長大地鐵區間隧道火災可用安全疏散時間算法研究及應用

田 峰， 王海橋， 朱祝龍， 陳世強， 黃俊歆

(1. 中鐵第六勘察設計院集團有限公司隧道設計分公司， 天津 300133；2. 湖南科技大學資源環境與安全工程學院， 湖南 湘潭 411201；3. 湖南工學院安全與環境工程學院， 湖南 衡陽 421002)

0 引言

由于城市地鐵線路封閉，發生火災時排煙與散熱條件差，會很快產生高濃度的有毒煙霧，且溫度迅速升高，致使人員疏散困難、救火難度大。保障地鐵區間隧道火災時司乘人員的生命安全受到相關技術人員和學者的廣泛關注。

當地鐵區間隧道發生火災時，必須保證人員及時離開火點范圍到達安全區域，即可用安全疏散時間(ASET)大于必須安全疏散時間(RSET)。而對于長大地鐵區間來說，由于其長度長，地質環境復雜，區間內并行列車數量多，且乘客數量大，相對于常規區間隧道更易發生事故和災害，在事故災害條件下進行人員安全疏散的難度更大。

目前，國內外尚無相關規范或指南對長大地鐵區間可用安全疏散時間做出規定或提出建議[1-3]。為了得到具體工程的可用安全疏散時間，大多采用數值模擬的方法，例如： 文獻[4]采用基于拉丁超立方抽樣的蒙特卡洛模擬方法，分析了ASET的不確定性及其影響參數的敏感性； 文獻[5]對香港某自然通風的車站火災進行了ASET模擬； 文獻[6-8]分別介紹了狹長空間、地下車站及地鐵火災的數值模擬方法； 文獻[9]對廣深港客運專線福田站及其相鄰區間隧道疏散時間進行了數值模擬。然而，數值模擬分析相對經驗公式計算來說周期較長，同時工程針對性強且要求參數明確化，往往給工程實施帶來很大難度，不利于工程項目前期決策。

ASET與火災燃燒類型、可燃物熱值、熱釋放速率、消防設施、隧道幾何尺寸等參數密切相關。為了能夠迅速有效地確定長大地鐵區間隧道火災工況下的可用安全疏散時間，本文基于火災發展及系統整體性基本原理、已有經驗公式、工程具體情況及規范規定等相關限制性條件，提出一種新的可用安全疏散時間模型算法，即多因素聯合限定法(multi-factor combined method，MCM)，并通過國內在建長大地鐵過海區間隧道工程應用進行實例驗證。

1 MCM理論

1.1 ASET影響因素

地鐵區間隧道發生火災時，人員可用安全疏散時間與火災燃燒類型、可燃物熱值、熱釋放速率、消防設施、隧道幾何尺寸及疏散模式等密切相關。MCM算法基于頭腦風暴法基本原理，盡可能地查找與火災安全疏散相關的外部因素，諸如人的耐受極限，與火災相關的熱釋放功率，火災發展過程中的煙層溫度、散熱及煙氣下降時間，通風防排煙設備，消防滅火系統，隧道疏散指示照明以及隧道寬度、高度、隧道結構耐火時間、隧道EPS持續時間、車輛耐火極限等。

1.2 火災時人員安全疏散判定準則

火災時安全疏散的首要目標是保證司乘人員能從著火區域疏散到安全區域，其次是為消防隊員進入滅火提供必要條件，以便控制火災規模，限制火災大面積蔓延。火災工況下人員生命安全判定準則見表1。

表1 火災工況下人員生命安全判定準則[10]

對于長大地鐵區間隧道來說，在排煙系統能夠保證滿足臨界風速要求，以及火災報警系統、疏散指示照明系統等消防設施正常運行情況下，當列車在區間發生火災時，若隧道高度2.1 m以上空間熱輻射低于2.5 kW/m2或熱煙層溫度低于180 ℃，同時隧道高度2.1 m以下空間人員周圍溫度小于60 ℃且能見度大于10 m，則乘客能夠及時疏散至安全區域。

1.3 火災發展及煙氣流動

1.3.1 火災熱釋放速率

熱釋放速率是影響火災發展的基本參數。在試驗研究基礎上總結出許多描述火源熱釋放速率的數學模型，常用的模型有t2模型、MRFC模型和FFB模型。地下工程中常采用的t2快速火災模型[11]為：

Q=at2。

(1)

式中：Q為火源熱釋放速率，kW；a為火災增長系數；t為火災發展時間，s。

1.3.2 煙層散熱

煙氣生成量、煙層散熱是煙控系統設計的基礎條件，其直接影響人員疏散的安全性，相關參數采用門窗出流模型[11]，見式(2)—(4)。

(2)

l=0.166Qc2/5。

(3)

Tm=T∞+Qc/(MCp)。

(4)

式(2)—(4)中：M為煙氣質量流量，kg/s；Qc為火災對流熱釋放功率，kW；z為火源上方火羽流高度，m；l為平均火源高度，m；Tm為煙層溫度，K；T∞為環境溫度，K；Cp為定壓比熱容，J/(kg·K)。

1.3.3 煙層高度及煙氣沉降時間

煙層高度直接影響人員安全疏散。人員在達到安全位置之前，應保證其不穿越煙層。煙層高度隨著時間的變化而變化，通過煙沉降時間的計算，可得到火災發生時間與火源上方開始產生煙層高度的關系。NFPA92B煙氣充填試驗式[12]為：

穩態火源，

Z/H=1.11- 0.281ln [(tQ1/3H-4/3)/(A/H2)]；

(5)

非穩態火源，

Z/H=0.91[(ttg-2/5H-4/5)/(A/H2)-3/5]-1.45。

(6)

式(5)—(6)中：H為隧道高度，m；t為時間，s；Q為穩定火源熱釋放速率，kW；A為大型空間的截面積，m2；Z為火源上方開始產生煙層的高度m；tg為火源增長時間，s。

1.3.4 最小清晰高度

如果煙層高度不滿足最小清晰高度要求，當疏散人員在煙氣中穿行時，煙氣危及人員疏散安全，因此，煙層高度是否滿足最小清晰高度可作為危險來臨時間的一個判斷依據。最小清晰高度由式(7)確定。

Hq=1.6+0.1H。

(7)

式中：Hq為最小清晰高度，m。

1.3.5 能見度

火災環境下能見度是指乘客剛好看到疏散指示標志等設施的最遠距離，其對人員逃生非常重要，通常情況下疏散方向錯誤的人員很難逃生。能見度由式(8)確定。

S=(0.133-1.47lgKc)·R/Kc。

(8)

式中：S為能見度，m；Kc為煙氣的減光系數，m-1；R為比例系數。

2 MCM計算

2.1 MCM計算流程

采用多因素聯合限定法計算區間隧道火災時人員可用安全疏散時間的思路，就是遵循火災發生、發展到人員疏散的過程，然后找出各疏散過程中限定疏散時間的制約因素，這些制約因素的自身限制時間就是火災時人員可用安全疏散時間，其流程如圖1所示。

圖1 隧道火災可用安全疏散時間計算流程圖

2.2 乘客可用下車時間

乘客可用下車時間t1： 火災發展到影響乘客下車的時間，即最后一位乘客下車時刻至車廂內煙氣下降至最小清晰高度或熱煙層溫度超過180 ℃或車廂內能見度小于10 m或熱輻射超過2.5 kW/m2或車輛耐火時間達到極限的時間。

列車發生火災需要在區間進行疏散時，乘客可用安全疏散時間即為列車耐火完整性時間及火災產生的煙氣達到人體耐受極限等相關時間的最小值。若火災發展達到列車車輛耐火極限，著火火源溢出車體，則可能阻斷乘客疏散路徑，影響乘客安全疏散。由于列車車體采用不燃或難燃材料制作，其火災熱釋放功率小，火點附近乘客通常會及時遠離火源，火災熱輻射及煙氣溫度一般不會超過人體耐受極限，因而對司乘人員可用疏散時間起決定作用的往往是列車車體耐火時間及煙氣的沉降充填造成的低能見度。

2.3 乘客可用離開著火區域時間

乘客可用離開著火區域時間t2： 火災發展到影響乘客離開著火區域的時間，即最后一位乘客離開著火區域時刻至車廂溢出的煙氣下降至隧道最小清晰高度或隧道能見度小于10 m或達到隧道結構耐火極限或達到隧道EPS持續供電時間的時間。

乘客離開著火列車后，需要及時遠離著火區域，以免因隧道襯砌受火坍塌或脫落造成二次傷害，此時對乘客可用疏散時間影響較大的是隧道耐火時間；對于長大地鐵區間來說，由于疏散距離長且人員行走需具備一定的亮度要求，因而應急照明指示系統的工作時間即EPS持續供電時間也是重要的限定因素。根據規范要求，隧道EPS持續供電時間較長，一般不會成為乘客離開著火區域可用時間的限制條件。除此之外，由于火災產生了大量的煙氣，這些煙氣會從著火列車溢出至區間隧道，在隧道上部充填，降低隧道內能見度，影響人員安全疏散。

2.4 乘客可用到達安全區域時間

乘客可用到達安全區域時間t3： 火災發展到影響乘客到達安全區域的時間，即最后一位乘客到達安全區域時刻至隧道內煙氣下降至最小清晰高度或隧道能見度小于10 m或達到隧道結構耐火極限或達到隧道EPS持續供電時間的時間。

當建筑內部發生火災時，應及時將火點附近人員疏散至地面等安全區域；然而，對于長大地鐵過海區間來說，因位于水下導致無法設置直通地面的疏散口，只能將乘客疏散至對側未發生火災的隧道，然后開展救援。當乘客遠離火點時，地鐵過海區間隧道的人員安全疏散時間則僅與隧道內能見度和EPS持續供電時間相關。

根據上述分析，乘客疏散過程中3個階段的可用疏散時間均需滿足相關要求，才能保證乘客安全疏散，即：

tASET1≤t1&tASET2≤t2&tASET3≤t3。

此外，根據前述定義可知乘客下車、離開火點及到達安全區域為疏散的3個順序階段，且滿足關系式t1≤t2≤t3，如圖2所示。

圖2 安全疏散的3個階段時間關系示意圖

3 可用安全疏散時間算法應用實例

3.1 工程概況

廈門地鐵3號線過海區間全長約4.9 km，其中海域段長度約3.7 km，遠期高峰時刻共有3輛列車同時運行。為滿足防災通風及火災工況人員疏散要求，設置通風豎井及斜井各1座，如圖3所示。為避免列車追蹤，在礦山法隧道段設置中間風口，通過隧道上方設置通風排煙風道與區間風井相連。過海區間采用推挽式通風排煙方案。當火災發生點靠近區間風井時，劉五店站隧道風機送風，區間風井隧道風機排煙；當火災發生點靠近劉五店車站時，區間風井隧道風機送風，劉五店站隧道風機排煙。過海區間每隔600 m設置1處疏散橫通道。

圖3 過海區間隧道風井布置示意圖

過海區間采用盾構法+礦山法組合施工工法，隧道內部幾何尺寸見表2，隧道橫斷面如圖4所示。

表2 過海區間隧道幾何尺寸

(a) 盾構法(標準斷面)

(b) 礦山法(標準斷面)

(c) 礦山法(設置通風排煙風道)

3.2 可用安全疏散時間計算

根據相關設計規范及技術要求，考慮火災點位于列車車廂內，為車廂行李火災，火災列車停靠于2個聯絡橫通道中部，距離兩端疏散通道距離均為300 m。當區間隧道發生火災時，乘客通過列車側門下車，到達疏散平臺，再通過橫向聯絡通道到達非火災隧道逃生。火災熱釋放功率為5 MW，考慮1.5倍安全系數，熱釋放功率設定為7.5 MW；列車采用B型車，6列編組，單列車體長度為19 m，寬度為2.8 m，凈高2.7 m。根據相關規范要求[13-14]，地鐵列車車體耐火完整性時間為20 min，隧道襯砌耐火時間為3 h，隧道土建風道耐火時間為30 min，應急照明EPS持續供電時間為90 min。

為了全面分析整個過海區間火災時人員可用安全疏散時間，選定3種典型斷面作為火災分析場景，見表3。過海區間隧道火災場景對應的最小清晰高度和煙層允許下降高度見表4。

表3過海區間隧道火災場景對應斷面形式

Table 3 Cross-section forms corresponding fire scenes of subsea tunnel

火災場景 斷面形式1盾構法(標準斷面)2礦山法(標準斷面)3礦山法(設置通風排煙風道)

表4過海區間隧道火災場景對應最小清晰高度和煙層允許下降高度

Table 4 Minimum clear height and allowable descending height of smoke layer corresponding to fire scenes of subsea tunnel

火災場景最小清晰高度/m煙層允許下降高度/m12.113.0022.042.3631.971.73

根據最小清晰高度要求，帶入煙氣生成量及煙氣充填公式，可以計算得出3種火災場景下乘客可用下車時間t1。由于排煙系統啟動，煙氣得到有效控制，則乘客離開著火區域時間和到達安全區域時間由應急照明時間控制。考慮1.2倍的安全富裕系數，3種不同火災場景下乘客可用安全疏散時間MCM計算結果和數值分析結果見表5。

表5 過海區間隧道典型火災場景可用安全疏散時間

注： 1)MCM算法基于相關系統運行可靠的基礎上，即防災通風系統運行可靠，車輛及隧道耐火性能、隧道EPS應急照明持續供電時間等相關技術參數符合設計要求。2)數值分析采用Pyrosim建立仿真模型，采用FDS火災模擬軟件進行求解。

3.3 計算結果分析

根據前述分析及計算結果可知，MCM算法可以用來計算長大區間隧道火災時可用安全疏散時間。常規數值分析方法未考慮車輛和隧道耐火及EPS持續供電時間等相關參數，結果與工程實際情況存在一定偏差，尤其是在區間隧道設置通風排煙風道后，若風道達到耐火極限坍塌后將會對乘客疏散造成二次傷害。

對特長地鐵區間來說，采用通風排煙風道替代中間風井節省了風井工程投資，但是由于其占據了行車隧道上部空間，降低了隧道最小清晰高度，使得發生火災時隧道蓄煙空間減小，煙層下降速度快，故而減少了乘客可用安全疏散時間。

4 結論與建議

1)長大地鐵區間隧道火災時可用安全疏散時間與火災當量、車輛耐火時間、隧道結構耐火時間、隧道EPS應急電源持續供電時間等因素密切相關。

2)MCM算法可以用于計算長大地鐵區間隧道火災時人員可用安全疏散時間，計算ASET時需結合工程具體情況逐項分析相關影響因素，找出確定關鍵因素。MCM算法可有效避免采用經驗公式時出現的研究脫離工程實際的情況。

3)與數值分析方法相比，MCM算法計算簡便快捷，效率高，計算結果比數值分析結果略小。