基于FDS的地鐵火災(zāi)煙氣流動(dòng)與人員疏散特性數(shù)值模擬研究

摘要：地鐵是現(xiàn)代城市交通網(wǎng)絡(luò)的核心部分，由于其封閉性強(qiáng)、人員密度高和疏散路徑單一的特點(diǎn)，一旦發(fā)生火災(zāi)，將嚴(yán)重威脅公共安全?，F(xiàn)以金華某地鐵站臺(tái)為研究對(duì)象，利用FDS軟件進(jìn)行多火災(zāi)場景數(shù)值模擬，研究不同火源功率和位置條件下地鐵站臺(tái)的火災(zāi)煙氣流動(dòng)規(guī)律與人員疏散特性。模擬結(jié)果表明，火源功率越大，煙氣對(duì)疏散的阻礙作用越強(qiáng)，疏散允許時(shí)間越短，500kW的火災(zāi)規(guī)模下，疏散允許時(shí)間僅為300s。站臺(tái)中部火災(zāi)較站臺(tái)端部火災(zāi)更為危險(xiǎn)，所有人員需在120s內(nèi)完全疏散至安全區(qū)域。

關(guān)鍵詞：地鐵火災(zāi)；火源特性；火災(zāi)煙氣；人員疏散；FDS

中圖分類號(hào)：D631.6" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " "文章編號(hào)：2096-1227（2025）07-0007-03

0 引言

地下軌道交通已成為現(xiàn)代城市交通網(wǎng)絡(luò)的核心組成部分，但由于其封閉性強(qiáng)、人員密度高、疏散路徑單一的空間特性，一旦發(fā)生火災(zāi)，將嚴(yán)重威脅公共安全。近年來，眾多學(xué)者針對(duì)地鐵火災(zāi)人員疏散問題開展了大量數(shù)值模擬研究。趙文忠等[1]對(duì)不同通風(fēng)工況下火災(zāi)疏散可用時(shí)間和必須疏散時(shí)間進(jìn)行分析。張丘意[2]統(tǒng)計(jì)并分析了地鐵各區(qū)域煙氣參數(shù)達(dá)到臨界危險(xiǎn)條件的時(shí)間，得出人員可用安全疏散時(shí)間。李志明[3]等對(duì)地鐵消防方案改造后火災(zāi)煙氣流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行分析，評(píng)估消防安全性。陳娜[4]等模擬分析了不同火源位置對(duì)站臺(tái)層能見度和疏散的影響。本文以金華市軌道交通某地鐵站臺(tái)為研究對(duì)象，運(yùn)用FDS軟件開展多場景火災(zāi)數(shù)值模擬，分析火災(zāi)煙氣蔓延關(guān)鍵參數(shù)，探究不同火源功率及位置條件下地鐵站臺(tái)的火災(zāi)煙氣流動(dòng)規(guī)律與人員疏散特性。

1 模型建立

1.1" 工程概況

本文研究對(duì)象是金華市某地鐵站的站臺(tái)平層，該站屬于城區(qū)較大站臺(tái)，人員流動(dòng)性較大。站臺(tái)為東西走向，長度為108m，寬度為9.6m，南北兩側(cè)為車輛運(yùn)行區(qū)域，南北兩端設(shè)置了設(shè)備間等封閉區(qū)域，中段設(shè)置了步斜梯、電斜梯和垂梯，與上部的站廳層連接。站臺(tái)頂部南側(cè)設(shè)置了排煙系統(tǒng)，共8個(gè)排煙口，尺寸為800mm×630mm。

1.2" 地鐵站臺(tái)模型建立

基于站臺(tái)數(shù)據(jù)建立的站臺(tái)層模型見圖1。在材料屬性設(shè)定上，地面采用防火大理石材料，墻面采用防火涂料處理的混凝土。反應(yīng)設(shè)為聚氨酯燃燒，模擬場景的初始環(huán)境溫度為20℃。模型采取并行網(wǎng)格設(shè)計(jì)，火源附近采用小網(wǎng)格（邊長0.125m），距火源較近的區(qū)域采用中網(wǎng)格（邊長0.25m），距火源較遠(yuǎn)的區(qū)域采用大網(wǎng)格（邊長0.5m）。

2 火災(zāi)模擬工況設(shè)計(jì)

2.1" 火災(zāi)場景設(shè)計(jì)

地鐵火災(zāi)屬于非穩(wěn)態(tài)火災(zāi)，本文選擇t2火表征其熱釋放速率增長規(guī)律：

Q=at2 （1）

式中：Q——火源熱釋放速率，kW；

t——火災(zāi)的發(fā)展時(shí)間，s；

a——火災(zāi)發(fā)展系數(shù)，kW/s2。

根據(jù)調(diào)研結(jié)果和參考類似實(shí)驗(yàn)，考慮一定的安全冗余量，將增長速率確定為t2超快速火，火災(zāi)發(fā)展系數(shù)設(shè)定為0.19。火源位置選取站臺(tái)端部（位置1）和中部區(qū)域（位置2），如圖1所示。

2.2" 火災(zāi)模擬工況表

綜合考慮火源功率和位置的影響，設(shè)置表1的模擬工況。其中排煙口開啟數(shù)量為4時(shí)，指僅開啟距火源較近的4個(gè)排煙口。排煙口開啟數(shù)量為8時(shí)，指開啟站臺(tái)所有8個(gè)排煙口。

3 人員安全疏散評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

參考世界道路協(xié)會(huì)（PIARC）《FireandSmokeControlinRoadTunnels》等資料，選取人眼特征高度2m處的溫度、能見度及CO濃度作為判斷人員安全疏散安全性的指標(biāo)，相關(guān)臨界值見表2。當(dāng)超出各臨界值時(shí)，疏散人員會(huì)出現(xiàn)熱傷害、視線受阻和呼吸不適等狀況。

4 模擬結(jié)果分析

4.1" 火源功率的影響

通過對(duì)比工況1～3，分析火源功率對(duì)地鐵站臺(tái)火災(zāi)煙氣蔓延和人員疏散的影響規(guī)律。圖2為不同火源功率下t=120s和t=300s時(shí)煙氣蔓延程度，可以發(fā)現(xiàn)相同時(shí)刻下，火源功率越大，煙氣擴(kuò)散速度越快，蔓延范圍越廣。當(dāng)火源功率為1000kW時(shí)，火災(zāi)發(fā)生120s后煙氣蔓延至站臺(tái)中部，300s后煙氣已基本充滿整個(gè)站臺(tái)層。這是因?yàn)榛鹪礋後尫潘俾试酱?，煙氣溫度越高，浮力作用越明顯，燃料表面接收的輻射熱反饋越明顯，故煙氣蔓延速度越快。值得說明的是，火源附近1m范圍外，所有探點(diǎn)溫度和CO濃度值均在60℃和0.0225%臨界值以下。

圖3為火災(zāi)發(fā)生300s后人眼高度2m處的煙氣能見度分布云圖。顯然，由于大功率火源產(chǎn)生的煙霧更多，蔓延速度和范圍更大，故能見度越低，且下降速度越快。以10m能見度為臨界值，可以發(fā)現(xiàn)250kW時(shí)站臺(tái)右側(cè)和中部的疏散樓梯仍滿足能見度疏散條件，500kW時(shí)僅右側(cè)疏散樓梯勉強(qiáng)滿足，而1000kW時(shí)已無疏散樓梯滿足。因此，對(duì)于500kW火災(zāi)，人員在300s內(nèi)必須完全疏散，1000kW時(shí)時(shí)間則更短。

4.2" 火源位置的影響

通過對(duì)比工況3～5，分析火源位置對(duì)地鐵站臺(tái)火災(zāi)煙氣蔓延和人員疏散的影響規(guī)律。圖2c和圖4分別為火源位置1（站臺(tái)端部）和位置2（站臺(tái)中部）下t=120s和t=300s時(shí)煙氣蔓延程度。對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，相同時(shí)刻下，站臺(tái)中部產(chǎn)生的煙氣蔓延范圍大于站臺(tái)端部，這是因?yàn)檎九_(tái)端部的火源對(duì)應(yīng)的頂棚射流煙氣水平蔓延的最大距離值大于站臺(tái)中部的火源。

圖5為火災(zāi)發(fā)生120s后不同火源位置下人眼高度2m處的煙氣能見度切面分布云圖。顯然，火源位于站臺(tái)中部時(shí)火場平均能見度較低。以10m能見度為臨界值，可以發(fā)現(xiàn)，火源位于站臺(tái)端部時(shí)，右側(cè)和中部的疏散樓梯仍滿足能見度疏散條件，但火源位于站臺(tái)中部時(shí)，僅剩右側(cè)疏散樓梯勉強(qiáng)滿足。圖6顯示火源附近1m范圍外CO濃度值均在0.0225%臨界值以下。因此，站臺(tái)中部火災(zāi)較端部火災(zāi)更為危險(xiǎn)，疏散允許的時(shí)間更短，所有人員在120s內(nèi)必須完全疏散至安全區(qū)域。

當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在站臺(tái)端部時(shí)，若只開啟火源附近的4個(gè)排煙口，煙氣蔓延程度和能見度切面分布云圖如圖7所示，與圖2c和圖3c對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，僅開啟4個(gè)排煙口時(shí)的排煙效果反而優(yōu)于開啟8個(gè)排煙口工況，可能的原因在于火源較遠(yuǎn)處新增的其他4個(gè)排煙口處的高速氣流卷吸煙氣向其蔓延，反而干擾和降低了原先4個(gè)排煙口的排煙效率。

5 結(jié)論

本文以金華市軌道交通某地鐵站臺(tái)為對(duì)象，運(yùn)用FDS軟件進(jìn)行多場景火災(zāi)數(shù)值模擬，深入探究火源特性（包括火源功率和火源位置）對(duì)地鐵站臺(tái)火災(zāi)煙氣流動(dòng)與人員疏散的影響，得出的主要結(jié)論如下：

1）火源功率對(duì)地鐵站臺(tái)層的煙氣蔓延范圍、煙氣溫度和能見度均有顯著影響，隨著火源功率逐漸增加，煙氣對(duì)疏散的阻礙作用也越大，疏散允許時(shí)間越短。對(duì)于500kW的火災(zāi)規(guī)模，站臺(tái)內(nèi)人員在300s內(nèi)必須完全疏散至安全區(qū)域，對(duì)于1000kW的火災(zāi)規(guī)模則只有更短的疏散允許時(shí)間。

2）火災(zāi)發(fā)生300s后，站臺(tái)中部的火災(zāi)煙氣已完全覆蓋整個(gè)站臺(tái)區(qū)域，但站臺(tái)端部的火災(zāi)環(huán)境中仍有右側(cè)約12m的無煙區(qū)間。因此，站臺(tái)中部火災(zāi)較端部火災(zāi)更為危險(xiǎn)，疏散允許時(shí)間更短，所有人員在120s內(nèi)必須完全疏散至安全區(qū)域。

參考文獻(xiàn)

[1]趙文忠，羅宇，戎賢.基于FDS的高速公路隧道火災(zāi)人員疏散研究[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2020，39（12）：1683-1687.

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[3]李志明，周然，周祥，等.基于FDS的徐州地鐵蓋下建筑火災(zāi)煙氣模擬[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2020，39（8）：1104-1106+1110.

[4]陳娜，沈祥輝，趙軍.火災(zāi)能見度對(duì)地鐵人員疏散速度影響的仿真研究[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2022，41（5）：639-644.