地鐵區間隧道火災煙氣流動特性對人員疏散影響的數值模擬

丁厚成，朱慶松，郭雙林，胡瑩瑩

(安徽工業大學建筑工程學院，安徽 馬鞍山 243032)

隨著我國經濟的增長，城市化進程不斷加快，城市人口和私人轎車數量也在飛速增加，導致城市道路愈加阻塞，傳統的地上交通無法滿足擁有數百萬乃至上千萬人口城市的交通需求，地下交通成為緩解城市交通的新型渠道，受到國內各城市的青睞[1]。然而，地鐵一旦發生事故，極易造成群死群傷的特大災害，因而在享受地鐵帶來的便利的同時，應當注重地鐵的安全問題[2]。

在地鐵的安全問題中，火災是發生次數最多、造成損害最大的地鐵災害事故，其發生量占地下軌道交通總事故的50%，其中電氣原因造成的地鐵火災發生概率最大[3]。根據火災在地鐵中發生的位置可將地鐵災害事故分為兩類：①地鐵站臺火災；②地鐵區間隧道火災。而相對于具有完善消防措施和人員疏散條件的地鐵車站，當列車失火阻塞于區間隧道時，具有更大的安全隱患[4]。

目前，國內外對地鐵火災的研究主要集中在地鐵站臺火災及人員疏散方面，涉及地鐵區間隧道火災及人員疏散的研究并不多，大多是對于公路隧道火災的研究[5]。如席亞軍等[6]通過PyroSim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、溫度等進行了分析，研究地鐵車廂內火災蔓延的規律及對人員疏散的影響；朱常琳等[7]通過FDS建立了同一列車在不同隧道高度中形成不同阻塞比的模型，研究了不同阻塞比對地鐵區間隧道火災半橫向排煙方式排煙效果的影響；田鑫[8]以地鐵車站火災疏散為研究對象，結合人群疏散演練試驗，利用Pathfinder疏散軟件對地鐵列車和地鐵車站的人員疏散進行了模擬對比研究，得出站臺疏散優于隧道疏散的結論[8]。

上述研究均是針對某一具體特定的區間隧道火災煙氣流動規律的研究，或者是針對某一具體地鐵車站和隧道進行人員疏散的研究，鑒于此，本文將基于PyroSim軟件，研究B型地鐵列車兩側車門同時打開和只有一側車門開啟兩種情況下，地鐵區間隧道內疏散平臺處火災煙氣流動對人員疏散的影響。

1 物理模型的建立

根據國內地鐵隧道的情況，本次模擬選取寬度為5.4 m、高為5.5 m的矩形隧道，區間隧道為單洞單線[9]，每隔500 m設置聯絡通道，地鐵列車行車方向左側設置距道床面高度為1.15～1.35 m的疏散平臺，疏散平臺高度低于地鐵列車地板面0.10～0.15 m，疏散平臺寬度設置為800 mm，其上部空間保持距離疏散平臺不小于2 m[10]。

地鐵車輛分為A、B、C、L幾種類型，而我國大部分城市地鐵為A、B兩種類型，其中B型的使用更加廣泛，因而選取B型地鐵列車作為研究對象。B型列車每節長度為19.52 m，車輛寬度為2.8 m，高度為3.8 m，地鐵軌道面到列車地板面的高度為1.1 m，坐客載荷為40人/節，定員載荷為240人/輛，車門寬度為1 300 mm、高度為1 860 mm，每節車廂有4對車門，列車一共6節車廂，列車總長120 m[11]。

本次模擬計算時，對地鐵列車進行了簡化處理，忽略次要外部構件以及內部設施結構，建立的地鐵區間隧道模型以及地鐵列車，見圖1。

圖1 地鐵區間隧道內列車示意圖Fig.1 Schematic diagram of a train in subway interval tunnel

2 地鐵火災煙氣流動的數值模型

2.1 基本方程組

火災煙氣流動過程的模擬計算所涉及的流動問題通常為湍流流動，而對湍流行為的模擬，通常有三種數值模擬方法：①直接數值模擬(direct numerical simulation，DNS)；②雷諾平均數值模擬(Reynolds-averaged navier-stokes simulation，RANS)；③大渦數值模擬(large eddy simulation，LES)[12]。FDS數值模擬軟件采用大渦數值模擬(LES)，并根據質量守恒、動量守恒和能量守恒，建立包括連續性方程、動量方程、能量方程以及組分方程在內的基本方程組，這些方程是進行火災煙氣流動過程模擬的基礎，其控制方程[13]如下：

連續性方程：

(1)

動量方程：

(2)

能量方程：

(3)

理想氣體狀態方程：

(4)

2.2 FDS模擬方案

2.2.1 火源條件的設定

火災增長模型有兩種類型：①穩態燃燒，其火源的熱釋放速率為定值，不隨時間發生改變；②非穩態燃燒，可將火災分為三個階段，即初期的增長階段、中期的穩定燃燒階段以及末期的衰減階段。其中，第二種非穩態燃燒火災增長模型比較符合地鐵火災的實際情況，因而依據Ingason H的火災熱釋放理論[14]，增長階段采用平方增長模型，穩定燃燒階段保持恒定，衰減階段采用指數模型，對地鐵火災進行數值模擬，其熱釋放速率的數學模型見表1。

表1 熱釋放速率數學模型

注：表中t為燃燒時間(s)；tmax為從開始燃燒至達到最大熱釋放速率的時間(s)；td為達到最大熱釋放速率后所能維持的時間(s)；Qmax為燃燒過程中的最大熱釋放速率(kW)；HRR為火源的熱釋放速率(kW)；a為火災增長系數(kW/s2)，本次研究選取最不利火災工況，火災類型選取超快速火，火災增長系數a值為0.187 8 kW/s2。

隨著地鐵列車大量運用阻燃或者不燃材料，地鐵列車的火災熱釋放率均控制在10 MW以內，因此對地鐵火災進行數值模擬時將火源的功率設置為5 MW、7.5 MW、10 MW，本文將火災熱釋放速率設置為7.5 MW[15]。

2.2.2 邊界條件和初始條件的設定

地鐵隧道內部的壁面以及頂棚可用鋼筋混凝土進行襯砌，取隧道內部溫度為20℃，壓力為一個大氣壓(即p=101.325 kPa)，當發生火災時，隧道一側設置為速度邊界條件，使地鐵隧道產生一個縱向通風速度，隧道的另一側設置為壓力出口邊界條件，即出口壓力與外界環境大氣壓力相等[16]。

2.2.3 網格的劃分

網格劃分得越精密，模擬結果就越精確，但會增加計算機模擬的時間和存儲空間。根據FDS軟件的用戶指南[13]，可通過火源特征直徑來確定火源附近處的網格大小，其計算公式為

(5)

式中：D*為火源特征直徑(m)；Q為火災總熱釋放速率(kW)；ρ0為隧道內環境空氣密度(kg/m3)；Cp為空氣定壓比熱[J/(kg·K)]；T0為隧道內環境空氣溫度(K)；g為重力加速度，取值為9.8 m/s2。

當計算網格尺寸為0.06D*～0.25D*，認為能夠保證模擬計算的精確性。本文設置的火源功率為7.5 MW，得出火源特征直徑為2.14 m。為了兼顧計算機硬件配置和模擬精度的要求，在火源附近處對網格進行加密，加密后網格尺寸為0.135 0 m×0.135 0 m×0.137 5 m，其他區域網格尺寸為0.270 0 m×0.270 0 m×0.275 0 m。

2.2.4 火災模擬工況的設定

列車為B型鋁合金地鐵列車，車廂地板為橡膠地板，側墻材料為鋁合金，端墻和頂板為鋁蜂窩結構，客室內座椅為玻璃鋼材質并位于車廂內左右兩側縱向排列，燈具位于頂板上并采用PC燈罩[17]。火源發生在列車中部，在中間貫通道地板上，面積大小為1 m2，功率為7.5 MW，為快速火，引火源為汽油。

根據《地鐵設計防火標準》(GB 51298—2018)[10]規定，載客運營地下區間內應設置縱向疏散平臺，當列車發生火災時，可利用端門下至道床面，并開啟客室側門進行縱向疏散。地下區間隧道的排煙宜采用縱向通風方式，且斷面風速在2～11 m/s之間，通風方向與人員疏散方向相反。根據規范綜合考慮，本次模擬由于列車中部起火，采取通風方向與列車行駛方向相反，人員疏散方向與列車行進方向相同，開啟區間隧道上游風機，進行縱向通風，斷面風速為2.5 m/s[18]。

當火災發生時，50 s后開啟前進方向一端司機室端門，進行人員疏散，60 s后上游風機開啟，設計了兩種側門開啟方式(即火災模擬工況)：①30 s后靠近縱向疏散平臺一側的客室車門全部打開，另一側客室車門不開啟；②30 s后兩側客室車門全部打開，但人員通過靠近縱向疏散平臺的車門進行側向疏散。在疏散平臺處合理設置對應傳感器和slice面，用于監控火災發生后的能見度、溫度和CO濃度的變化情況。

3 模擬結果與分析

3.1 一側車門開啟時對地鐵區間隧道火災煙氣流動特性及人員疏散的影響

3.1.1 能見度分析

火災產生的煙氣具有遮光性，煙氣濃度越大，就越會影響正常的人員疏散。根據NFPA130[19]的規定，煙氣的能見度應一直保持在一定的遮光水平之下，能夠在10 m之外分辨得清門和墻，因而選取能見度的下限值為10 m。

分別截取一側車門開啟時60 s、90 s、150 s、200 s和300 s時刻的能見度云圖，從下往上依次按照時間順序進行排列，見圖2。這些云圖的位置位于人眼特征高度處Z=1.60 m。

圖2 一側車門開啟時區間隧道內能見度云圖Fig.2 Simulated cloud map of visibility of interval tunnel when the door on one side is opened注：圖中橫坐標X軸以地鐵列車中間貫通道為原點，人員疏散方向為正方向；①、②、③、④、⑤、⑥分別代表六節車廂所在的位置；以下同。

由圖2可以看出：在排煙風機沒有啟動的前60s，由于火源從中間貫通道發生，煙氣向兩邊車廂擴散，使第三、第四節車廂能見度下降，但能見度依然在10m以上，未對人員疏散造成危險；隨著排煙風機的啟動，在90s后煙氣開始向下游彌漫，上游煙氣得到控制，此時列車前三節車廂能見度維持在30m以上，由于風機風流的關系，煙氣在后三節車廂擴散，第四節車廂能見度相較而言更低;在150s時，第三節車廂能見度也開始不斷下降，分析原因是由于火源功率的增大，在火災動力的驅動下，煙氣重新蔓延到第三節車廂，造成第三節車廂能見度重新下降；在200s和300s時，能見度云圖沒有發生太大的變化，這是由于火源功率在200s后維持了穩定，煙氣能見度在火災動力和風機風流的影響下，開始穩定下來，此時第三節車廂能見度維持在20m以上，前兩節車廂能見度未受影響，仍在30m以上，后三節車廂的能見度處于較低水平，尤其第四節車廂的能見度受煙氣的影響最嚴重。因此，有必要對第四車車廂疏散平臺處的能見度進行定量分析。

第四節車廂的煙氣傳感器位置見圖3。通過煙氣傳感器記錄的一側車門開啟時第四節車廂疏散平臺處能見度隨時間的變化規律，見圖4。

圖3 第四節車廂煙氣傳感器位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the position of smoke sensors in the fourth carriage注：V4-1、V4-2、V4-3、V4-4分別表示第四節車廂4個車門對應的縱向疏散平臺處上方人眼特征高度位置的煙氣傳感器，用于記錄能見度的變化情況；T4-1、T4-2、T4-3分別表示第四節車廂4個車門之間位于疏散平臺處上方人眼特征高度位置的熱電偶傳感器，用于記錄溫度的變化情況；C4-1、C4-2、C4-3、C4-4分別表示第四節車廂4個車門對應的疏散平臺處上方人眼特征高度位置的CO傳感器，用于記錄CO濃度的變化情況。

圖4 一側車門開啟時第四節車廂疏散平臺處能見度 隨時間的變化規律Fig.4 Variation of visibility on the fourth carriage’s evacuation platform with time when the door on one side is opened

由圖4可見，第四節車廂第二個車門對應的疏散平臺處人眼特征高度位置的能見度在100s后達到10m以下，200s之后開始升高到10m以上；而第三、第四車門對應的疏散平臺處人眼特征高度位置的能見度在200s后始終處于10m以下。

3.1.2 溫度分析

當地鐵區間隧道發生火災時，煙氣帶來的高溫會灼傷人體皮膚，并對人的心智造成影響甚至威脅生命安全。根據NFPA130[19]的規定，在人吸入超過60℃被水蒸氣飽和的空氣時就會對呼吸道造成熱灼傷，因此選取溫度上限為60℃。

分別截取一側車門開啟時60s、90s、150s、200s和300s時刻的溫度云圖，從下往上依次按照時間順序進行排列，見圖5。

圖5 一側車門開啟時區間隧道內溫度云圖Fig.5 Cloud map of temperature of the interval tunnel when the door on one side is opened

由圖5可見，隨著火勢的發展，第四、第五節車廂附近處的溫度不斷升高，在200s后逐漸穩定，而前三節車廂附近處的溫度在安全水平之下。因此，有必要對第四節車廂疏散平臺處的溫度變化進行定量分析。

通過熱電偶傳感器記錄的一側車門開啟時第四節車廂疏散平臺處溫度隨時間的變化規律，見圖6。

圖6 一側車門開啟時第四節車廂疏散平臺處溫度隨 時間的變化規律Fig.6 Variation of temperature on the fourth carriage’s evacuation platform with time when the door on one side is opened

由圖6可見，在100s后靠近第四節車廂疏散平臺處的溫度開始超過安全溫度60℃，并在200s后達到穩定，其中第一個車門與第二個車門之間的疏散平臺處的溫度基本維持在60℃到75℃之間，第二個車門與第三個車門之間疏散平臺處的溫度在100℃到150℃之間波動，第三個車門與第四個車門之間疏散平臺處的溫度在100℃左右。

3.1.3CO濃度分析

由于煙氣具有一定的毒性，會對人體產生危害。根據NFPA130[19]規定，在最初的15min內，CO濃度應控制在800ppm(1ppm=1×10-6)或者更低。一般認為CO濃度超過250ppm，將會對人體產生危害，因此可以將CO濃度上限設置為250ppm。由于煙氣集中在后三節車廂所在的區間隧道內，其中第四節車廂處的能見度較低，可以推斷出該節車廂內煙氣濃度較大，其CO的濃度也最高，因而有必要對第四節車廂疏散平臺處的CO濃度變化進行定量分析。

通過CO傳感器記錄的一側車門開啟時第四節車廂疏散平臺處CO濃度隨時間的變化規律，見圖7。

圖7 一側車門開啟時第四節車廂疏散平臺處CO濃度 隨時間的變化規律Fig.7 Variation of CO concentration on the fourth carriage’s evacuation platform with time when the door on one side is opened

由圖7可見，在100s后，第四節車廂第二個車門對應的疏散平臺處CO濃度偶爾會大于250ppm，但是200s后穩定在50ppm；在200s后，第三個車門對應的疏散平臺處CO濃度常常會大于250ppm。

3.2 兩側車門開啟時對地鐵區間隧道火災煙氣流動特性及人員疏散的影響

3.2.1 能見度分析

分別截取兩側車門開啟時60s、90s、150s、200s和300s時刻的能見度云圖，從下往上依次按照時間順序進行排列，見圖8。

圖8 兩側車門開啟時區間隧道內能見度云圖Fig.8 Cloud map of visibility of the interval tunnel when the doors on both sides are opened

由圖8得見，當兩側車門開啟時，煙氣能見度隨時間的變化過程與同一側車門開啟時基本相同，且列車左右兩側能見度基本呈現出對稱分布，而只有一側車門開啟時，列車左右兩側能見度分布不對稱，這是因為煙氣只能從靠近疏散平臺處一側車門擴散出來，造成疏散平臺一側煙氣濃度大，能見度低。

通過煙氣傳感器記錄的兩側車門開啟時第四節車廂疏散平臺處能見度隨時間的變化規律，見圖9。

圖9 兩側車門開啟時第四節車廂疏散平臺處能見度隨 時間的變化規律Fig.9 Variation of visibility on the fourth carriage’s evacuation platform with time when the doors on both sides are opened

由圖9可見，第四節車廂第三和第四個車門對應的疏散平臺處人眼特征高度位置的能見度在將近200s后達到10m以下，而第一個車門與第二車門對應的疏散平臺處相應位置的能見度始終在10m以上。對比圖4和圖9可見，兩側車門開啟時能見度維持在10m以上的時間比一側車門開啟時多了100s，更加有利于人員的安全疏散。

3.2.2 溫度分析

分別截取兩側車門開啟時60s、90s、150s、200s和300s時刻的溫度云圖，從下往上依次按照時間順序進行排列，見圖10。

圖10 兩側車門開啟時區間隧道內溫度云圖Fig.10 Cloud map of temperature of the interval tunnel when the doors on both sides are opened

由圖10可見，兩側車門開啟時，溫度隨時間的變化過程同一側車門開啟時基本相似，且列車兩側的溫度分布呈現對稱性，而只有一側車門開啟的溫度云圖不具有對稱性，靠近疏散平臺處溫度較高，因為煙氣只能從一側車門涌出，造成溫度的升高。

通過熱電偶傳感器記錄的兩側車門開啟時第四節車廂疏散平臺處溫度隨時間的變化規律，見圖11。

圖11 兩側車門開啟時第四節車廂疏散平臺處溫度 隨時間的變化規律Fig.11 Variation of temperature on the fourth carriage’s evacuation platform with time when the doors on both sides are opened

由圖11可見，3個分布在第四節車廂4個車門之間疏散平臺處的熱電偶在將近150s后記錄的溫度數據開始大于60℃，并在200s后穩定下來，其中第一個車門與第二個車門之間的疏散平臺處溫度穩定在120℃到150℃之間，第二個車門與第三個車門之間的疏散平臺處溫度穩定在100℃左右，第三個車門與第四個車門之間的疏散平臺處溫度穩定在80℃左右。對比圖6和圖11可見，兩側車門開啟時疏散平臺處的溫度達到60℃的時間比一側車門開啟時相對晚了50s，將有利于人員的安全疏散與逃生。

3.2.3CO濃度分析

通過CO傳感器記錄的兩側車門開啟時第四節車廂疏散平臺處CO濃度隨時間的變化規律，見圖12。

圖12 兩側車門開啟時第四節車廂疏散平臺處CO濃度 隨時間的變化規律Fig.12 Variation of CO concentration on the fourth carriage’s evacuation platform with time when the doors on both sides are opened

由圖12可見，兩側車門開啟時，第四節車廂疏散平臺處的CO濃度基本低于250ppm，不影響人員的安全疏散。對比圖7和圖12可見，兩側車門開啟時疏散平臺處的CO濃度比一側車門開啟時更低，將有利于人員的安全疏散。

4 結 論

(1) 當地鐵列車中部發生火災，若只開啟靠近疏散平臺一側的車門時，前三節車廂疏散平臺處較為安全，而第四節車廂疏散平臺處最先達到危險狀態，其中在100s后能見度降低到10m以下，溫度上升到60℃以上，CO濃度常常會大于250ppm。

(2) 當地鐵列車中部發生火災，若兩側車門全部打開時，能見度和溫度在列車兩側呈現對稱性分布，前三節車廂疏散平臺處由于排煙風機的作用，疏散環境依然安全，第四節車廂疏散平臺處仍然是最先處于危險狀態，其中能見度在200s后降低到10m以下，溫度在150s后上升到60℃以上，CO濃度基本低于250ppm。

(3) 當地鐵列車發生火災時，及時打開靠近疏散平臺一側的車門對于人員逃生十分重要，而另一側車門關閉可以防止人員因擁擠導致的跌落等危險狀況。但相對于一側車門開啟，兩側車門開啟更有利于人員的安全疏散，同時也爭取了疏散時間。因此，在火災發生時，在不考慮人員從疏散平臺處一側車門跌落的情況下，兩側車門都開啟將對人員逃生更加有利。