地铁跨海隧道火灾FDS数值模拟研究

■ 李强 

地铁跨海隧道火灾FDS数值模拟研究

■ 李强

以青岛某地铁跨海隧道为研究对象，论述其工程概况及防排烟系统设计，并建立物理模型。从火源强度、火源类型设定、燃烧模型、几何模型网格设置和火灾耐受极限判断标准方面设置边界条件。采用FDS数值模拟分析方法，对隧道内的温度分布、正线隧道内的风速、正线隧道内能见度、正线隧道内的CO浓度分布进行分析，提出慎重选取隧道防灾通风方案和合理控制风机的开启时间对隧道火灾中的人员安全疏散至关重要的结论。

地铁；跨海隧道；火灾；FDS；数值模拟；火源；人员疏散

0 引言

近年来，随着我国轨道交通建设的迅猛发展，拥有运量大、速度快、准时方便等优点的轨道交通系统逐渐成为城市公共交通系统中的重要组成部分。截至2016年5月，全国27个城市开通城市轨道交通运营，地铁运营里程达到3 475 km，预计到2020年，我国城市轨道交通总里程将达到6 000 km。由于地铁隧道对外连通的通道较少，一旦发生火灾，燃烧产生的大量有毒高温烟气难以自然排出，将迅速充满隧道，导致能见度降低，极大增加人员疏散撤离难度。因此，地铁区间隧道，尤其是跨海隧道是地铁防灾的重中之重[1-2]。在此以青岛某跨海隧道为例，结合防排烟系统设计方案，模拟纵向通风模式下的火灾排烟效果，提出火灾紧急情况下的人员安全疏散方案，为长大隧道防灾通风方案的制定提供依据。

1 工程概况及防排烟系统

1.1 工程概况

跨海隧道A站—B站区间长约7．8 km，属跨海特长区间，最不利点的坡度为28．0‰，平均坡度为16．5‰。跨海特长区间设置1#区间和2#区间2座风井，将隧道A站—B站跨海特长区间分成A站—1#区间风井（陆域段Ⅰ，长约800 m）、1#区间风井—2#区间风井（海域段，长约5 400 m）和2#区间风井—B站（陆域段Ⅱ，长约1 571 m）。根据行车计算结果，远期高峰时段在陆域段同时只有1列车运行，在海域段同时有3列车追踪。设计采用三洞隧道，中间隧道上部为排烟风道，下部为人员疏散通道。车站位置及区间风井布置见图1。

1.2 防排烟设计

防排烟设计采用分段纵向通风排烟模式，在A站大里程端设置2台隧道风机，单台风量为66 m3/s，压头1 000 Pa；B站小里程端设置2台隧道风机，单台风量75 m3/s，风压1 000 Pa。1#和2#区间风井分别设置1台事故风机（风量90 m3/s，风压1 300 Pa）、1台加压送风机（风量66 m3/s，压头1 000 Pa）和1台隧道风机（风量66 m3/s，压头1 000 Pa）。同时在区间隧道总长的1/3处和2/3处设置引入中间隧道的排烟风道，另外设置8处与中间排烟风道连通的疏散通道。区间隧道的风机布置见图2。

图1 车站位置及区间风井布置

地铁区间隧道发生火灾时，司机应将列车驶出隧道进入前方车站进行人员疏散，同时开启站台火灾通风模式；若列车被迫滞留在隧道中，则开启区间隧道火灾通风模式，背着乘客疏散方向排烟，迎着乘客疏散方向送风。列车车头发生火灾，人员通过疏散平台向车尾方向步行至后方就近的横向联络通道，通过联络通道进入疏散通道进行疏散；车尾发生火灾，人员通过疏散平台向车头方向步行至前方就近的横向联络通道，通过联络通道进入疏散通道进行疏散；中部发生火灾时，应引导乘客迎风步行通过疏散平台进入就近的横向联络通道进行疏散。

图2 区间隧道的风机布置

2 构建模型及边界条件设置

2.1 火源强度

火源的热释放率是决定火灾发展情况及火灾危害程度大小的重要参数，火灾热释放率的表达式如下：

式中：Q为热释放率，kW；φ为燃烧效率因子，表示可燃物不完全燃烧的程度；m为可燃物的质量燃烧速率，kg/s；ΔH为可燃物的燃烧值，kJ/kg。

国内新投入运行的地铁车辆结构均采用不燃或阻燃材料，引发列车火灾的主要原因是乘客的行李燃烧后引起车厢内材料的局部燃烧[3]，根据研究及经验值，列车着火时热释放速率设定为7．5 MW。

2.2 火源类型设定

火灾的发生分为发展、稳定燃烧和衰退3个阶段。火灾发展的初始阶段，火灾自动报警系统和扑救至关重要，因此在模拟过程中应对火灾发展阶段进行正确设置。火源的热释放率大体上按照指数的增长规律，可用公式进行描述[4]：

式中：a为火灾初始阶段的增长系数，kW/s2；t为火灾发生时间，s；t0为开始有效燃烧所需要的时间，s。

通常认为火灾发生时即达到有效燃烧，因此式（2）可简化为：

地铁发生火灾时，火源衰减难以详细考虑，同时在有限的人员逃生时间内，火源可能未达到衰减阶段，因此仅考虑火源的发展阶段和稳定阶段。

2.3 燃烧模型

火灾动力学模拟模型（FDS）中的大涡模拟采用的燃烧模型为混合分数模型，假定燃料由单一的碳氢化合物组成，燃烧过程中烟气和CO生成量分别为0．042和0．030[5]。

2.4 几何模型

火灾模拟场景设置遵循“可信最不利”原则，以跨海区间隧道1/3与2/3排烟风道处为着火列车最不利停靠点，研究右线隧道列车车尾发生火灾的场景。设置3个假设条件：（1）初始状态下为静止流场，隧道内部和外部的初始温度为20 ℃，压力为1个标准大气压[6]；（2）疏散平台一侧车厢门处于开启状态，用于人员疏散和排烟的横向通道处于开启状态，不用于人员疏散和排烟的横向通道处于关闭状态；（3）忽略人员运动对气流扰动和排烟口、门缝漏风的影响。

发生火灾时，1#区间风井内的加压送风机（风量66 m3/s，压头1 000 Pa）逆转对中间隧道的下部疏散通道进行排风，事故风机（风量90 m3/s，风压1 300 Pa）通过中间隧道的轨顶风道及1/3处的排烟风道对隧道排烟；2#区间风井内的隧道风机（风量66 m3/s，压头1 000 Pa）对正线隧道送风，事故风机（风量90 m3/s，风压1 300 Pa）通过中间隧道的轨顶风道及1/3处的排烟风道对隧道排烟，正压送风机（风量66 m3/s，压头1 000 Pa）对中间隧道的下部疏散隧道送风。

为保证模拟计算结果的准确性，建立了从A站—B站的全尺寸隧道模型（见图3）、联络通道剖面模型（见图4）和排烟风道剖面模型（见图5）。

2.5 网格设置分析

在FDS数值模拟中，网格质量与计算机配置、耗费时间和模拟结果的准确性直接相关，为达到节省时间和保证精确度的目的，合理设置网格大小至关重要。在隧道火灾模拟分析中，火灾特征直径D*与网格尺寸δx大小关系密切，D*/δx值为4～16认为对火灾模拟的网格设置是合理的[7]。火灾特征直径D*表达式如下：式中：D*为火灾直径，m；ρ∞为环境空气密度，kg/m3；cp为定压比热，J/（kg·k）；T∞为环境空气温度，K；g为9．8 m/s2。

图3 隧道模型

图4 联络通道剖面模型

图5 排烟风道剖面模型

按火源功率为7．5 MW计算，火灾特征尺寸D*约为2．15 m，综合考虑计算机的硬件配置和模拟结果精度，对近火源处网格进行局部加密，网格尺寸采用0．25 m×0．25 m×0．25 m，其他区域网格尺寸为1 m×1 m×1 m。

2.6 火灾耐受极限判断标准

火灾烟气的毒害性、高温性、遮光性等是影响人体耐受极限的主要因素。结合人体身高和排烟空间的建筑净高，并考虑安全因素，选取2 m为安全高度。

采用225 ppm[8]作为衡量烟气毒害性的标准，即距地面高度2 m以下的空间，当地铁车站环境的CO浓度达到225 ppm时，人体进入不可耐受状态。为确定逃生方向，安全高度以下的能见度小于10 m[4]时，车站环境进入危险状态。考虑人体的耐受状态，火场中可吸入的空气温度应不高于60 ℃[8]。按照地铁设计规范要求，区间隧道内的排烟流速为2～11 m/s[9]。

3 模拟结果分析

3.1 隧道内的温度分布

3.1.1 隧道内火源附近温度分布

隧道内火源上方温度分布见图6。可以看出，机械通风工况下，火源处的隧道温度持续升高，在360 s时达到峰值，接近850 ℃；自然通风工况下，火源处的隧道温度在约300 s时达到峰值（500 ℃），并基本稳定。与自然通风相比，机械通风工况下火源附近的温度较高，同时温升幅度也较大，原因是纵向通风增加了隧道空气中的富氧程度，加速了燃料燃烧，导致温度提高。

3.1.2 隧道内温度分布

（1）机械通风工况下，正线隧道火源下游50 m处不同高度的温度分布见图7，火源下游10 m处不同高度的温度分布见图8。

从图7可以看出，火源下游隧道内的温度随着高度的增加而不断升高，温度分层现象比较明显；随着与火源距离的增加，温度逐渐降低，温度变化幅度也趋于平缓。从图8可以看出，火源下游10 m处高度为2 m位置的温度高于人体可忍受温度（60 ℃），不利于火源下游人员的安全疏散。

图6 隧道内火源上方温度分布

图7 火源下游50m处不同高度的温度分布

图8 火源下游10m处不同高度的温度分布

（2）正线隧道火源上游50 m处不同高度的温度分布见图9。可以看出，火源上游50 m处不同高度的温度基本不受火灾影响，原因是机械通风系统将烟气抑制在火源下游，火源上游基本未受到火灾影响，有利于人员向火源上游疏散。

3.2 正线隧道内的风速

正线隧道内的风速分布见图10。可以看出，火灾发生100 s时，隧道内的风速达到2 m/s以上，其中火源上游1 600 m处在50 s时就达到2 m/s，可有效抑制烟气向火源上游扩散，为从火源上游的连通通道疏散人员创造了有力条件。

3.3 正线隧道内能见度分析

自然通风工况下隧道内不同时间段的烟气分布见图11，机械通风工况下隧道内不同时间段的烟气分布见图12。从两图对比可以看出，机械通风加速并扰动了隧道内的烟气，使烟气向隧道下方飘移，不利于下游人员的安全疏散；同时抑制了烟气向火源上游扩散，为上游人员疏散创造了有力条件。

图9 火源上游50m处不同高度的温度分布

图10 隧道内的风速分布

机械通风工况下隧道内火源下游100 m处不同时间的能见度见图13，机械通风工况下隧道内火源处不同时间的能见度见图14。从图13和图14可以看出，火源下游的能见度随着火灾发生时间的延长逐渐降低，与火源距离越远，能见度越差，当能见度小于10 m，此处的人员处于危险状态。

图11 自然通风工况下隧道内不同时间段的烟气分布

图12 机械通风工况下隧道内不同时间段的烟气分布

图13 机械通风工况下隧道内火源下游100m处不同时间的能见度

图14 机械通风工况下隧道内火源处不同时间的能见度

3.4 正线隧道内的CO浓度分布

火灾时隧道内的CO浓度分布见图15。可以看出，火源下游CO浓度远远高于安全限值，并随着高度增加CO浓度急剧增加。虽然CO密度和空气密度相当，但高温下的CO密度低于常温下的空气密度，大部分CO聚集在隧道顶部。由于机械通风的作用，火源上游的CO浓度处于安全状态，人员可以向火源上游进行疏散。

图15 火灾时隧道内的CO浓度分布

4 结论

以青岛某跨海隧道为研究对象，通过FDS对7．5 MW火灾规模下的自然通风与机械通风模式进行三维模拟，并对模拟结果进行对比分析，得出以下结论。

（1）慎重选取隧道防灾通风方案。采用机械通风方案时，火源处温度较自然通风高，且温升幅度较大，原因是纵向通风增加了隧道内空气中的富氧程度，加剧了燃烧，提升了燃烧温度。因此，隧道防灾通风方案的确定应经过科学合理的论证。

（2）合理控制风机的开启时间对隧道火灾中的人员安全疏散至关重要。在机械通风工况下，纵向通风使烟气明显下压，高温烟气不再聚集在隧道顶壁上，而是在火源下游一定的范围内；烟气分层被扰乱，隧道内人员安全高度（2 m）以上的烟气浓度较高，能见度不足10 m，且温度超过人体可忍受限值，不利于火源下游人员逃生；隧道内纵向通风可有效抑制烟气向上游扩散，加速了烟气向下游区域飘移，上游区域CO浓度处于安全范围，为火源上游人员疏散创造了条件，因此科学及时开启风机的时间对火灾中的人员逃生起关键性作用。

[1] 陈鼎榕． 地铁火灾事故下的安全疏散[J]． 地铁与轻轨，2002(2)：49-50．

[2] 资谊． 铁路盾构隧道火灾烟气控制数值模拟研究[J]． 铁道标准设计，2013(9)：82-83．

[3] 李引擎． 建筑防火性能设计[M]． 北京：化学工业出版社，2005．

[4] 钟委，霍然，史聪灵． 热释放速率设定方式的几点讨论[J]． 自然灾害学报，2004，13(2) ：64-69．

[5] L H HU，N K FONG，L Z YANG，et al． Modeling fireinduced smoke spread and carbon monoxide transportation in a long channel：Fire dynamics simulator comparisons with measured data[J]． Journal of Hazaedous Materials，2007(140)：293-298．

[6] 陶刚．地铁区间隧道火灾烟气流动特性研究[J]．重庆大学学报，2011(7)：113-117．

[7] MCGRATTANKB，HOSTIKKAS，FLOYDR，et al． Fire dynamics simulator (version 5) technical reference guide[R]． Gaithersburg：National Institute of Standards and Technology，NIST Special Publication，2007．

[8] NFPA130． Standard for fixed guideway transit and passenger rail systems quincy[M]． New Orleans：National Fire Protection Association，2000．

[9] GB 50157—2013 地铁设计规范[S]．

李强：铁道第三勘察设计院集团有限公司城市轨道交通设 计研究分院，助理工程师，天津，300250

责任编辑苑晓蒙

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1672-061X（2016）06-0030-05