■ 李強(qiáng)?

地鐵跨海隧道火災(zāi)FDS數(shù)值模擬研究

■ 李強(qiáng)

以青島某地鐵跨海隧道為研究對(duì)象，論述其工程概況及防排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并建立物理模型。從火源強(qiáng)度、火源類型設(shè)定、燃燒模型、幾何模型網(wǎng)格設(shè)置和火災(zāi)耐受極限判斷標(biāo)準(zhǔn)方面設(shè)置邊界條件。采用FDS數(shù)值模擬分析方法，對(duì)隧道內(nèi)的溫度分布、正線隧道內(nèi)的風(fēng)速、正線隧道內(nèi)能見度、正線隧道內(nèi)的CO濃度分布進(jìn)行分析，提出慎重選取隧道防災(zāi)通風(fēng)方案和合理控制風(fēng)機(jī)的開啟時(shí)間對(duì)隧道火災(zāi)中的人員安全疏散至關(guān)重要的結(jié)論。

地鐵；跨海隧道；火災(zāi)；FDS；數(shù)值模擬；火源；人員疏散

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)軌道交通建設(shè)的迅猛發(fā)展，擁有運(yùn)量大、速度快、準(zhǔn)時(shí)方便等優(yōu)點(diǎn)的軌道交通系統(tǒng)逐漸成為城市公共交通系統(tǒng)中的重要組成部分。截至2016年5月，全國(guó)27個(gè)城市開通城市軌道交通運(yùn)營(yíng)，地鐵運(yùn)營(yíng)里程達(dá)到3 475 km，預(yù)計(jì)到2020年，我國(guó)城市軌道交通總里程將達(dá)到6 000 km。由于地鐵隧道對(duì)外連通的通道較少，一旦發(fā)生火災(zāi)，燃燒產(chǎn)生的大量有毒高溫?zé)煔怆y以自然排出，將迅速充滿隧道，導(dǎo)致能見度降低，極大增加人員疏散撤離難度。因此，地鐵區(qū)間隧道，尤其是跨海隧道是地鐵防災(zāi)的重中之重[1-2]。在此以青島某跨海隧道為例，結(jié)合防排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，模擬縱向通風(fēng)模式下的火災(zāi)排煙效果，提出火災(zāi)緊急情況下的人員安全疏散方案，為長(zhǎng)大隧道防災(zāi)通風(fēng)方案的制定提供依據(jù)。

1 工程概況及防排煙系統(tǒng)

1.1 工程概況

跨海隧道A站—B站區(qū)間長(zhǎng)約7．8 km，屬跨海特長(zhǎng)區(qū)間，最不利點(diǎn)的坡度為28．0‰，平均坡度為16．5‰。跨海特長(zhǎng)區(qū)間設(shè)置1#區(qū)間和2#區(qū)間2座風(fēng)井，將隧道A站—B站跨海特長(zhǎng)區(qū)間分成A站—1#區(qū)間風(fēng)井（陸域段Ⅰ，長(zhǎng)約800 m）、1#區(qū)間風(fēng)井—2#區(qū)間風(fēng)井（海域段，長(zhǎng)約5 400 m）和2#區(qū)間風(fēng)井—B站（陸域段Ⅱ，長(zhǎng)約1 571 m）。根據(jù)行車計(jì)算結(jié)果，遠(yuǎn)期高峰時(shí)段在陸域段同時(shí)只有1列車運(yùn)行，在海域段同時(shí)有3列車追蹤。設(shè)計(jì)采用三洞隧道，中間隧道上部為排煙風(fēng)道，下部為人員疏散通道。車站位置及區(qū)間風(fēng)井布置見圖1。

1.2 防排煙設(shè)計(jì)

防排煙設(shè)計(jì)采用分段縱向通風(fēng)排煙模式，在A站大里程端設(shè)置2臺(tái)隧道風(fēng)機(jī)，單臺(tái)風(fēng)量為66 m3/s，壓頭1 000 Pa；B站小里程端設(shè)置2臺(tái)隧道風(fēng)機(jī)，單臺(tái)風(fēng)量75 m3/s，風(fēng)壓1 000 Pa。1#和2#區(qū)間風(fēng)井分別設(shè)置1臺(tái)事故風(fēng)機(jī)（風(fēng)量90 m3/s，風(fēng)壓1 300 Pa）、1臺(tái)加壓送風(fēng)機(jī)（風(fēng)量66 m3/s，壓頭1 000 Pa）和1臺(tái)隧道風(fēng)機(jī)（風(fēng)量66 m3/s，壓頭1 000 Pa）。同時(shí)在區(qū)間隧道總長(zhǎng)的1/3處和2/3處設(shè)置引入中間隧道的排煙風(fēng)道，另外設(shè)置8處與中間排煙風(fēng)道連通的疏散通道。區(qū)間隧道的風(fēng)機(jī)布置見圖2。

圖1 車站位置及區(qū)間風(fēng)井布置

地鐵區(qū)間隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，司機(jī)應(yīng)將列車駛出隧道進(jìn)入前方車站進(jìn)行人員疏散，同時(shí)開啟站臺(tái)火災(zāi)通風(fēng)模式；若列車被迫滯留在隧道中，則開啟區(qū)間隧道火災(zāi)通風(fēng)模式，背著乘客疏散方向排煙，迎著乘客疏散方向送風(fēng)。列車車頭發(fā)生火災(zāi)，人員通過(guò)疏散平臺(tái)向車尾方向步行至后方就近的橫向聯(lián)絡(luò)通道，通過(guò)聯(lián)絡(luò)通道進(jìn)入疏散通道進(jìn)行疏散；車尾發(fā)生火災(zāi)，人員通過(guò)疏散平臺(tái)向車頭方向步行至前方就近的橫向聯(lián)絡(luò)通道，通過(guò)聯(lián)絡(luò)通道進(jìn)入疏散通道進(jìn)行疏散；中部發(fā)生火災(zāi)時(shí)，應(yīng)引導(dǎo)乘客迎風(fēng)步行通過(guò)疏散平臺(tái)進(jìn)入就近的橫向聯(lián)絡(luò)通道進(jìn)行疏散。

圖2 區(qū)間隧道的風(fēng)機(jī)布置

2 構(gòu)建模型及邊界條件設(shè)置

2.1 火源強(qiáng)度

火源的熱釋放率是決定火災(zāi)發(fā)展情況及火災(zāi)危害程度大小的重要參數(shù)，火災(zāi)熱釋放率的表達(dá)式如下：

式中：Q為熱釋放率，kW；φ為燃燒效率因子，表示可燃物不完全燃燒的程度；m為可燃物的質(zhì)量燃燒速率，kg/s；ΔH為可燃物的燃燒值，kJ/kg。

國(guó)內(nèi)新投入運(yùn)行的地鐵車輛結(jié)構(gòu)均采用不燃或阻燃材料，引發(fā)列車火災(zāi)的主要原因是乘客的行李燃燒后引起車廂內(nèi)材料的局部燃燒[3]，根據(jù)研究及經(jīng)驗(yàn)值，列車著火時(shí)熱釋放速率設(shè)定為7．5 MW。

2.2 火源類型設(shè)定

火災(zāi)的發(fā)生分為發(fā)展、穩(wěn)定燃燒和衰退3個(gè)階段?；馂?zāi)發(fā)展的初始階段，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)和撲救至關(guān)重要，因此在模擬過(guò)程中應(yīng)對(duì)火災(zāi)發(fā)展階段進(jìn)行正確設(shè)置?；鹪吹臒後尫怕蚀篌w上按照指數(shù)的增長(zhǎng)規(guī)律，可用公式進(jìn)行描述[4]：

式中：a為火災(zāi)初始階段的增長(zhǎng)系數(shù)，kW/s2；t為火災(zāi)發(fā)生時(shí)間，s；t0為開始有效燃燒所需要的時(shí)間，s。

通常認(rèn)為火災(zāi)發(fā)生時(shí)即達(dá)到有效燃燒，因此式（2）可簡(jiǎn)化為：

地鐵發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火源衰減難以詳細(xì)考慮，同時(shí)在有限的人員逃生時(shí)間內(nèi)，火源可能未達(dá)到衰減階段，因此僅考慮火源的發(fā)展階段和穩(wěn)定階段。

2.3 燃燒模型

火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬模型（FDS）中的大渦模擬采用的燃燒模型為混合分?jǐn)?shù)模型，假定燃料由單一的碳?xì)浠衔锝M成，燃燒過(guò)程中煙氣和CO生成量分別為0．042和0．030[5]。

2.4 幾何模型

火災(zāi)模擬場(chǎng)景設(shè)置遵循“可信最不利”原則，以跨海區(qū)間隧道1/3與2/3排煙風(fēng)道處為著火列車最不利?？奎c(diǎn)，研究右線隧道列車車尾發(fā)生火災(zāi)的場(chǎng)景。設(shè)置3個(gè)假設(shè)條件：（1）初始狀態(tài)下為靜止流場(chǎng)，隧道內(nèi)部和外部的初始溫度為20 ℃，壓力為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓[6]；（2）疏散平臺(tái)一側(cè)車廂門處于開啟狀態(tài)，用于人員疏散和排煙的橫向通道處于開啟狀態(tài)，不用于人員疏散和排煙的橫向通道處于關(guān)閉狀態(tài)；（3）忽略人員運(yùn)動(dòng)對(duì)氣流擾動(dòng)和排煙口、門縫漏風(fēng)的影響。

發(fā)生火災(zāi)時(shí)，1#區(qū)間風(fēng)井內(nèi)的加壓送風(fēng)機(jī)（風(fēng)量66 m3/s，壓頭1 000 Pa）逆轉(zhuǎn)對(duì)中間隧道的下部疏散通道進(jìn)行排風(fēng)，事故風(fēng)機(jī)（風(fēng)量90 m3/s，風(fēng)壓1 300 Pa）通過(guò)中間隧道的軌頂風(fēng)道及1/3處的排煙風(fēng)道對(duì)隧道排煙；2#區(qū)間風(fēng)井內(nèi)的隧道風(fēng)機(jī)（風(fēng)量66 m3/s，壓頭1 000 Pa）對(duì)正線隧道送風(fēng)，事故風(fēng)機(jī)（風(fēng)量90 m3/s，風(fēng)壓1 300 Pa）通過(guò)中間隧道的軌頂風(fēng)道及1/3處的排煙風(fēng)道對(duì)隧道排煙，正壓送風(fēng)機(jī)（風(fēng)量66 m3/s，壓頭1 000 Pa）對(duì)中間隧道的下部疏散隧道送風(fēng)。

為保證模擬計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，建立了從A站—B站的全尺寸隧道模型（見圖3）、聯(lián)絡(luò)通道剖面模型（見圖4）和排煙風(fēng)道剖面模型（見圖5）。

2.5 網(wǎng)格設(shè)置分析

在FDS數(shù)值模擬中，網(wǎng)格質(zhì)量與計(jì)算機(jī)配置、耗費(fèi)時(shí)間和模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性直接相關(guān)，為達(dá)到節(jié)省時(shí)間和保證精確度的目的，合理設(shè)置網(wǎng)格大小至關(guān)重要。在隧道火災(zāi)模擬分析中，火災(zāi)特征直徑D*與網(wǎng)格尺寸δx大小關(guān)系密切，D*/δx值為4～16認(rèn)為對(duì)火災(zāi)模擬的網(wǎng)格設(shè)置是合理的[7]?；馂?zāi)特征直徑D*表達(dá)式如下：式中：D*為火災(zāi)直徑，m；ρ∞為環(huán)境空氣密度，kg/m3；cp為定壓比熱，J/（kg·k）；T∞為環(huán)境空氣溫度，K；g為9．8 m/s2。

圖3 隧道模型

圖4 聯(lián)絡(luò)通道剖面模型

圖5 排煙風(fēng)道剖面模型

按火源功率為7．5 MW計(jì)算，火災(zāi)特征尺寸D*約為2．15 m，綜合考慮計(jì)算機(jī)的硬件配置和模擬結(jié)果精度，對(duì)近火源處網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，網(wǎng)格尺寸采用0．25 m×0．25 m×0．25 m，其他區(qū)域網(wǎng)格尺寸為1 m×1 m×1 m。

2.6 火災(zāi)耐受極限判斷標(biāo)準(zhǔn)

火災(zāi)煙氣的毒害性、高溫性、遮光性等是影響人體耐受極限的主要因素。結(jié)合人體身高和排煙空間的建筑凈高，并考慮安全因素，選取2 m為安全高度。

采用225 ppm[8]作為衡量煙氣毒害性的標(biāo)準(zhǔn)，即距地面高度2 m以下的空間，當(dāng)?shù)罔F車站環(huán)境的CO濃度達(dá)到225 ppm時(shí)，人體進(jìn)入不可耐受狀態(tài)。為確定逃生方向，安全高度以下的能見度小于10 m[4]時(shí)，車站環(huán)境進(jìn)入危險(xiǎn)狀態(tài)。考慮人體的耐受狀態(tài)，火場(chǎng)中可吸入的空氣溫度應(yīng)不高于60 ℃[8]。按照地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范要求，區(qū)間隧道內(nèi)的排煙流速為2～11 m/s[9]。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 隧道內(nèi)的溫度分布

3.1.1 隧道內(nèi)火源附近溫度分布

隧道內(nèi)火源上方溫度分布見圖6?？梢钥闯觯瑱C(jī)械通風(fēng)工況下，火源處的隧道溫度持續(xù)升高，在360 s時(shí)達(dá)到峰值，接近850 ℃；自然通風(fēng)工況下，火源處的隧道溫度在約300 s時(shí)達(dá)到峰值（500 ℃），并基本穩(wěn)定。與自然通風(fēng)相比，機(jī)械通風(fēng)工況下火源附近的溫度較高，同時(shí)溫升幅度也較大，原因是縱向通風(fēng)增加了隧道空氣中的富氧程度，加速了燃料燃燒，導(dǎo)致溫度提高。

3.1.2 隧道內(nèi)溫度分布

（1）機(jī)械通風(fēng)工況下，正線隧道火源下游50 m處不同高度的溫度分布見圖7，火源下游10 m處不同高度的溫度分布見圖8。

從圖7可以看出，火源下游隧道內(nèi)的溫度隨著高度的增加而不斷升高，溫度分層現(xiàn)象比較明顯；隨著與火源距離的增加，溫度逐漸降低，溫度變化幅度也趨于平緩。從圖8可以看出，火源下游10 m處高度為2 m位置的溫度高于人體可忍受溫度（60 ℃），不利于火源下游人員的安全疏散。

圖6 隧道內(nèi)火源上方溫度分布

圖7 火源下游50m處不同高度的溫度分布

圖8 火源下游10m處不同高度的溫度分布

（2）正線隧道火源上游50 m處不同高度的溫度分布見圖9?？梢钥闯觯鹪瓷嫌?0 m處不同高度的溫度基本不受火災(zāi)影響，原因是機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)將煙氣抑制在火源下游，火源上游基本未受到火災(zāi)影響，有利于人員向火源上游疏散。

3.2 正線隧道內(nèi)的風(fēng)速

正線隧道內(nèi)的風(fēng)速分布見圖10?？梢钥闯觯馂?zāi)發(fā)生100 s時(shí)，隧道內(nèi)的風(fēng)速達(dá)到2 m/s以上，其中火源上游1 600 m處在50 s時(shí)就達(dá)到2 m/s，可有效抑制煙氣向火源上游擴(kuò)散，為從火源上游的連通通道疏散人員創(chuàng)造了有力條件。

3.3 正線隧道內(nèi)能見度分析

自然通風(fēng)工況下隧道內(nèi)不同時(shí)間段的煙氣分布見圖11，機(jī)械通風(fēng)工況下隧道內(nèi)不同時(shí)間段的煙氣分布見圖12。從兩圖對(duì)比可以看出，機(jī)械通風(fēng)加速并擾動(dòng)了隧道內(nèi)的煙氣，使煙氣向隧道下方飄移，不利于下游人員的安全疏散；同時(shí)抑制了煙氣向火源上游擴(kuò)散，為上游人員疏散創(chuàng)造了有力條件。

圖9 火源上游50m處不同高度的溫度分布

圖10 隧道內(nèi)的風(fēng)速分布

機(jī)械通風(fēng)工況下隧道內(nèi)火源下游100 m處不同時(shí)間的能見度見圖13，機(jī)械通風(fēng)工況下隧道內(nèi)火源處不同時(shí)間的能見度見圖14。從圖13和圖14可以看出，火源下游的能見度隨著火災(zāi)發(fā)生時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸降低，與火源距離越遠(yuǎn)，能見度越差，當(dāng)能見度小于10 m，此處的人員處于危險(xiǎn)狀態(tài)。

圖11 自然通風(fēng)工況下隧道內(nèi)不同時(shí)間段的煙氣分布

圖12 機(jī)械通風(fēng)工況下隧道內(nèi)不同時(shí)間段的煙氣分布

圖13 機(jī)械通風(fēng)工況下隧道內(nèi)火源下游100m處不同時(shí)間的能見度

圖14 機(jī)械通風(fēng)工況下隧道內(nèi)火源處不同時(shí)間的能見度

3.4 正線隧道內(nèi)的CO濃度分布

火災(zāi)時(shí)隧道內(nèi)的CO濃度分布見圖15?？梢钥闯觯鹪聪掠蜟O濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于安全限值，并隨著高度增加CO濃度急劇增加。雖然CO密度和空氣密度相當(dāng)，但高溫下的CO密度低于常溫下的空氣密度，大部分CO聚集在隧道頂部。由于機(jī)械通風(fēng)的作用，火源上游的CO濃度處于安全狀態(tài)，人員可以向火源上游進(jìn)行疏散。

圖15 火災(zāi)時(shí)隧道內(nèi)的CO濃度分布

4 結(jié)論

以青島某跨海隧道為研究對(duì)象，通過(guò)FDS對(duì)7．5 MW火災(zāi)規(guī)模下的自然通風(fēng)與機(jī)械通風(fēng)模式進(jìn)行三維模擬，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得出以下結(jié)論。

（1）慎重選取隧道防災(zāi)通風(fēng)方案。采用機(jī)械通風(fēng)方案時(shí)，火源處溫度較自然通風(fēng)高，且溫升幅度較大，原因是縱向通風(fēng)增加了隧道內(nèi)空氣中的富氧程度，加劇了燃燒，提升了燃燒溫度。因此，隧道防災(zāi)通風(fēng)方案的確定應(yīng)經(jīng)過(guò)科學(xué)合理的論證。

（2）合理控制風(fēng)機(jī)的開啟時(shí)間對(duì)隧道火災(zāi)中的人員安全疏散至關(guān)重要。在機(jī)械通風(fēng)工況下，縱向通風(fēng)使煙氣明顯下壓，高溫?zé)煔獠辉倬奂谒淼理敱谏?，而是在火源下游一定的范圍?nèi)；煙氣分層被擾亂，隧道內(nèi)人員安全高度（2 m）以上的煙氣濃度較高，能見度不足10 m，且溫度超過(guò)人體可忍受限值，不利于火源下游人員逃生；隧道內(nèi)縱向通風(fēng)可有效抑制煙氣向上游擴(kuò)散，加速了煙氣向下游區(qū)域飄移，上游區(qū)域CO濃度處于安全范圍，為火源上游人員疏散創(chuàng)造了條件，因此科學(xué)及時(shí)開啟風(fēng)機(jī)的時(shí)間對(duì)火災(zāi)中的人員逃生起關(guān)鍵性作用。

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李強(qiáng)：鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司城市軌道交通設(shè)?計(jì)研究分院，助理工程師，天津，300250

責(zé)任編輯苑曉蒙

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1672-061X（2016）06-0030-05