李宇輝，費瑞振

(1. 南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210031；2. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；3. 中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司，天津 300142)

地鐵是現(xiàn)代城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一，其作為交通現(xiàn)代化的重要象征，更成為世界各大城市的一張美麗的明信片[1]。地鐵隧道是一個狹長受限空間，由于其建筑結(jié)構(gòu)和通風(fēng)排煙模式方面的特點，火災(zāi)時期煙氣輸運(yùn)方式不同于其他類型的建筑，高溫有毒有害煙氣可迅速蔓延并充斥整個通道，近火源場的溫度會高達(dá)幾百甚至上千攝氏度，高溫可對建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重的損毀，更重要的是，火災(zāi)產(chǎn)生的有毒有害煙氣極易導(dǎo)致人員中毒傷亡[2]。因此，針對地鐵隧道火災(zāi)時煙氣蔓延和人員疏散效率問題展開研究具有重要的現(xiàn)實意義。19 世紀(jì)80 年代，德國有關(guān)研究者針對火災(zāi)的火焰特性展開了一系列試驗研究[3]。WOODBURN 等[4]為驗證地鐵火災(zāi)數(shù)值模擬數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和靈敏度，對比了數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與實驗所得數(shù)據(jù)。DENG 等[5-6]針對地鐵隧道發(fā)生火災(zāi)時火焰以及煙氣的蔓延規(guī)律進(jìn)行了一系列數(shù)值研究。我國的此類研究起步較晚，王建國等[7]根據(jù)典型易燃物的清單列出其名稱、材料、重量以及燃燒熱值，并計算出在1 h之內(nèi)將有1～2輛車被燒毀。李冬等[8]通過建立Pathfinder 人員疏散模型，對比人員疏散的可用安全疏散時間和必須安全疏散時間，驗證得出B 型地鐵能夠有效地縮短人員疏散時間。汪志雷等[9]采用FDS(Fire Dynamics Simulator)結(jié)合Pathfinder 的數(shù)值模擬手段，模擬了在隧道中運(yùn)行的列車車廂內(nèi)部發(fā)生火災(zāi)時，煙霧在車廂內(nèi)部的運(yùn)移規(guī)律，并探討了其對乘客疏散效率的影響情況。丁厚成等[10]采用FDS軟件模擬研究了屏蔽門的開啟方式對隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣流動的影響。席亞軍等[11]通過FDS建立了地鐵車廂火災(zāi)模型，并在設(shè)定工況下對模型的熱釋放速率、CO 濃度和溫度等進(jìn)行了分析，同時利用Pathfinder 建立人員疏散模型，研究地鐵車廂內(nèi)火災(zāi)蔓延的規(guī)律及其對人員疏散的影響。姜學(xué)鵬等[12]基于FDS模擬手段，分析了地鐵區(qū)間隧道內(nèi)煙氣流動特性，并采用Pathfinder 軟件計算人員必需安全疏散時間，研究人員疏散的安全性。在地鐵隧道發(fā)生火災(zāi)時，疏散平臺和疏散門是主要的疏散設(shè)施，設(shè)置合理的間距可以縮短人員疏散時間，同時也可以使地鐵隧道運(yùn)營較為經(jīng)濟(jì)。根據(jù)GB50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》[13]可知，地鐵隧道疏散平臺寬度需大于等于0.7 m；而TB10063—2016《鐵路工程防火設(shè)計規(guī)范》[14]規(guī)定相應(yīng)疏散平臺寬度不應(yīng)低于1.5 m。由此可見，保障人員疏散效率的前提是確保區(qū)間隧道內(nèi)的疏散平臺具有足夠的寬度。而疏散門則是疏散平臺上受困人員進(jìn)行疏散的主要途徑，選擇合理的疏散門間距也能顯著提高人員疏散效率?，F(xiàn)將我國部分典型高鐵和城際隧道的平臺設(shè)置情況總結(jié)于表1。

表1 典型隧道疏散平臺設(shè)計方案Table 1 Typical tunnel evacuation platform design scheme

目前，關(guān)于地鐵站臺火災(zāi)的研究較為成熟，但涉及地鐵區(qū)間隧道火災(zāi)及人員疏散的研究較少。因此，本文對地鐵區(qū)間隧道內(nèi)的火災(zāi)煙氣蔓延、溫度和能見度運(yùn)移規(guī)律作了進(jìn)一步分析，探討了疏散平臺寬度和疏散門間距對人員安全疏散效率的影響規(guī)律。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 地鐵隧道火災(zāi)模型

1.1.1 模型概況

圖1 為某地鐵隧道斷面圖，車廂長24.5 m，寬3.4 m，高3.8 m。線路中線右側(cè)2.2 m，左側(cè)為2.4 m，軌頂面以上至頂高度為4.55 m。通道左側(cè)設(shè)置供乘客逃生的疏散平臺，平臺寬度為0.7 m，高2.0 m。地鐵隧道部分區(qū)段坡度最大達(dá)4.85%，模型總長度為500 m。依據(jù)文獻(xiàn)[15]，可計算出相應(yīng)的臨界風(fēng)速為2.3 m/s。由于火源位置處危險性較大，乘客在進(jìn)行疏散時一般不允許跨越火源，而應(yīng)向火源兩側(cè)進(jìn)行疏散，因此考慮最不利情況，將火源位置設(shè)定于地鐵列車中部，火源功率取10.5 MW。為揭示地鐵隧道火災(zāi)蔓延過程中疏散平臺上溫度、能見度和CO 濃度的分布情況，建立了圖2所示的地鐵隧道火災(zāi)FDS模型。

1.1.2 初始條件及邊界條件

1) 初始條件初始時刻，模型內(nèi)部溫度設(shè)為環(huán)境溫度20 ℃，壓力為101 325 Pa。隧道屬性設(shè)為CONCRETE，列車車體屬性設(shè)為STEEL，其具體熱物性參數(shù)如表2所示。

表2 隧道及列車材料的熱物性參數(shù)Table 2 Thermophysical parameter table of tunnel and train materials

2) 邊界條件壁面邊界條件包括壁面流動邊界和壁面熱邊界條件。對于壁面流動邊界，認(rèn)為煙流是不能滲透的，且壁面速度為0；壁面熱邊界條件設(shè)定為外壁面溫度條件，即壁面溫度固定不變。

3) 通風(fēng)條件研究區(qū)間隧道火災(zāi)時為機(jī)械通風(fēng)模式，隧道兩端定義為壓力邊界條件SUPPLY，通過設(shè)定不同的動壓值提供變化的縱向通風(fēng)風(fēng)速。

1.1.3 網(wǎng)格劃分及獨立性驗證

在FDS 中，網(wǎng)格的分辨率是影響計算結(jié)果與模擬結(jié)果之間誤差大小的關(guān)鍵因素，網(wǎng)格劃分的精細(xì)度越高，模擬結(jié)果的誤差越小，計算成本也隨之升高。實際上，當(dāng)網(wǎng)格精細(xì)到一定程度以后，模擬結(jié)果精度隨著網(wǎng)格的進(jìn)一步縮小而改善提升的效果非常有限。因此，需要對模擬計算的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行一定的篩選，確保能得到相對精確的計算結(jié)果，同時能夠節(jié)約計算資源。

根據(jù)FDS 手冊中[16]推薦的火源特征直徑計算公式：

式中：Q為總的熱量釋放率；ρ∞為氣體密度；cp為氣體的比熱；T∞為氣體溫度。

由式(1)可計算出本文的火源特征直徑為2.46 m，從而進(jìn)一步估算出本文FDS模型的網(wǎng)格尺寸在0.15～0.62 m 的范圍內(nèi)較為合適?？紤]到地鐵區(qū)間隧道的長寬比較大，可在火源遠(yuǎn)場區(qū)域按一定比例適當(dāng)放大網(wǎng)格尺寸。

為檢驗網(wǎng)格獨立性，現(xiàn)對火源近區(qū)設(shè)置4種網(wǎng)格尺寸，分別為0.15，0.25，0.45和0.6 m，相應(yīng)的火源遠(yuǎn)場區(qū)網(wǎng)格尺寸按1.67 倍進(jìn)行擴(kuò)張，均采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分。圖3給出了隧道火災(zāi)時不同網(wǎng)格尺寸下指定點的溫度變化曲線。由圖3分析可知，當(dāng)網(wǎng)格尺寸為0.6 m 時，由于網(wǎng)格較為粗糙，造成了數(shù)值模擬不穩(wěn)定，其余3種形式的網(wǎng)格劃分均能得到趨勢一致且較為平緩的數(shù)據(jù)。考慮模擬結(jié)果數(shù)值大小的差異，0.15 m的網(wǎng)格較為精確，而0.25 m 與0.45 m 結(jié)果相差不大，但為避免網(wǎng)格數(shù)量過多，本模型近火源區(qū)網(wǎng)格尺寸取0.15 m，遠(yuǎn)火源區(qū)網(wǎng)格尺寸取0.25 m。數(shù)值模擬時間為900 s，具體網(wǎng)格劃分情況形如圖4所示。

1.2 地鐵人員疏散模型

1.2.1 乘客疏散方向設(shè)定

當(dāng)?shù)罔F車輛運(yùn)行于區(qū)間隧道內(nèi)時，若發(fā)生火災(zāi)，在列車動力尚未完全喪失的前提下，應(yīng)將車輛行駛至最近車站時才進(jìn)行乘客疏散。而最不利的情況則為火災(zāi)列車滯留在區(qū)間隧道內(nèi)中段的情形。本文主要分析列車中部發(fā)生火災(zāi)時人員的安全逃生事件。由于著火車廂部位溫度較高，不能越過著火部位對應(yīng)的疏散平臺進(jìn)行疏散，具體方向設(shè)定如圖5所示。

1.2.2 人員疏散主要參數(shù)設(shè)置

當(dāng)?shù)罔F車輛在區(qū)間隧道的中部發(fā)生火災(zāi)同時出現(xiàn)停車的情形，乘客需在隧道內(nèi)步行疏散。此時，待疏散的人數(shù)即為該列車上的總乘客數(shù)。本次模擬采用A 型車8 節(jié)編組，8 節(jié)列車的定員(坐席)載客量為516人，地鐵車廂(除去坐席)人員密度取4.5 人/m2，則取區(qū)間隧道內(nèi)的疏散人數(shù)為928 人。在Pathfinder 建模過程中，具體參數(shù)設(shè)定如下：老年人占20%，成年男性占35%，成年女性占30%，小孩占15%；相應(yīng)的步行速度分別為0.9，1.2，1.0和0.8 m/s。

1.2.3 人員疏散模型建立

要達(dá)到保障人員疏散的安全性目標(biāo)，即保證火災(zāi)發(fā)生時，著火隧道段內(nèi)所有受災(zāi)人員能夠在危險到來之前，離開火災(zāi)危害性控制范圍，并通過安全路徑到達(dá)安全地點。模擬過程中，地鐵隧道人員在火災(zāi)發(fā)生時，能在可用安全時間內(nèi)通過疏散平臺進(jìn)入到疏散通道，則認(rèn)為人員達(dá)到安全地點，完成疏散目標(biāo)。圖6為地鐵隧道人員疏散模型圖。為研究不同疏散平臺寬度和不同疏散門間距對人員疏散效率的影響，設(shè)置工況如表2所示。

表 2 工況設(shè)置Table 2 Working condition setting

2 結(jié)果分析

2.1 地鐵隧道火災(zāi)煙氣蔓延特性分析

圖7為2.3 m/s縱向風(fēng)速下地鐵隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣蔓延情況。從圖中可以看出，地鐵列車發(fā)生火災(zāi)后煙氣迅速蔓延到整個車廂內(nèi)，之后繼續(xù)向區(qū)間隧道進(jìn)行蔓延。在縱向風(fēng)速的作用下，煙氣在火災(zāi)發(fā)生后，向隧道下游快速蔓延，直到隧道一端。在蔓延的過程中，煙氣不斷沉降，逐漸充滿隧道的一端，整個過程中，區(qū)間隧道內(nèi)煙氣基本能夠控制在火源一側(cè)，但地鐵車廂內(nèi)仍存在部分煙氣。

圖8為在縱向通風(fēng)流速為2.3 m/s的條件下，地鐵區(qū)間隧道內(nèi)2 m 高度的水平面上溫度場的分布云圖。從圖中可以看出，在流動空氣的作用下，火災(zāi)發(fā)生1 800 s 后溫度的變化區(qū)域基本不再繼續(xù)向火源上游蔓延，因此2.3 m/s 的縱向風(fēng)速可以有效地將危險區(qū)域控制在火源下游。

圖9為在縱向風(fēng)速為2.3 m/s時地鐵隧道內(nèi)能見度分布云圖?；鹪聪掠纬霈F(xiàn)能見度降低的區(qū)域，該區(qū)域基本不再繼續(xù)向火源上游蔓延，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。但整個過程中，2.3 m/s 的縱向風(fēng)速可以有效地將危險區(qū)域控制在火源下游。

當(dāng)?shù)罔F隧道發(fā)生火災(zāi)后，隧道內(nèi)溫度不大于60 ℃，能見度不低于10 m，CO 濃度不超過500×10-6時，視為人員能承受的安全范圍，超過這個范圍即會對人員身體健康造成傷害，因此人員安全疏散時間為30 min。

2.2 人員疏散效率影響因素研究

2.2.1 疏散平臺寬度的影響

圖10 為不同疏散平臺寬度下地鐵列車中部火災(zāi)人員疏散過程。從圖中可以看出，C1 工況下，在火災(zāi)發(fā)生200 s 時，有179 人安全疏散，人員在806 s 后可以通過疏散平臺全部疏散完畢。C2 工況下，在火災(zāi)發(fā)生200 s 時，有205 人安全疏散，人員在687.3 s 后可以通過疏散平臺全部疏散完畢。C3 工況下，在火災(zāi)發(fā)生200 s 時，有256 人安全疏散，人員在504 s 后可以通過疏散平臺全部疏散完畢。因此，疏散平臺寬度與人員疏散效率之間呈正相關(guān)關(guān)系。

2.2.2 疏散門間距的影響

圖11 為不同疏散門間距下地鐵列車中部火災(zāi)人員疏散過程。從圖11 中可以看出，C4 工況下，在火災(zāi)發(fā)生200 s 時，有517 人安全疏散，人員在481.3 s 后可以通過疏散平臺全部疏散完畢。C5 工況下，在火災(zāi)發(fā)生200 s 時，有363 人安全疏散，人員在624.3 s 后可以通過疏散平臺全部疏散完畢。C6 工況下，在火災(zāi)發(fā)生200 s 時，有239 人安全疏散，人員在773 s 后可以通過疏散平臺全部疏散完畢。C7 工況下，在火災(zāi)發(fā)生200 s 時，有179 人安全疏散，人員在806 s 后可以通過疏散平臺全部疏散完畢。因此，疏散門的間距與人員疏散效率之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

2.2.3 擬合關(guān)系式

根據(jù)上述分析，現(xiàn)基于圖10 和圖11 的數(shù)據(jù)，分別建立了疏散平臺寬度和疏散門間距與疏散時間的對應(yīng)關(guān)系，如圖12所示。

由圖12(a)可知，在疏散門間距為150 m 的條件下，疏散平臺寬度w和疏散時間t之間存在顯著的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系， 相應(yīng)的擬合公式為t=-604.55w+1 230。由圖12(b)可知，在疏散平臺寬度為0.7 m 的條件下，疏散門間距和疏散時間之間則呈現(xiàn)出非線性的正相關(guān)關(guān)系，可用一元二次多項式擬合如下：t=-0.075b+22.03b-809.2。

綜上所述，為達(dá)到較高的人員疏散效率，可將疏散平臺寬度和疏散門間距分別設(shè)定為1.2 m 和80 m。

3 結(jié)論

1) 地鐵列車發(fā)生火災(zāi)后，煙氣會快速充滿整個車廂，之后向區(qū)間隧道蔓延，在2.3 m/s 的縱向風(fēng)速下，能夠?qū)^(qū)間隧道煙氣控制在火源一側(cè)，但地鐵列車車廂內(nèi)仍會存在少量煙氣。

2) 通過分析地鐵隧道內(nèi)2 m 高度溫度、CO 濃度和能見度分布曲線，依據(jù)地鐵隧道內(nèi)溫度不大于60 ℃，能見度不低于10 m，CO 濃度不超過500×10-6時，確定的人員安全疏散時間為30 min。

3) 在疏散門間距為150 m的條件下，疏散平臺寬度和疏散時間之間相應(yīng)的擬合關(guān)系式為t=-604.55w+1 230。在疏散平臺寬度為0.7 m 的條件下，疏散門間距和疏散時間之間相應(yīng)的擬合關(guān)系式為t=-0.075b+22.03b-809.2。

4) 為達(dá)到較高的人員疏散效率，可將疏散平臺寬度和疏散門間距分別設(shè)定為1.2 m和80 m。