某長大山嶺地鐵快線隧道火災(zāi)煙氣控制模擬研究

王志勇，奚臣瑜

（1 中鐵二院重慶勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，重慶 401121；2 重慶大學(xué)，重慶 400030）

0 引言

據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，地鐵隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)所造成的人員傷亡，85%以上是由煙氣中毒導(dǎo)致[1]。 近年來，雖然地鐵車輛基本上都采用了難燃或者不燃材料，但其在高溫作用下仍會(huì)散發(fā)出大量的有毒氣體，對人員的生命安全構(gòu)成極大的威脅[2]。因此，了解隧道內(nèi)的煙氣流動(dòng)特征對于人員逃生及消防救援都具有十分重要的意義。 隨著國家新型城鎮(zhèn)化與城市軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展，城市的周邊區(qū)域不斷向外擴(kuò)張，軌道交通市郊線、過江線、跨海線、山嶺線這類軌道交通線已開通運(yùn)營并持續(xù)建設(shè)中。 不斷出現(xiàn)的長大區(qū)間隧道因長度遠(yuǎn)超一般城市軌道交通隧道，規(guī)范通常要求設(shè)置中間豎井，但受地形、 施工條件等限制或?yàn)闇p少投資運(yùn)行成本，這類長大區(qū)間隧道一般不設(shè)中間豎井，因此煙氣輸運(yùn)距離較長，隧道中部排煙困難，煙氣控制、人員安全疏散與一般城市軌道交通區(qū)間隧道相比，更具特殊性和復(fù)雜性，所以均需采用性能化防火設(shè)計(jì)專題研究和技術(shù)論證。

地鐵由于其特殊的空間結(jié)構(gòu)，在發(fā)生火災(zāi)時(shí)能與外界進(jìn)行物質(zhì)和熱量交換的途徑只有車站出入口、隧道端口、通風(fēng)井。 在有限的空間內(nèi)，物質(zhì)難以進(jìn)行充分燃燒，會(huì)產(chǎn)生大量的CO、CO2和其他高溫有毒煙氣，熱量快速集聚使車站內(nèi)溫度迅速升高。 而煙氣擴(kuò)散與人員疏散的方向均是車站出入口，更增加了人員安全疏散的難度。 因此，在地鐵火災(zāi)發(fā)生時(shí)如何采取有效疏散措施，將風(fēng)險(xiǎn)控制在最低，損失降到最小，是具有重要實(shí)際意義的研究[4]。

目前，國內(nèi)外對地鐵火災(zāi)的研究主要集中在地鐵站臺(tái)火災(zāi)及人員疏散方面，涉及長大山嶺隧道火災(zāi)及人員疏散的研究并不多，大多是對公路隧道火災(zāi)的研究[5]。 如席亞軍等[6]通過PyroSim 建立了地鐵車廂火災(zāi)模型，并在所設(shè)定的工況下對模型的熱釋放速率、CO 濃度、溫度等進(jìn)行了分析，研究地鐵車廂內(nèi)火災(zāi)蔓延的規(guī)律及對人員疏散的影響，得出地鐵火災(zāi)發(fā)生時(shí)，人員從供風(fēng)口、排風(fēng)口方向逃生，都可完成安全疏散；Peizhong Yang 等[7]運(yùn)用FDS +Evac 研究地鐵站火災(zāi)熱源對疏散的影響，得出熱釋放率對火災(zāi)緊急疏散只有微弱的影響，但是火源點(diǎn)、疏散人員所處的位置、通風(fēng)條件和地鐵材料性能對緊急疏散有很大的影響；田鑫[8]以地鐵車站火災(zāi)疏散為研究對象，結(jié)合人群疏散演練試驗(yàn)，利用Pathfinder 疏散軟件對地鐵列車和地鐵車站的人員疏散進(jìn)行了模擬對比研究，得出站臺(tái)疏散優(yōu)于隧道疏散的結(jié)論。

本文以某一實(shí)際長大山嶺地鐵隧道為例，基于實(shí)際通風(fēng)防排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)，分析其可能發(fā)生的火災(zāi)工況，對最不利工況進(jìn)行FDS 數(shù)值模擬，分析發(fā)生火災(zāi)情況下隧道內(nèi)的疏散環(huán)境（溫度、CO 濃度、能見度等）[9-10]，并討論現(xiàn)有防排煙系統(tǒng)結(jié)合可行的疏散策略是否可以滿足火災(zāi)情況下的人員安全疏散。

1 工程及通風(fēng)系統(tǒng)概況

1.1 隧道概況

某一實(shí)際長大山嶺地鐵快線隧道全長3945m，單洞雙線隧道，全隧左右線間距5.2m，斷面示意圖如圖1 所示，底部凈寬（半邊）約4.8 m，最高凈高7.1m。 隧道設(shè)中隔墻及防火門，隧道兩端1.2 km 范圍內(nèi)防火門間距為100m，隧道中部防火門的間距為180 m。隧道未設(shè)中間風(fēng)井，采用全射流縱向通風(fēng)排煙方式。風(fēng)機(jī)安裝位置如圖2 所示，射流風(fēng)機(jī)在隧道兩端集中布置，90m/臺(tái)進(jìn)行布置，第一臺(tái)射流風(fēng)機(jī)距離出入口150m。

圖1 隧道斷面

圖2 射流風(fēng)機(jī)布置圖

1.2 列車概況

車輛選型： 采用雙流制As 型車，列車最高運(yùn)行速度為120km/h。

列車定員：6 輛編組1542 人/列，7 輛編組1804 人/列（站立標(biāo)準(zhǔn)為6 人/m2）。 考慮最不利情況，模型建立選用7 輛編組，人員數(shù)量為1804 人。

1.3 臨界風(fēng)速

該項(xiàng)目中，火災(zāi)規(guī)模取7.5 MW。

在臨界風(fēng)速的確定上，Wu 和Bakar[11]提出的模型計(jì)算的臨界風(fēng)速為2.09 ，Oka 和Atkinson[12]模型計(jì)算的臨界風(fēng)速為2.33 ，徐琳[13]修正模型計(jì)算的臨界風(fēng)速為1.97 ，翁廟成[14]預(yù)測模型計(jì)算的臨界風(fēng)速為2.43 。 綜合考慮以上計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果，取最保守的臨界風(fēng)速2.43。

通過前期數(shù)值模擬計(jì)算，隧道兩端有風(fēng)機(jī)區(qū)域和隧道中部無風(fēng)機(jī)區(qū)域，當(dāng)隧道內(nèi)風(fēng)機(jī)正常開啟時(shí)，隧道斷面能形成的平均風(fēng)速為3.51 ，滿足通風(fēng)速度大于2.43 臨界風(fēng)速的要求。當(dāng)列車發(fā)生火災(zāi)時(shí)，根據(jù)列車起火位置開啟射流風(fēng)機(jī)，排出煙氣，同時(shí)給乘客形成迎面風(fēng)，方便乘客疏散，疏散原則為讓著火列車上盡可能少的人員順風(fēng)疏散。

2 火災(zāi)場景分析

2.1 火災(zāi)場景設(shè)計(jì)

本文分析總結(jié)的主要火災(zāi)工況包括：

（1） 車輛靠近隧道進(jìn)口。 根據(jù)著火位置分為車前端著火、中部著火、后端著火；

（2） 車輛靠近隧道出口。 根據(jù)著火位置分為車前端著火、中部著火、后端著火；

（3） 車輛位于隧道中部。 根據(jù)著火位置分為車前端著火、中部著火、后端著火。

對9 種工況進(jìn)行編號，工況編號如表1 所示。

表1 單車模式工況編號

未發(fā)生火災(zāi)的隧道內(nèi)根據(jù)發(fā)生火災(zāi)疏散使用的防火門確定射流風(fēng)機(jī)開啟方向，分為兩種情況：當(dāng)火災(zāi)發(fā)生位置為隧道中部未設(shè)置風(fēng)機(jī)段時(shí)，疏散使用的防火門也在隧道中段，此時(shí)兩端射流風(fēng)機(jī)開啟向內(nèi)部對吹，在疏散的聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)形成正壓，形成與人員疏散方向相反的氣流，有利于人員的疏散；當(dāng)火災(zāi)發(fā)生位置為兩端設(shè)置風(fēng)機(jī)段（即靠近隧道進(jìn)口或者出口位置）時(shí)，火源下游乘客疏散使用與發(fā)生火災(zāi)距離最近的1～2 個(gè)防火門，疏散使用防火門范圍內(nèi)對應(yīng)的風(fēng)機(jī)不開啟，對應(yīng)范圍外的風(fēng)機(jī)開啟對吹，使疏散通道內(nèi)形成正壓，阻止煙氣蔓延到疏散通道內(nèi)來，形成與煙氣流動(dòng)方向一致的氣流方向，有利于人員的疏散。 具體形式如圖3、圖4 所示。

圖3 火源在隧道中部未設(shè)置風(fēng)機(jī)區(qū)域風(fēng)機(jī)運(yùn)行示意圖

圖4 火源在兩端設(shè)置風(fēng)機(jī)區(qū)域風(fēng)機(jī)運(yùn)行示意圖

2.2 最不利工況分析

由于隧道中部的防火門設(shè)置密度較低，不利于人員疏散，所以列車位于隧道中部時(shí)更危險(xiǎn)。 車頭、車尾著火時(shí)，只要縱向通風(fēng)速度滿足要求，人員即認(rèn)為是安全的。 列車中部著火時(shí)，必定有一半的人下車后順風(fēng)疏散。 所以單車最不利工況為：著火列車位于隧道中部，著火位置位于列車中部，即上述火災(zāi)工況表中的工況5。 針對此工況，當(dāng)列車滿員時(shí)，Pathfinder 軟件模擬結(jié)果顯示，在模擬至第862s 時(shí)人員全部離開隧道，即人員安全疏散成功。

3 模型設(shè)置與結(jié)果分析

根據(jù)不同的火災(zāi)工況，相應(yīng)建立不同的FDS 模型，進(jìn)行模擬研究。為了減小計(jì)算機(jī)的計(jì)算負(fù)荷，避免建立近4000 m 的隧道模型，將隧道分為兩個(gè)典型區(qū)域，即隧道中部無風(fēng)機(jī)區(qū)域和隧道兩端有風(fēng)機(jī)區(qū)域。

3.1 模型一

3.1.1 模型設(shè)置依據(jù)

隧道中部無風(fēng)機(jī)區(qū)域，防火門的設(shè)計(jì)間距為180 m，模型考慮火源下游（以火源為中心，火源下游為與縱向通風(fēng)方向一致的方向）人員疏散使用的兩個(gè)疏散門（防火門）的距離，并在兩端各取一定長度余量，模型長度確定為450 m。 隧道的斷面形狀、尺寸與實(shí)際模型保持一致。 模型不考慮非著火隧道的風(fēng)壓對著火隧道的影響，只取原工程隧道的一側(cè)進(jìn)行模擬分析。

本模型可以解決的火災(zāi)工況包括：

（1） 列車位于隧道中部，著火位置位于列車頭部；

（2） 列車位于隧道中部，著火位置位于列車尾部；

（3） 列車位于隧道中部，著火位置位于列車中部。

即火災(zāi)工況4、5、6。 隧道模型如圖5、圖6 所示。

圖5 隧道模型側(cè)視圖

圖6 隧道模型三維視圖

根據(jù)相關(guān)學(xué)者對地鐵火災(zāi)場景設(shè)計(jì)的研究，地鐵列車的火災(zāi)熱釋放速率為5 MW[3]。本文模擬計(jì)算，燃燒材料采用正庚烷，火源熱釋放速率設(shè)置為5MW，取1.5 的安全系數(shù)，最大火源熱釋放速率按照7.5MW 來設(shè)置，火源設(shè)置在地面上，面積為4。考慮到列車起火部位為動(dòng)力和潤滑部件，以油類燃料為主，保守認(rèn)為火災(zāi)發(fā)展迅速，故本模擬設(shè)定火災(zāi)初期發(fā)展為超快速火。 此外，根據(jù)火災(zāi)最不利原則，將火災(zāi)場景按最危險(xiǎn)的穩(wěn)態(tài)火災(zāi)來考慮，即考慮火災(zāi)經(jīng)過初期發(fā)展以后，一直維持穩(wěn)定燃燒。

隧道壁面材料設(shè)置為“Concrete”。 隧道的進(jìn)口定義為FDS 中的“Supply”邊界，出口定義為FDS 中的“Exhaust”邊界。 邊界風(fēng)速以前期fluent 模擬獲得的風(fēng)速設(shè)計(jì)，斷面平均風(fēng)速為3.51 m/s。 經(jīng)過網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證，本文所有FDS 數(shù)值模擬的網(wǎng)格設(shè)置為0.2 m。在FDS 模擬計(jì)算中，假設(shè)計(jì)算開始時(shí)隧道內(nèi)與隧道外環(huán)境溫度與測量值相同，初始環(huán)境溫度為30℃，大氣壓力為101325.0 Pa，初始時(shí)刻煙氣濃度為0，計(jì)算模擬時(shí)間取900 s，湍流模型采用LES大渦模擬。

3.1.2 模擬結(jié)果分析

（1） 車頭和車尾著火

當(dāng)列車的頭部或者尾部著火的時(shí)候，即火災(zāi)工況4、6，判定人員是否安全的標(biāo)準(zhǔn)為隧道內(nèi)的縱向風(fēng)速能否有效阻止煙氣回流，保證人員下車后能逆風(fēng)疏散，不受煙氣侵?jǐn)_（圖7）。

圖7 24 s、300 s和900 s時(shí)煙氣灰密度分布云圖

通過圖7 可以看出，縱向風(fēng)速能夠有效阻止煙氣的回流，人員下車后迎風(fēng)疏散，疏散區(qū)域沒有煙氣侵?jǐn)_，滿足人員安全疏散的要求。

（2） 列車中部著火

列車中部著火時(shí)，即火災(zāi)工況5，對于火源下游的人員疏散，防火門處是人員擁擠的重點(diǎn)區(qū)域，保證防火門處的安全是隧道內(nèi)人員安全疏散的重點(diǎn)。 考慮兩個(gè)防火門作為火源下游人員疏散的通道，則下游180m、360m 處即為防火門的設(shè)置點(diǎn)。 防火門人員高度處（2m）溫度隨時(shí)間的變化值如圖8 所示，溫度的切片圖如圖9所示。

圖8 火源下游180 m、360 m處的溫度變化圖

圖9 24 s、300 s和900 s時(shí)2m處的溫度切片圖

由圖8、 圖9 可知，距火源180m 處的防火門，2m 高度處在100s 左右溫度達(dá)到最大值，隨后溫度逐漸降低，最高溫度為45℃左右，并未超過危險(xiǎn)值60℃；距火源360m 處的防火門，2m 高度處在150s 左右溫度達(dá)到最大值，隨后溫度逐漸降低，最高溫度為39℃左右，同樣沒有超過危險(xiǎn)值60℃。

CO 濃度為人員能否安全疏散的重要參考指標(biāo)，盡管火災(zāi)產(chǎn)生的CO 含量微小，但當(dāng)1mol 空氣中有5×10-4mol 的CO 時(shí)，就會(huì)對人體造成傷害[15]。 由FDS 計(jì)算的結(jié)果統(tǒng)計(jì)可得，防火門處的CO濃度隨時(shí)間的變化圖如圖10 所示。

由圖10 可知，兩個(gè)防火門處的CO 濃度隨著火災(zāi)的發(fā)展均未達(dá)到危險(xiǎn)值，因此，在人員安全疏散的過程中，CO 濃度不影響人員安全疏散。

圖10 火源下游180 m、360 m處濃度變化圖

由人員高度處的溫度和CO 濃度變化值可判斷整個(gè)縱向疏散通道（人員疏散路徑）的人員疏散安全性。 由圖11 和圖12 可以看出，當(dāng)列車著火時(shí)間達(dá)到900 s 時(shí)，人員高度處的溫度和CO 濃度均未達(dá)到危險(xiǎn)值，人員在火災(zāi)發(fā)展過程中能夠安全疏散。

圖11 人員高度處縱向CO濃度值變化圖

圖12 人員高度處縱向溫度值變化圖

圖13 為24 s、300 s 和900 s 時(shí)的能見度分布云圖。 可以看出，煙氣充滿隧道后最小能見度都為10m 左右，而在一般建筑中，取5m 的能見度為判斷是否影響人員疏散的臨界值，因此，此方案在火源燃燒過程中，能見度滿足人員安全疏散要求。

圖13 24 s、300 s和900 s時(shí)過火源中心線的能見度切片圖

3.2 模型二

3.2.1 模型設(shè)置依據(jù)

隧道兩端有風(fēng)機(jī)區(qū)域，防火門的設(shè)計(jì)間距為100m，模型考慮火源下游（同模型一方向）人員疏散使用的兩個(gè)疏散門（防火門）的距離，并在兩端各取一定長度余量。 此外，為了預(yù)測煙氣蔓延速度，模型長度適當(dāng)增加，確定為600 m。隧道的斷面形狀、尺寸與實(shí)際模型保持一致。 模型不考慮非著火隧道的風(fēng)壓對著火隧道的影響，故模型只取原工程隧道的一側(cè)進(jìn)行模擬分析。

本模型具體的火災(zāi)工況如下：

（1） 列車靠近隧道進(jìn)口，著火位置位于列車頭部、中部、尾部，即火災(zāi)工況1、2、3；

（2） 列車靠近隧道出口，著火位置位于列車頭部、中部、尾部，即火災(zāi)工況7、8、9。

隧道模型如圖14、圖15 所示。此次模擬主要是針對火源位于隧道兩端有風(fēng)機(jī)區(qū)域火災(zāi)場景，模擬分析下風(fēng)向溫度、CO 濃度、風(fēng)速等參數(shù)分布情況（邊界條件與模型一一致）。

圖14 隧道模型側(cè)視圖

圖15 隧道模型三維視圖

3.2.2 模擬結(jié)果分析

（1） 車頭和車尾

車頭和車尾著火時(shí)，即單車模式下的火災(zāi)工況1、3、7、9。

當(dāng)列車的頭部或者尾部著火的時(shí)候，判定人員是否安全的標(biāo)準(zhǔn)為隧道內(nèi)的縱向風(fēng)速能否有效阻止煙氣的回流，保證人員下車后能逆風(fēng)疏散，且不受煙氣侵?jǐn)_。通過圖16，可以看出縱向風(fēng)速能夠有效阻止煙氣的回流，人員下車后迎風(fēng)疏散，疏散區(qū)域沒有煙氣侵?jǐn)_，滿足人員安全疏散的要求。

圖16 10 s、300 s和900 s時(shí)煙氣分布云圖

（2） 列車中部著火

列車中部著火時(shí)，即火災(zāi)工況2、8、11、14，對于火源下游的人員疏散，防火門處是人員擁擠的重點(diǎn)區(qū)域，保證防火門處環(huán)境的安全是隧道內(nèi)人員安全疏散的重點(diǎn)。 考慮兩個(gè)防火門作為火源下游人員疏散的通道，則下游100 m、200 m 處即為防火門的設(shè)置點(diǎn)。經(jīng)過對FDS 數(shù)據(jù)的后處理，防火門人員高度處（2 m）溫度隨時(shí)間的變化值如圖17、圖18 所示。

圖17 火源下游100 m、200 m處的溫度變化圖

圖18 10 s、300 s和900 s時(shí)2m處的溫度切片圖

由圖可知，距火源100 m 處的防火門，2 m 高度處在50 s 左右溫度達(dá)到最大值，隨后溫度逐漸降低，最高溫度為46℃左右，并未超過危險(xiǎn)值60℃。 距火源200 m 處的聯(lián)絡(luò)通道，2m 高度處在70 s左右溫度達(dá)到最大值，隨后溫度逐漸降低，最高溫度為37℃左右，同樣沒有超過危險(xiǎn)值60℃。

針對CO濃度，由FDS計(jì)算的結(jié)果統(tǒng)計(jì)可得，防火門處的CO 濃度隨時(shí)間的變化圖如圖19所示。

圖19 距火源100 m、200 m處CO濃度變化圖

由圖19 可知，兩處防火門處的CO 濃度隨著火源的燃燒均未達(dá)到危險(xiǎn)值。 因此，在人員安全疏散的過程中，CO 不影響人員安全疏散。

由人員高度處的溫度和CO 濃度變化值也可判斷整個(gè)縱向疏散通道（人員疏散路徑）的人員疏散安全性。 由圖20、圖21 可以看出，當(dāng)列車著火時(shí)間達(dá)到900 s 時(shí)，人員高度處的溫度和CO濃度均未達(dá)到危險(xiǎn)值，人員在火災(zāi)燃燒過程中能夠安全疏散。

圖20 人員高度處縱向CO濃度值變化圖

圖21 人員高度處縱向溫度值變化圖

圖22 為10 s、300 s 和900 s 時(shí)的能見度分布云圖，煙氣充滿隧道后最小能見度都為10m 左右，同模型一，此方案能見度滿足人員安全疏散要求。

圖22 10 s、300 s和900 s時(shí)過火源中心線的能見度切片圖

4 結(jié)論

根據(jù)不同的火災(zāi)工況，分析了得到了最不利工況，相應(yīng)建立了不同的FDS 模型，進(jìn)行了模擬研究。在此基礎(chǔ)上，提出了隧道中部無風(fēng)機(jī)區(qū)域和隧道兩端有風(fēng)機(jī)區(qū)域兩個(gè)典型區(qū)域可能發(fā)生火災(zāi)時(shí)保證人員安全疏散的煙氣控制模式。 主要結(jié)論如下：

（1） 車頭和車尾著火時(shí)，隧道通風(fēng)系統(tǒng)形成的3.51 m/s 縱向通風(fēng)能夠控制煙氣不發(fā)生逆流，保證人員的安全疏散；

（2） 車中火災(zāi)時(shí)，列車位于隧道中部和隧道兩端有風(fēng)機(jī)區(qū)域時(shí)，在火災(zāi)發(fā)生900 s 后，隧道內(nèi)的環(huán)境情況（溫度、CO 濃度、能見度等）仍在人員安全的可承受范圍之內(nèi)。