地铁隧道火灾烟气蔓延和人员疏散效率研究

李宇辉，费瑞振

(1. 南京铁道职业技术学院，江苏 南京 210031；2. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；3. 中国铁路设计集团有限公司，天津 300142)

地铁是现代城市重要的基础设施之一，其作为交通现代化的重要象征，更成为世界各大城市的一张美丽的明信片[1]。地铁隧道是一个狭长受限空间，由于其建筑结构和通风排烟模式方面的特点，火灾时期烟气输运方式不同于其他类型的建筑，高温有毒有害烟气可迅速蔓延并充斥整个通道，近火源场的温度会高达几百甚至上千摄氏度，高温可对建筑结构的稳定性造成严重的损毁，更重要的是，火灾产生的有毒有害烟气极易导致人员中毒伤亡[2]。因此，针对地铁隧道火灾时烟气蔓延和人员疏散效率问题展开研究具有重要的现实意义。19 世纪80 年代，德国有关研究者针对火灾的火焰特性展开了一系列试验研究[3]。WOODBURN 等[4]为验证地铁火灾数值模拟数据的准确性和灵敏度，对比了数值模拟数据与实验所得数据。DENG 等[5-6]针对地铁隧道发生火灾时火焰以及烟气的蔓延规律进行了一系列数值研究。我国的此类研究起步较晚，王建国等[7]根据典型易燃物的清单列出其名称、材料、重量以及燃烧热值，并计算出在1 h之内将有1～2辆车被烧毁。李冬等[8]通过建立Pathfinder 人员疏散模型，对比人员疏散的可用安全疏散时间和必须安全疏散时间，验证得出B 型地铁能够有效地缩短人员疏散时间。汪志雷等[9]采用FDS(Fire Dynamics Simulator)结合Pathfinder 的数值模拟手段，模拟了在隧道中运行的列车车厢内部发生火灾时，烟雾在车厢内部的运移规律，并探讨了其对乘客疏散效率的影响情况。丁厚成等[10]采用FDS软件模拟研究了屏蔽门的开启方式对隧道内火灾烟气流动的影响。席亚军等[11]通过FDS建立了地铁车厢火灾模型，并在设定工况下对模型的热释放速率、CO 浓度和温度等进行了分析，同时利用Pathfinder 建立人员疏散模型，研究地铁车厢内火灾蔓延的规律及其对人员疏散的影响。姜学鹏等[12]基于FDS模拟手段，分析了地铁区间隧道内烟气流动特性，并采用Pathfinder 软件计算人员必需安全疏散时间，研究人员疏散的安全性。在地铁隧道发生火灾时，疏散平台和疏散门是主要的疏散设施，设置合理的间距可以缩短人员疏散时间，同时也可以使地铁隧道运营较为经济。根据GB50157—2013《地铁设计规范》[13]可知，地铁隧道疏散平台宽度需大于等于0.7 m；而TB10063—2016《铁路工程防火设计规范》[14]规定相应疏散平台宽度不应低于1.5 m。由此可见，保障人员疏散效率的前提是确保区间隧道内的疏散平台具有足够的宽度。而疏散门则是疏散平台上受困人员进行疏散的主要途径，选择合理的疏散门间距也能显著提高人员疏散效率。现将我国部分典型高铁和城际隧道的平台设置情况总结于表1。

表1 典型隧道疏散平台设计方案Table 1 Typical tunnel evacuation platform design scheme

目前，关于地铁站台火灾的研究较为成熟，但涉及地铁区间隧道火灾及人员疏散的研究较少。因此，本文对地铁区间隧道内的火灾烟气蔓延、温度和能见度运移规律作了进一步分析，探讨了疏散平台宽度和疏散门间距对人员安全疏散效率的影响规律。

1 数值模拟方法

1.1 地铁隧道火灾模型

1.1.1 模型概况

图1 为某地铁隧道断面图，车厢长24.5 m，宽3.4 m，高3.8 m。线路中线右侧2.2 m，左侧为2.4 m，轨顶面以上至顶高度为4.55 m。通道左侧设置供乘客逃生的疏散平台，平台宽度为0.7 m，高2.0 m。地铁隧道部分区段坡度最大达4.85%，模型总长度为500 m。依据文献[15]，可计算出相应的临界风速为2.3 m/s。由于火源位置处危险性较大，乘客在进行疏散时一般不允许跨越火源，而应向火源两侧进行疏散，因此考虑最不利情况，将火源位置设定于地铁列车中部，火源功率取10.5 MW。为揭示地铁隧道火灾蔓延过程中疏散平台上温度、能见度和CO 浓度的分布情况，建立了图2所示的地铁隧道火灾FDS模型。

1.1.2 初始条件及边界条件

1) 初始条件初始时刻，模型内部温度设为环境温度20 ℃，压力为101 325 Pa。隧道属性设为CONCRETE，列车车体属性设为STEEL，其具体热物性参数如表2所示。

表2 隧道及列车材料的热物性参数Table 2 Thermophysical parameter table of tunnel and train materials

2) 边界条件壁面边界条件包括壁面流动边界和壁面热边界条件。对于壁面流动边界，认为烟流是不能渗透的，且壁面速度为0；壁面热边界条件设定为外壁面温度条件，即壁面温度固定不变。

3) 通风条件研究区间隧道火灾时为机械通风模式，隧道两端定义为压力边界条件SUPPLY，通过设定不同的动压值提供变化的纵向通风风速。

1.1.3 网格划分及独立性验证

在FDS 中，网格的分辨率是影响计算结果与模拟结果之间误差大小的关键因素，网格划分的精细度越高，模拟结果的误差越小，计算成本也随之升高。实际上，当网格精细到一定程度以后，模拟结果精度随着网格的进一步缩小而改善提升的效果非常有限。因此，需要对模拟计算的网格尺寸进行一定的筛选，确保能得到相对精确的计算结果，同时能够节约计算资源。

根据FDS 手册中[16]推荐的火源特征直径计算公式：

式中：Q为总的热量释放率；ρ∞为气体密度；cp为气体的比热；T∞为气体温度。

由式(1)可计算出本文的火源特征直径为2.46 m，从而进一步估算出本文FDS模型的网格尺寸在0.15～0.62 m 的范围内较为合适。考虑到地铁区间隧道的长宽比较大，可在火源远场区域按一定比例适当放大网格尺寸。

为检验网格独立性，现对火源近区设置4种网格尺寸，分别为0.15，0.25，0.45和0.6 m，相应的火源远场区网格尺寸按1.67 倍进行扩张，均采用六面体结构化网格进行划分。图3给出了隧道火灾时不同网格尺寸下指定点的温度变化曲线。由图3分析可知，当网格尺寸为0.6 m 时，由于网格较为粗糙，造成了数值模拟不稳定，其余3种形式的网格划分均能得到趋势一致且较为平缓的数据。考虑模拟结果数值大小的差异，0.15 m的网格较为精确，而0.25 m 与0.45 m 结果相差不大，但为避免网格数量过多，本模型近火源区网格尺寸取0.15 m，远火源区网格尺寸取0.25 m。数值模拟时间为900 s，具体网格划分情况形如图4所示。

1.2 地铁人员疏散模型

1.2.1 乘客疏散方向设定

当地铁车辆运行于区间隧道内时，若发生火灾，在列车动力尚未完全丧失的前提下，应将车辆行驶至最近车站时才进行乘客疏散。而最不利的情况则为火灾列车滞留在区间隧道内中段的情形。本文主要分析列车中部发生火灾时人员的安全逃生事件。由于着火车厢部位温度较高，不能越过着火部位对应的疏散平台进行疏散，具体方向设定如图5所示。

1.2.2 人员疏散主要参数设置

当地铁车辆在区间隧道的中部发生火灾同时出现停车的情形，乘客需在隧道内步行疏散。此时，待疏散的人数即为该列车上的总乘客数。本次模拟采用A 型车8 节编组，8 节列车的定员(坐席)载客量为516人，地铁车厢(除去坐席)人员密度取4.5 人/m2，则取区间隧道内的疏散人数为928 人。在Pathfinder 建模过程中，具体参数设定如下：老年人占20%，成年男性占35%，成年女性占30%，小孩占15%；相应的步行速度分别为0.9，1.2，1.0和0.8 m/s。

1.2.3 人员疏散模型建立

要达到保障人员疏散的安全性目标，即保证火灾发生时，着火隧道段内所有受灾人员能够在危险到来之前，离开火灾危害性控制范围，并通过安全路径到达安全地点。模拟过程中，地铁隧道人员在火灾发生时，能在可用安全时间内通过疏散平台进入到疏散通道，则认为人员达到安全地点，完成疏散目标。图6为地铁隧道人员疏散模型图。为研究不同疏散平台宽度和不同疏散门间距对人员疏散效率的影响，设置工况如表2所示。

表 2 工况设置Table 2 Working condition setting

2 结果分析

2.1 地铁隧道火灾烟气蔓延特性分析

图7为2.3 m/s纵向风速下地铁隧道内火灾烟气蔓延情况。从图中可以看出，地铁列车发生火灾后烟气迅速蔓延到整个车厢内，之后继续向区间隧道进行蔓延。在纵向风速的作用下，烟气在火灾发生后，向隧道下游快速蔓延，直到隧道一端。在蔓延的过程中，烟气不断沉降，逐渐充满隧道的一端，整个过程中，区间隧道内烟气基本能够控制在火源一侧，但地铁车厢内仍存在部分烟气。

图8为在纵向通风流速为2.3 m/s的条件下，地铁区间隧道内2 m 高度的水平面上温度场的分布云图。从图中可以看出，在流动空气的作用下，火灾发生1 800 s 后温度的变化区域基本不再继续向火源上游蔓延，因此2.3 m/s 的纵向风速可以有效地将危险区域控制在火源下游。

图9为在纵向风速为2.3 m/s时地铁隧道内能见度分布云图。火源下游出现能见度降低的区域，该区域基本不再继续向火源上游蔓延，达到稳定状态。但整个过程中，2.3 m/s 的纵向风速可以有效地将危险区域控制在火源下游。

当地铁隧道发生火灾后，隧道内温度不大于60 ℃，能见度不低于10 m，CO 浓度不超过500×10-6时，视为人员能承受的安全范围，超过这个范围即会对人员身体健康造成伤害，因此人员安全疏散时间为30 min。

2.2 人员疏散效率影响因素研究

2.2.1 疏散平台宽度的影响

图10 为不同疏散平台宽度下地铁列车中部火灾人员疏散过程。从图中可以看出，C1 工况下，在火灾发生200 s 时，有179 人安全疏散，人员在806 s 后可以通过疏散平台全部疏散完毕。C2 工况下，在火灾发生200 s 时，有205 人安全疏散，人员在687.3 s 后可以通过疏散平台全部疏散完毕。C3 工况下，在火灾发生200 s 时，有256 人安全疏散，人员在504 s 后可以通过疏散平台全部疏散完毕。因此，疏散平台宽度与人员疏散效率之间呈正相关关系。

2.2.2 疏散门间距的影响

图11 为不同疏散门间距下地铁列车中部火灾人员疏散过程。从图11 中可以看出，C4 工况下，在火灾发生200 s 时，有517 人安全疏散，人员在481.3 s 后可以通过疏散平台全部疏散完毕。C5 工况下，在火灾发生200 s 时，有363 人安全疏散，人员在624.3 s 后可以通过疏散平台全部疏散完毕。C6 工况下，在火灾发生200 s 时，有239 人安全疏散，人员在773 s 后可以通过疏散平台全部疏散完毕。C7 工况下，在火灾发生200 s 时，有179 人安全疏散，人员在806 s 后可以通过疏散平台全部疏散完毕。因此，疏散门的间距与人员疏散效率之间呈负相关关系。

2.2.3 拟合关系式

根据上述分析，现基于图10 和图11 的数据，分别建立了疏散平台宽度和疏散门间距与疏散时间的对应关系，如图12所示。

由图12(a)可知，在疏散门间距为150 m 的条件下，疏散平台宽度w和疏散时间t之间存在显著的线性负相关关系， 相应的拟合公式为t=-604.55w+1 230。由图12(b)可知，在疏散平台宽度为0.7 m 的条件下，疏散门间距和疏散时间之间则呈现出非线性的正相关关系，可用一元二次多项式拟合如下：t=-0.075b+22.03b-809.2。

综上所述，为达到较高的人员疏散效率，可将疏散平台宽度和疏散门间距分别设定为1.2 m 和80 m。

3 结论

1) 地铁列车发生火灾后，烟气会快速充满整个车厢，之后向区间隧道蔓延，在2.3 m/s 的纵向风速下，能够将区间隧道烟气控制在火源一侧，但地铁列车车厢内仍会存在少量烟气。

2) 通过分析地铁隧道内2 m 高度温度、CO 浓度和能见度分布曲线，依据地铁隧道内温度不大于60 ℃，能见度不低于10 m，CO 浓度不超过500×10-6时，确定的人员安全疏散时间为30 min。

3) 在疏散门间距为150 m的条件下，疏散平台宽度和疏散时间之间相应的拟合关系式为t=-604.55w+1 230。在疏散平台宽度为0.7 m 的条件下，疏散门间距和疏散时间之间相应的拟合关系式为t=-0.075b+22.03b-809.2。

4) 为达到较高的人员疏散效率，可将疏散平台宽度和疏散门间距分别设定为1.2 m和80 m。