铁路隧道内列车发生火灾时通风临界时间的确定

姜学鹏，张 鹏，郭 辉

(1.武汉科技大学 资源与环境工程学院，湖北 武汉 430081；2.武汉科技大学 湖北省工业安全工程技术研究中心，湖北 武汉 430081；3.武汉科技大学 消防安全技术研究所，湖北 武汉 430081；4.中铁第四勘察设计院集团有限公司 建筑与城市规划设计研究院，湖北 武汉 430063)

当铁路列车因火灾停留在隧道内时，在火灾发展初期烟气为自由蔓延状态，此时乘客将从车厢下车疏散至疏散平台，然后再往避难设施(或者洞外)方向疏散；但当烟气层沉降到清晰层高度时，则必须开始通风排烟(当火源位于列车中部时，通常往运营方向通风)，以减小烟气对人员疏散的影响，保障人员安全疏散。因此，满足隧道内人员安全疏散要求下的最早通风开始时间(即通风临界时间)则成为一个亟待明确的问题。

针对铁路隧道火灾通风排烟问题，Blanchard等[1]通过1∶3的缩尺寸隧道模型试验，研究了纵向风速对热释放速率、烟气流动和能量守恒的影响；姜学鹏等[2]开展模型试验研究，建立铁路隧道火灾烟气逆流距离的计算模型，得到了考虑列车阻塞比的临界风速计算公式；李琦等[3]通过试验与数值模拟研究铁路隧道列车火灾，得出了列车继续运行及停车时人员疏散时间及速度。上述研究中均设定风机始终处于运行状态，未考虑风机开启时间对人员疏散的影响，也并未对其通风临界时间进行探究。

本文以某单洞双线铁路盾构隧道为研究对象，采用火灾动力学模型(Fire Dynamics Simulator，FDS)软件模拟隧道列车火灾场景，并采用Togawa经验公式[4]计算人员疏散所需时间，结合烟气蔓延和人员疏散过程，分析人员疏散的安全性，最终确定通风临界时间。

1 火灾数值模型和人员疏散策略

1.1 火灾数值模型

1)建模参数及数值模型

双线铁路盾构隧道的长×宽×高为700 m×12 m×8.8 m，安全通道的长×宽×高为700 m×4 m×2.2 m。疏散平台位于2条行车线中间，在疏散平台上每间隔80 m开设1个长×高为6 m×0.8 m的疏散口，共设置8个，疏散平台两侧设有供救援人员使用的救援通道。列车为CRH1型的16节车厢编组，车厢的长×宽×高为428 m×3.2 m×3.6 m。由此建立的火灾数值模型如图1所示。

火源功率分别取5，10，15和20 MW，其增长速率均取0.046 9 kW·s-2)[5]。火源长×宽×高为4 m×3.2 m×0.4 m，将其设置在第8节与第9节车厢连接处的底部、行车线的中点、疏散平台地面上方0.4m的高度处。隧道壁面设为“CONCRETE”混凝土表面，列车车体为“STEEL”钢结构材质。主隧道一端设为速度边界“VENT”，设置不同的速度以模拟不同的通风风速，另一端及安全通道的两端均设为与外界相通的开口边界“OPEN”。隧道内空气及各固体表面的初始温度为20 ℃，大气压为101.325 kPa的标准大气压。

图1 火灾数值模型(单位：m)

2)网格分析

NIST实验验证，当网格尺寸d≤0.1D*(D*为火灾特征直径，m)时，FDS模拟结果与实验结果非常吻合[6]。D*的计算公式[7]为

(1)

式中：Q为火源功率，kW；ρ∞为环境空气密度，取1.204 kg·m-3；Cp为环境空气比热，取1.005 kJ·(kg·K)-1；T∞为环境空气温度，取293 K；g为重力加速度，取9.81 m·s-2。

当Q=5，10，15，20 MW时，由式(1)计算得到的D*相差不大，为节省模拟计算资源，4种火源功率下的网格尺寸均选取20 MW下确定的最佳网格尺寸。为了获得最佳网格尺寸，取表1中4组不同的网格尺寸，其中不同区域网格所在位置如图2所示，分别模拟得到隧道顶板处温度的分布规律，如图3所示。

表1 网格尺寸划分

图2 不同区域网格所在位置(只显示2个疏散口)

图3 隧道顶板处温度分布

由图3可知：随着网格尺寸减小，模拟结果的差异性逐渐缩小，网格尺寸Ⅱ与Ⅰ的模拟结果基本一致。综合考虑模拟结果的精度和模拟所用时间，选取网格尺寸Ⅱ作为最佳网格尺寸，即火源区域的网格为0.3 m×0.2 m×0.2 m，疏散口区域的网格为0.3 m×0.4 m×0.4 m，其他区域的网格为0.6 m×0.4m ×0.4 m。

1.2 乘客人数及人员疏散策略

考虑列车16辆编组，设定每节车厢人数均为定员100人，则乘客人数为1 600人。

对应4种火源功率取4种火灾场景。火灾发生时，靠近疏散平台一侧的列车车厢门全部开启，乘客由单侧车厢门下至疏散平台，再随机疏散至就近的疏散口，疏散策略如图4所示。

图4 疏散策略示意图(单位: m)

2 所需安全疏散时间

1)所需安全疏散时间的计算公式

所需安全疏散时间tRSET是指自火灾发生到所有人员疏散至安全区域所需的时间，一般由察觉时间tc、预动时间tp和行动时间ta构成。其中察觉时间tc是指自火灾发生到火灾探测与报警装置发出报警信号所需的时间，考虑到铁路隧道内的感温探测系统较为灵敏，且列车内人员密集可以及时进行火灾报警，可设置察觉时间tc=0 s；预动时间tp是指人员接到火灾警报后到开始疏散前的一段时间，客运列车均有广播系统使人员易于识别火灾报警并快速作出反应，可设置预动时间tp=30 s；行动时间ta是指人员开始疏散至疏散结束的时间，可采用Togawa经验公式计算得到；则有

tRSET=tc+tp+ta

(1)

其中，

(2)

式中：L为疏散人员离出口的最远距离，m；N为待疏散人员数量，人；C为疏散出口的疏散能力，人·(s·m)-1，当人员通过疏散通道时，一般取值1.5[8]；B为疏散出口的有效宽度，m；n为疏散出口的数量，个；ρ为待疏散人员所在处的人员密度，人·m-2。

2)所需安全疏散时间的计算过程

由于火源设置在列车正中间位置，则火源上、下游的人员数量及疏散策略均相同，故以火源下游人员疏散为例给出。将人员从列车上通过单侧车厢门疏散至疏散平台定为疏散过程1，由疏散平台下楼梯至安全通道定为疏散过程2(已包含人员通过安全通道的时间)，分别对这2个疏散过程计算行动时间。

疏散过程1：由车厢的有效面积及所载的乘客数量可知车厢内人员密度ρ=1.34人·m-2，每节车厢乘客数量N=100人，车厢门的宽度B=1.1 m，车厢共有2个车门，即n=2，人员离车厢门最远距离L=9.275 m，各节车厢疏散情况相同，由式(2)可得人员撤离列车的时间ta0，即

疏散过程2：由人员就近疏散可知，第9节到第11节车厢的人员下至疏散平台后再由5#疏散口疏散，则N=300人，L=40.25 m；第12节到第14节车厢的人员下至疏散平台后再由6#疏散口疏散，则N=300人，L=45.75 m；第15节和第16节车厢的人员下至疏散平台后再由7#疏散口疏散，则N=200人，L=51.5 m。由疏散平台的有效面积及疏散人数可知疏散平台上人员密度ρ=1.56人·m-2。由式(2)可得人员通过5#，6#，7#疏散口的时间ta5，ta6，ta7分别为

则有

ta=ta0+tamm=5,6,7

(3)

依据人员疏散策略和式(3)计算ta的值，将tc=0 s，tp=30 s和ta的值代入式(1)可得火源上、下游处(距离-350～350 m，其中火源下游处的距离为正，火源上游处的距离为负)的所需安全疏散时间tRSET，如图5所示。

图5 2个疏散过程合计的所需安全疏散时间tRSET

由疏散过程1的ta0=40 s可知，自疏散开始起40 s时人员可以全部撤离列车。由图5可知：由于隧道结构以及列车车厢和车厢门的对称性，tRSET曲线以火源为中心呈对称分布，在火源上游(2#，3#，4#疏散口)和火源下游(5#，6#，7#疏散口)处tRSET较大，这是因为火灾发生后，列车内人员需经过疏散口至安全通道，使得疏散口处出现拥堵，后续人员需排队等待；其中经由3#和6#疏散口所需安全疏散时间最长，tRSET=0+30+40+301=371 s；正对火源处以及2#和7#疏散口之外的区域，所需安全疏散时间均为tRSET=30 s(行动时间为0 s)，即人员疏散不经由这些区域。

3 通风临界时间

采用FDS软件，基于上文建立的火灾数值模型，针对不同火源功率和不同纵向通风风速组成的不同工况，模拟不同通风开始时间的烟气蔓延状态，分析不同工况下人员疏散安全性，进而得出通风临界时间。

3.1 模拟工况及模拟参数

火源功率Q=20 MW时，根据Wu & Bakar临界风速公式[9]计算得到临界风速vt=3.55 m·s-1，共设计8组工况，详见表2，其中工况A1—A4用于反映火源功率的变化，工况B1—B4用于反映纵向通风风速的变化。

表2 模拟工况

由第2节的计算结果可知，列车内人员全部疏散至安全区域需要的时间为371 s，则通风开始时间应早于371 s，若等人员全部疏散完毕后再开启风机通风，则研究纵向通风对人员疏散的影响就无意义，因此，通风开始时间分别取0，60，120，180，240，300，360 s(间隔时间取60 s)。模拟时长取1 200 s。

3.2 安全疏散判定条件

将疏散平台上方2 m设定为特征高度。以特征高度2 m高度处的温度不超过100 ℃、能见度不小于10 m、CO浓度不大于500 ppm[10]作为人员安全疏散的判定标准。若疏散平台某位置处的温度、能见度和CO浓度同时满足对应的标准，则认为该处人员疏散是安全的，由此可得到自火灾开始到对人员安全构成危险所用的时间，该时间即为可用安全疏散时间tASET。隧道发生火灾后，若人员能够在火灾危险来临之前全部疏散到安全区域，就可认为该隧道的设计对人员疏散是安全的。因此安全疏散的判定条件为：可用安全疏散时间大于所需安全疏散时间，即tASET>tRSEU。

3.3 人员疏散安全性分析

以工况A1和工况B1为例，模拟不同通风开始时间时的可用安全疏散时间tASET，并与所需安全疏散时间tRSET比较，如图6所示。

图6 不同通风时间下的安全疏散情况

由图6可知：对于工况A1，通风开始时间为0～120 s时，在火源至6#疏散口之间部分区域有tASET≤tRSET，即不满足安全疏散判定条件，说明人员疏散不是安全的；对于工况B1，通风开始时间为0～120 s时，在火源至6#疏散口之间部分区域有tASET≤tRSET，即不满足安全疏散判定条件，说明人员疏散不是安全的，而在360 s时开始通风(通风过晚)，在4#疏散口至火源之间部分区域有tASET≤tRSET，即不满足安全疏散判定条件，人员疏散亦不安全。由此得出：通风开始时间过早，人员疏散并不安全，这是因为通风会扰乱烟气分层，太早通风使烟气更快沉降缩短危险来临时间，导致tASET≤tRSET的情况发生；但通风开始时间过晚，烟气已在隧道内部分区域大量聚集，未能由通风有效抑制烟气沉降对人员安全的危害，仍会出现tASET≤tRSET的情况。因此，只有在一定的时间开始通风，人员才能够安全的疏散。

3.4 通风临界时间确定

根据上述的模拟可得出各工况下的人员安全疏散情况，结果见表3。

表3 各工况下人员安全疏散结果

根据表3可将8种工况下人员安全疏散结果分成3类。第1类：对于工况A1，A2，A3和B4，不晚于180 s时开始通风人员就可安全疏散。第2类：对于工况B1，B2和B3，在180～300 s间开始通风人员就可安全疏散。第3类：对于工况A4，在180～300 s间开始通风人员就可安全疏散。设ts为保证人员安全疏散的通风开始时间，则可将3类疏散结果列为公式，即

(4)

由式(4)可知，保证人员安全疏散的通风开始时间ts的最小值为180 s，由此可得通风临界时间为180 s。

4 结 论

(1)隧道纵向通风排烟下，早于180 s时开始通风，疏散平台各处人员疏散均不安全；180～240 s时开始通风，疏散平台各处人员疏散安全；晚于240 s时开始通风，疏散平台部分位置处人员疏散不安全。

(2)不同火源功率Q、不同纵向通风风速vt下人员安全疏散结果：5≤Q≤15(vt=3.55)或vt=4.00(Q=20)时，不晚于180 s时开始通风人员即可安全疏散；Q=20(vt=3.55)时，180～240 s时开始通风人员才能安全疏散；1.00≤vt≤3.00(Q=20)时，180～300 s时开始通风，人员才能安全疏散。最终得到铁路隧道列车火灾通风临界时间为180 s。