隧道內中段的情形。本文主要分析列車中部發(fā)生火災時人員的安全逃生事件。由于著火車廂部位溫度較高，不能越過著火部位對應的疏散平臺進行疏散，具體方向設定如圖5所示。

1.2.2 人員疏散主要參數(shù)設置

當?shù)罔F車輛在區(qū)間隧道的中部發(fā)生火災同時出現(xiàn)停車的情形，乘客需在隧道內步行疏散。此時，待疏散的人數(shù)即為該列車上的總乘客數(shù)。本次模擬采用A 型車8 節(jié)編組，8 節(jié)列車的定員(坐席)載客量為516人，地鐵車廂(除去坐席)人員密度取4.5 人/m2，則取區(qū)間隧道內的疏散人數(shù)為928 人。在Pathfinder 建模過程中，具體參數(shù)設定如下：老年人占20%，成年男性占35%，成年女性占30%，小孩占15%；相應的步行速度分別為0.9，1.2，1.0和0.8 m/s。

1.2.3 人員疏散模型建立

要達到保障人員疏散的安全性目標，即保證火災發(fā)生時，著火隧道段內所有受災人員能夠在危險到來之前，離開火災危害性控制范圍，并通過安全路徑到達安全地點。模擬過程中，地鐵隧道人員在火災發(fā)生時，能在可用安全時間內通過疏散平臺進入到疏散通道，則認為人員達到安全地點，完成疏散目標。圖6為地鐵隧道人員疏散模型圖。為研究不同疏散平臺寬度和不同疏散門間距對人員疏散效率的影響，設置工況如表2所示。

表 2 工況設置Table 2 Working condition setting

2 結果分析

2.1 地鐵隧道火災煙氣蔓延特性分析

圖7為2.3 m/s縱向風速下地鐵隧道內火災煙氣蔓延情況。從圖中可以看出，地鐵列車發(fā)生火災后煙氣迅速蔓延到整個車廂內，之后繼續(xù)向區(qū)間隧道進行蔓延。在縱向風速的作用下，煙氣在火災發(fā)生后，向隧道下游快速蔓延，直到隧道一端。在蔓延的過程中，煙氣不斷沉降，逐漸充滿隧道的一端，整個過程中，區(qū)間隧道內煙氣基本能夠控制在火源一側，但地鐵車廂內仍存在部分煙氣。

圖8為在縱向通風流速為2.3 m/s的條件下，地鐵區(qū)間隧道內2 m 高度的水平面上溫度場的分布云圖。從圖中可以看出，在流動空氣的作用下，火災發(fā)生1 800 s 后溫度的變化區(qū)域基本不再繼續(xù)向火源上游蔓延，因此2.3 m/s 的縱向風速可以有效地將危險區(qū)域控制在火源下游。

圖9為在縱向風速為2.3 m/s時地鐵隧道內能見度分布云圖?；鹪聪掠纬霈F(xiàn)能見度降低的區(qū)域，該區(qū)域基本不再繼續(xù)向火源上游蔓延，達到穩(wěn)定狀態(tài)。但整個過程中，2.3 m/s 的縱向風速可以有效地將危險區(qū)域控制在火源下游。

當?shù)罔F隧道發(fā)生火災后，隧道內溫度不大于60 ℃，能見度不低于10 m，CO 濃度不超過500×10-6時，視為人員能承受的安全范圍，超過這個范圍即會對人員身體健康造成傷害，因此人員安全疏散時間為30 min。

2.2 人員疏散效率影響因素研究

2.2.1 疏散平臺寬度的影響

圖10 為不同疏散平臺寬度下地鐵列車中部火災人員疏散過程。從圖中可以看出，C1 工況下，在火災發(fā)生200 s 時，有179 人安全疏散，人員在806 s 后可以通過疏散平臺全部疏散完畢。C2 工況下，在火災發(fā)生200 s 時，有205 人安全疏散，人員在687.3 s 后可以通過疏散平臺全部疏散完畢。C3 工況下，在火災發(fā)生200 s 時，有256 人安全疏散，人員在504 s 后可以通過疏散平臺全部疏散完畢。因此，疏散平臺寬度與人員疏散效率之間呈正相關關系。

2.2.2 疏散門間距的影響

圖11 為不同疏散門間距下地鐵列車中部火災人員疏散過程。從圖11 中可以看出，C4 工況下，在火災發(fā)生200 s 時，有517 人安全疏散，人員在481.3 s 后可以通過疏散平臺全部疏散完畢。C5 工況下，在火災發(fā)生200 s 時，有363 人安全疏散，人員在624.3 s 后可以通過疏散平臺全部疏散完畢。C6 工況下，在火災發(fā)生200 s 時，有239 人安全疏散，人員在773 s 后可以通過疏散平臺全部疏散完畢。C7 工況下，在火災發(fā)生200 s 時，有179 人安全疏散，人員在806 s 后可以通過疏散平臺全部疏散完畢。因此，疏散門的間距與人員疏散效率之間呈負相關關系。

2.2.3 擬合關系式

根據(jù)上述分析，現(xiàn)基于圖10 和圖11 的數(shù)據(jù)，分別建立了疏散平臺寬度和疏散門間距與疏散時間的對應關系，如圖12所示。

由圖12(a)可知，在疏散門間距為150 m 的條件下，疏散平臺寬度w和疏散時間t之間存在顯著的線性負相關關系， 相應的擬合公式為t=-604.55w+1 230。由圖12(b)可知，在疏散平臺寬度為0.7 m 的條件下，疏散門間距和疏散時間之間則呈現(xiàn)出非線性的正相關關系，可用一元二次多項式擬合如下：t=-0.075b+22.03b-809.2。

綜上所述，為達到較高的人員疏散效率，可將疏散平臺寬度和疏散門間距分別設定為1.2 m 和80 m。

3 結論

1) 地鐵列車發(fā)生火災后，煙氣會快速充滿整個車廂，之后向區(qū)間隧道蔓延，在2.3 m/s 的縱向風速下，能夠將區(qū)間隧道煙氣控制在火源一側，但地鐵列車車廂內仍會存在少量煙氣。

2) 通過分析地鐵隧道內2 m 高度溫度、CO 濃度和能見度分布曲線，依據(jù)地鐵隧道內溫度不大于60 ℃，能見度不低于10 m，CO 濃度不超過500×10-6時，確定的人員安全疏散時間為30 min。

3) 在疏散門間距為150 m的條件下，疏散平臺寬度和疏散時間之間相應的擬合關系式為t=-604.55w+1 230。在疏散平臺寬度為0.7 m 的條件下，疏散門間距和疏散時間之間相應的擬合關系式為t=-0.075b+22.03b-809.2。

4) 為達到較高的人員疏散效率，可將疏散平臺寬度和疏散門間距分別設定為1.2 m和80 m。