鐵路隧道內列車發生火災時通風臨界時間的確定

姜學鵬，張 鵬，郭 輝

(1.武漢科技大學 資源與環境工程學院，湖北 武漢 430081；2.武漢科技大學 湖北省工業安全工程技術研究中心，湖北 武漢 430081；3.武漢科技大學 消防安全技術研究所，湖北 武漢 430081；4.中鐵第四勘察設計院集團有限公司 建筑與城市規劃設計研究院，湖北 武漢 430063)

當鐵路列車因火災停留在隧道內時，在火災發展初期煙氣為自由蔓延狀態，此時乘客將從車廂下車疏散至疏散平臺，然后再往避難設施(或者洞外)方向疏散；但當煙氣層沉降到清晰層高度時，則必須開始通風排煙(當火源位于列車中部時，通常往運營方向通風)，以減小煙氣對人員疏散的影響，保障人員安全疏散。因此，滿足隧道內人員安全疏散要求下的最早通風開始時間(即通風臨界時間)則成為一個亟待明確的問題。

針對鐵路隧道火災通風排煙問題，Blanchard等[1]通過1∶3的縮尺寸隧道模型試驗，研究了縱向風速對熱釋放速率、煙氣流動和能量守恒的影響；姜學鵬等[2]開展模型試驗研究，建立鐵路隧道火災煙氣逆流距離的計算模型，得到了考慮列車阻塞比的臨界風速計算公式；李琦等[3]通過試驗與數值模擬研究鐵路隧道列車火災，得出了列車繼續運行及停車時人員疏散時間及速度。上述研究中均設定風機始終處于運行狀態，未考慮風機開啟時間對人員疏散的影響，也并未對其通風臨界時間進行探究。

本文以某單洞雙線鐵路盾構隧道為研究對象，采用火災動力學模型(Fire Dynamics Simulator，FDS)軟件模擬隧道列車火災場景，并采用Togawa經驗公式[4]計算人員疏散所需時間，結合煙氣蔓延和人員疏散過程，分析人員疏散的安全性，最終確定通風臨界時間。

1 火災數值模型和人員疏散策略

1.1 火災數值模型

1)建模參數及數值模型

雙線鐵路盾構隧道的長×寬×高為700 m×12 m×8.8 m，安全通道的長×寬×高為700 m×4 m×2.2 m。疏散平臺位于2條行車線中間，在疏散平臺上每間隔80 m開設1個長×高為6 m×0.8 m的疏散口，共設置8個，疏散平臺兩側設有供救援人員使用的救援通道。列車為CRH1型的16節車廂編組，車廂的長×寬×高為428 m×3.2 m×3.6 m。由此建立的火災數值模型如圖1所示。

火源功率分別取5，10，15和20 MW，其增長速率均取0.046 9 kW·s-2)[5]。火源長×寬×高為4 m×3.2 m×0.4 m，將其設置在第8節與第9節車廂連接處的底部、行車線的中點、疏散平臺地面上方0.4m的高度處。隧道壁面設為“CONCRETE”混凝土表面，列車車體為“STEEL”鋼結構材質。主隧道一端設為速度邊界“VENT”，設置不同的速度以模擬不同的通風風速，另一端及安全通道的兩端均設為與外界相通的開口邊界“OPEN”。隧道內空氣及各固體表面的初始溫度為20 ℃，大氣壓為101.325 kPa的標準大氣壓。

圖1 火災數值模型(單位：m)

2)網格分析

NIST實驗驗證，當網格尺寸d≤0.1D*(D*為火災特征直徑，m)時，FDS模擬結果與實驗結果非常吻合[6]。D*的計算公式[7]為

(1)

式中：Q為火源功率，kW；ρ∞為環境空氣密度，取1.204 kg·m-3；Cp為環境空氣比熱，取1.005 kJ·(kg·K)-1；T∞為環境空氣溫度，取293 K；g為重力加速度，取9.81 m·s-2。

當Q=5，10，15，20 MW時，由式(1)計算得到的D*相差不大，為節省模擬計算資源，4種火源功率下的網格尺寸均選取20 MW下確定的最佳網格尺寸。為了獲得最佳網格尺寸，取表1中4組不同的網格尺寸，其中不同區域網格所在位置如圖2所示，分別模擬得到隧道頂板處溫度的分布規律，如圖3所示。

表1 網格尺寸劃分

圖2 不同區域網格所在位置(只顯示2個疏散口)

圖3 隧道頂板處溫度分布

由圖3可知：隨著網格尺寸減小，模擬結果的差異性逐漸縮小，網格尺寸Ⅱ與Ⅰ的模擬結果基本一致。綜合考慮模擬結果的精度和模擬所用時間，選取網格尺寸Ⅱ作為最佳網格尺寸，即火源區域的網格為0.3 m×0.2 m×0.2 m，疏散口區域的網格為0.3 m×0.4 m×0.4 m，其他區域的網格為0.6 m×0.4m ×0.4 m。

1.2 乘客人數及人員疏散策略

考慮列車16輛編組，設定每節車廂人數均為定員100人，則乘客人數為1 600人。

對應4種火源功率取4種火災場景?；馂陌l生時，靠近疏散平臺一側的列車車廂門全部開啟，乘客由單側車廂門下至疏散平臺，再隨機疏散至就近的疏散口，疏散策略如圖4所示。

圖4 疏散策略示意圖(單位: m)

2 所需安全疏散時間

1)所需安全疏散時間的計算公式

所需安全疏散時間tRSET是指自火災發生到所有人員疏散至安全區域所需的時間，一般由察覺時間tc、預動時間tp和行動時間ta構成。其中察覺時間tc是指自火災發生到火災探測與報警裝置發出報警信號所需的時間，考慮到鐵路隧道內的感溫探測系統較為靈敏，且列車內人員密集可以及時進行火災報警，可設置察覺時間tc=0 s；預動時間tp是指人員接到火災警報后到開始疏散前的一段時間，客運列車均有廣播系統使人員易于識別火災報警并快速作出反應，可設置預動時間tp=30 s；行動時間ta是指人員開始疏散至疏散結束的時間，可采用Togawa經驗公式計算得到；則有

tRSET=tc+tp+ta

(1)

其中，

(2)

式中：L為疏散人員離出口的最遠距離，m；N為待疏散人員數量，人；C為疏散出口的疏散能力，人·(s·m)-1，當人員通過疏散通道時，一般取值1.5[8]；B為疏散出口的有效寬度，m；n為疏散出口的數量，個；ρ為待疏散人員所在處的人員密度，人·m-2。

2)所需安全疏散時間的計算過程

由于火源設置在列車正中間位置，則火源上、下游的人員數量及疏散策略均相同，故以火源下游人員疏散為例給出。將人員從列車上通過單側車廂門疏散至疏散平臺定為疏散過程1，由疏散平臺下樓梯至安全通道定為疏散過程2(已包含人員通過安全通道的時間)，分別對這2個疏散過程計算行動時間。

疏散過程1：由車廂的有效面積及所載的乘客數量可知車廂內人員密度ρ=1.34人·m-2，每節車廂乘客數量N=100人，車廂門的寬度B=1.1 m，車廂共有2個車門，即n=2，人員離車廂門最遠距離L=9.275 m，各節車廂疏散情況相同，由式(2)可得人員撤離列車的時間ta0，即

疏散過程2：由人員就近疏散可知，第9節到第11節車廂的人員下至疏散平臺后再由5#疏散口疏散，則N=300人，L=40.25 m；第12節到第14節車廂的人員下至疏散平臺后再由6#疏散口疏散，則N=300人，L=45.75 m；第15節和第16節車廂的人員下至疏散平臺后再由7#疏散口疏散，則N=200人，L=51.5 m。由疏散平臺的有效面積及疏散人數可知疏散平臺上人員密度ρ=1.56人·m-2。由式(2)可得人員通過5#，6#，7#疏散口的時間ta5，ta6，ta7分別為

則有

ta=ta0+tamm=5,6,7

(3)

依據人員疏散策略和式(3)計算ta的值，將tc=0 s，tp=30 s和ta的值代入式(1)可得火源上、下游處(距離-350～350 m，其中火源下游處的距離為正，火源上游處的距離為負)的所需安全疏散時間tRSET，如圖5所示。

圖5 2個疏散過程合計的所需安全疏散時間tRSET

由疏散過程1的ta0=40 s可知，自疏散開始起40 s時人員可以全部撤離列車。由圖5可知：由于隧道結構以及列車車廂和車廂門的對稱性，tRSET曲線以火源為中心呈對稱分布，在火源上游(2#，3#，4#疏散口)和火源下游(5#，6#，7#疏散口)處tRSET較大，這是因為火災發生后，列車內人員需經過疏散口至安全通道，使得疏散口處出現擁堵，后續人員需排隊等待；其中經由3#和6#疏散口所需安全疏散時間最長，tRSET=0+30+40+301=371 s；正對火源處以及2#和7#疏散口之外的區域，所需安全疏散時間均為tRSET=30 s(行動時間為0 s)，即人員疏散不經由這些區域。

3 通風臨界時間

采用FDS軟件，基于上文建立的火災數值模型，針對不同火源功率和不同縱向通風風速組成的不同工況，模擬不同通風開始時間的煙氣蔓延狀態，分析不同工況下人員疏散安全性，進而得出通風臨界時間。

3.1 模擬工況及模擬參數

火源功率Q=20 MW時，根據Wu & Bakar臨界風速公式[9]計算得到臨界風速vt=3.55 m·s-1，共設計8組工況，詳見表2，其中工況A1—A4用于反映火源功率的變化，工況B1—B4用于反映縱向通風風速的變化。

表2 模擬工況

由第2節的計算結果可知，列車內人員全部疏散至安全區域需要的時間為371 s，則通風開始時間應早于371 s，若等人員全部疏散完畢后再開啟風機通風，則研究縱向通風對人員疏散的影響就無意義，因此，通風開始時間分別取0，60，120，180，240，300，360 s(間隔時間取60 s)。模擬時長取1 200 s。

3.2 安全疏散判定條件

將疏散平臺上方2 m設定為特征高度。以特征高度2 m高度處的溫度不超過100 ℃、能見度不小于10 m、CO濃度不大于500 ppm[10]作為人員安全疏散的判定標準。若疏散平臺某位置處的溫度、能見度和CO濃度同時滿足對應的標準，則認為該處人員疏散是安全的，由此可得到自火災開始到對人員安全構成危險所用的時間，該時間即為可用安全疏散時間tASET。隧道發生火災后，若人員能夠在火災危險來臨之前全部疏散到安全區域，就可認為該隧道的設計對人員疏散是安全的。因此安全疏散的判定條件為：可用安全疏散時間大于所需安全疏散時間，即tASET>tRSEU。

3.3 人員疏散安全性分析

以工況A1和工況B1為例，模擬不同通風開始時間時的可用安全疏散時間tASET，并與所需安全疏散時間tRSET比較，如圖6所示。

圖6 不同通風時間下的安全疏散情況

由圖6可知：對于工況A1，通風開始時間為0～120 s時，在火源至6#疏散口之間部分區域有tASET≤tRSET，即不滿足安全疏散判定條件，說明人員疏散不是安全的；對于工況B1，通風開始時間為0～120 s時，在火源至6#疏散口之間部分區域有tASET≤tRSET，即不滿足安全疏散判定條件，說明人員疏散不是安全的，而在360 s時開始通風(通風過晚)，在4#疏散口至火源之間部分區域有tASET≤tRSET，即不滿足安全疏散判定條件，人員疏散亦不安全。由此得出：通風開始時間過早，人員疏散并不安全，這是因為通風會擾亂煙氣分層，太早通風使煙氣更快沉降縮短危險來臨時間，導致tASET≤tRSET的情況發生；但通風開始時間過晚，煙氣已在隧道內部分區域大量聚集，未能由通風有效抑制煙氣沉降對人員安全的危害，仍會出現tASET≤tRSET的情況。因此，只有在一定的時間開始通風，人員才能夠安全的疏散。

3.4 通風臨界時間確定

根據上述的模擬可得出各工況下的人員安全疏散情況，結果見表3。

表3 各工況下人員安全疏散結果

根據表3可將8種工況下人員安全疏散結果分成3類。第1類：對于工況A1，A2，A3和B4，不晚于180 s時開始通風人員就可安全疏散。第2類：對于工況B1，B2和B3，在180～300 s間開始通風人員就可安全疏散。第3類：對于工況A4，在180～300 s間開始通風人員就可安全疏散。設ts為保證人員安全疏散的通風開始時間，則可將3類疏散結果列為公式，即

(4)

由式(4)可知，保證人員安全疏散的通風開始時間ts的最小值為180 s，由此可得通風臨界時間為180 s。

4 結 論

(1)隧道縱向通風排煙下，早于180 s時開始通風，疏散平臺各處人員疏散均不安全；180～240 s時開始通風，疏散平臺各處人員疏散安全；晚于240 s時開始通風，疏散平臺部分位置處人員疏散不安全。

(2)不同火源功率Q、不同縱向通風風速vt下人員安全疏散結果：5≤Q≤15(vt=3.55)或vt=4.00(Q=20)時，不晚于180 s時開始通風人員即可安全疏散；Q=20(vt=3.55)時，180～240 s時開始通風人員才能安全疏散；1.00≤vt≤3.00(Q=20)時，180～300 s時開始通風，人員才能安全疏散。最終得到鐵路隧道列車火災通風臨界時間為180 s。