地铁空间典型灾变场景多场响应规律

邱黎明,尤秋菊,何学秋,刘 强,宋大钊,3,王 远,王立涛,陈 峥

(1.北京科技大学 土木与资源工程学院,北京 100083;2.北京市科学技术研究院 城市系统工程研究所,北京 100195;3.贵州盘江煤电集团技术研究院有限公司,贵州 贵阳 550081)

0 引 言

地铁交通是现代城市交通系统的重要组成部分,具有速度快、效率高、安全可靠、节能环保等特点,为缓解交通压力、优化资源配置、改善城市环境提供了有效途径[1-5]。中国正处在“新型城镇化”战略实施的关键阶段,地铁交通是当前和未来一个时期大中型城市基础建设的重要内容[6-8]。就北京市而言,目前地铁运营线路已达27条,运营里程807.0 km,车站475座,地铁已经成为主要的市内交通方式之一。

在中国大力发展地铁建设的同时,地铁空间坍塌、火灾、水害等安全事故时有发生,不仅造成了极大的生命财产损失,而且社会影响恶劣[9-11]。2014年12月7日,北京地铁某站冷却塔起火,过火面积超过10 m2。2018年2月7日,广东省佛山地铁某施工区因突发透水引发塌陷,造成11人死亡。2019年12月1日,广东省广州市地铁某施工区塌陷,造成3人死亡。2021年7月20日,河南省郑州市某地铁发生水灾,造成14人死亡。国外发生的地铁事故也触目惊心,例如,2003年2月18日,韩国大邱地铁发生火灾事故,造成192人死亡。地铁空间一般为地下空间,人员密集、管理难度较大,安全事故的发生往往具有突发性和高危性。由于地铁空间的封闭性,发生事故后,往往具有蔓延快、救援困难的特点[12-15]。目前,地铁空间的安全建设已经成为我国经济社会和国家安全的重大需求[16]。

常见的地铁空间灾害主要有坍塌、火灾、水害等,国内外学者针对这些灾害的安全评价与事故分析做了较多的研究,为地铁灾害防治提供了一定依据。郭哲敏等通过对百余起地铁坍塌事故的统计分析,基于三角模糊数和模糊层次分析法建立了地铁坍塌事故安全评价指标体系,研究发现人员管理和天气因素对地铁坍塌事故的产生有重大影响[17];牛丰等构建了基于STAMP模型的地铁事故致因模型,分析了地铁空间坍塌事故的演化过程,发现STAMP模型与地铁坍塌事故的致因分析具有较高的契合度[18];YU等研究了地铁结构系统在地震作用下的抗坍塌能力,为地铁空间坍塌灾害的防治提供了理论支持[19];倪鹏等基于FTA与FAHP等方法对地铁火灾事故进行分析,发现空气流通和安检不到位是影响地铁火灾事故的最大因素,提出设置有效的通风排烟系统和加强地铁安检进行火灾预防的理念[20];严钧喻等统计分析了地铁火灾风险的主要影响因素类型,研究建立了地铁火灾风险传播路径与事故链,为地铁火灾事故预防供了理论支持[21];RIE等研究了地铁火灾发生过程中候车区温度、CO和能见度的分布,评估了排烟系统的性能,为乘客的安全疏散提供了相应的解决方案[22];李浩然等基于灾变链式理论地铁水灾的灾情链式传递规律展开研究,发现在地铁水灾演化网络中,车站用电设备故障、隧道结构性能劣化和地下承压水上升是风险控制的关键节点[23];王士军针对地铁水害的特点,阐述了事故处置时面临的困难,从灾害事故的救援机制、监测系统构建、专业队伍建设、综合性保障4个角度提出了对应的解决方案[24];SUN等通过洪水危害、地铁出行暴露和人口脆弱性来评估了地铁水害的风险,研究发现地铁水害风险随着降雨重现期的增加而增加,特别是极端降雨情况下,地铁水害风险会显著增加[25]。

综上所述,当前研究多是依据事故案例,通过调查分析法对事故原因进行整理研究,缺乏事故过程模拟,不能动态反映事故过程中各环境参数响应规律。此外,以往的研究多针对单一灾害进行事故分析,未统一地铁空间多类型灾变之间的联系,不利于地铁空间多灾害综合防控。尽管地铁空间各种动力灾害的发生条件不同,但其引起的结果是相似的,灾害发生后,均导致通风系统状态(风速、风压等)及温度场发生变化,因此有必要对通风参数进行研究。基于此,文中拟利用Fluent数值模拟软件,以坍塌、火灾、水灾等典型灾变类型为研究对象,建立地铁空间灾变数值模型,研究地铁空间多灾变条件下的压力场、温度场、风速场的响应规律,揭示不同灾变类型对地铁空间物理场影响的差异性,为地铁灾害防控提供理论依据。

1 地铁空间典型灾种分析

城市地铁空间抵御灾害的能力相对较强,但发生坍塌、火灾、水灾等灾害所造成的危害又远远超过地面。经统计,近十年国内外地铁运营事故如图1所示。

图1 国内外近10年典型地铁运营事故统计Fig.1 Statistics of typical subway accidents in recent 10 years at home and abroad

图1所展示的多种地铁运营事故中,塌陷、火灾、水灾均与自然条件的变化有关,一般为自然灾害。上述3种自然灾害均有可能引起地铁通风系统的变化,例如,坍塌可能会增加通风系统的风阻,火灾事故可能导致风压变化,而水灾淹没地铁则会改变环境温度。踩踏事故、自杀事故以及国外发生的地铁恐怖袭击事故,一般是社会因素和人为因素引起的。列车脱轨、列车相撞等常常是由设备设施故障导致的,而且常发生在地铁空间之外。这些事故与塌陷、火灾和水灾事故的影响因素及发生条件不同。因此,基于地铁空间危险因素的共性,主要对自然条件引起的事故进行研究,重点分析地铁空间坍塌、火灾、水灾等3类事故的灾变规律。

各种灾变环境的示意如图2所示。地铁火灾发生时主要集中在候车区上或者是地铁内部,进而对乘客安全造成影响。坍塌除了在掉落过程中容易造成人员受伤外,还易造成空间的减小,引发通风不畅。火灾由低至高扩散,造成空间的减小,超过人员呼吸带,易造成乘客的窒息。水灾导致地铁空间受到挤压,人员面临窒息风险。因此,研究坍塌、火灾、水灾等条件下地铁有限空间物理场演化特征,对地铁综合灾变防治具有指导意义。

图2 地铁空间各灾变环境示意Fig.2 Schematic diagram of the typical disaster environment in subway space

1.1 地铁空间坍塌

对于具有岩溶地质的城市,在地铁基坑建设和后续使用中容易造成地铁空间坍塌,地铁站在运营中发生爆炸、火灾、地震等灾害也易诱发坍塌。建设地铁的工程中,施工过程中采取基底渗漏水通道封堵为主、墙底渗漏水通道封堵为辅的处理措施可有效治理坍塌问题。

坍塌材质掉落于地铁空间内,对乘客的生命安全造成威胁,且坍塌物质的堆叠堵塞通风通道,在救援过程中引起人员通行不畅、空气流动受阻。塌陷对地铁空间的影响主要有两方面:一方面是对人员通道的影响;另一方面会改变地铁空间的通风状况,改变行人体感与舒适度。以上影响主要通过改变地铁空间与通风相关的物理场引起的,目前国内外对此研究相对较少。为提高模拟结果的通用性,文中采用坍塌区域划分的方法进行通风状况模拟,数值模型依据如图3所示的坍塌环境下地铁空间示意图而建立,在地铁空间上方设置塌陷区域,块体掉落与地铁空间地板上,利用有限元软件计算塌陷灾害发生之后的通风状态。

图3 地铁空间坍塌灾害示意Fig.3 Schematic diagram of collapse disaster in subway space

1.2 地铁火灾

地铁发生火灾的原因有漏电、短路、过载等众多因素,也有可能是人为纵火(例如2003年韩国大邱地铁火灾事故)。为降低地铁火灾事故致灾严重程度,前人对地铁火灾进行了较多的模拟疏散研究。目前主流的地铁火灾应急策略研究主要通过3D建模技术最大程度的还原地铁场景,内部设置火源,利用烟气和疏散模拟软件进行研究[26],对于火灾发生后地铁空间内的温度场、风速场响应研究不足。

尽管火灾的发生条件不同,但其引起火灾的结果是相似的,火灾发生后,均导致定点的高温火源扩散,并可能造成通风系统状态(风速、风压等)及温度场发生变化,对周围人群产生危害。因此,有必要研究地铁火灾发生后温度场、风速场、压力场的响应规律,为地铁火灾的防治提供依据。数值模型依据图4所示的地铁空间火灾环境示意图而建立,对火灾发生后的通风状态进行研究。为使研究结果具有通用性,简化了火源具体的诱发原因,将火源设置为圆形连续高温区域,不设置其他特殊条件,重点模拟定点火源发生后的各物理场变化。

注:v-风速;L-火源范围;T-火源温度图4 地铁空间火灾场景示意Fig.4 Schematic diagram of fire scene in subway space

1.3 地铁水灾

地铁水灾主要是由于暴雨天气、地下水管破裂等引发的出水超过地铁排水能力造成的。城市地铁在建设之初的防水设计一般使地铁入口高于地面。但近年来极端天气有所增加,暴雨天气地表积水位超过地铁入口高度时会倒灌进地铁。例如,2021年郑州暴雨灾害导致的城市内涝使地铁系统大规模被淹,造成巨大经济损失。

由于地铁站内系统多低于地平线,对突发性暴雨灾害抵抗能力较弱。当地表水倒灌入地铁之后,会在很短的时间内超过候车区,使得地铁空间横截面积降低,引起通风异常。当洪水超过人的呼吸高度后会引起乘客的窒息风险。水的温度一般较低,且积水也会影响地铁通风,进而引起了各物理场的变化。为提升地铁系统对突发水灾的应急能力,需对发生水灾时风速、温度深入分析,提出应急救援新建议,降低事故影响。数值模型依据图5所示的地铁空间水灾环境示意图而建立,对水灾发生后的通风状态进行研究。

图5 地铁空间水灾场景示意Fig.5 Schematic diagram of flood scene in subway space

2 灾变场景数值模拟

为满足模拟需求,以Space Claim 2020建立某地铁站场景模型,并导入Fluent软件,场景模型如图6所示。场景模型一为无灾变环境,模型为100 m×20 m(长×宽),环境温度298.15 K;场景模型二在无灾变条件基础上添加10 m×15 m×1.5 m坍塌区域;场景模型三在无灾变条件基础上添加直径为2 m圆形区域火源,设置40 m处火源温度为1 273.15 K;场景模型四在无灾变条件基础上添加深0.5 m、283.15 K积水。模型的右侧为风流入口,左侧为风流出口,入口风速均为1.5 m/s,上述模型均不与外界进行热交换。

图6 地铁空间灾变场景模拟模型Fig.6 Simulation model for disaster scenarios in subway space

3 地铁灾变多场特征数值模拟结果

模拟过程中模型各场不同高度存在不同变化趋势。由于人员呼吸带平均高度在1.5 m左右,以下云图均采用高1.5 m截面分析各灾变环境下风速场、压力场、温度场演化特征。其中风速场为地铁空间内部风速分布,单位为m/s,压力场指风压的分布,单位为Pa,温度场指地铁空间内部温度分布,单位为K。

3.1 地铁空间多灾变风速场变化分析

3种灾变条件下气体风速场变化如图7所示,图7(e)为4种灾变模型共用的比色卡、比例尺与模型方向。图7(a)为无灾变情况下风速场云图,入风口风速较小,在候车区位置风速较为一致,在出风口风速达到最大,约为1.7 m/s;图7(b)为坍塌条件下的风速场云图,在坍塌区域后有明显风速降低区域;图7(c)为火灾条件下的风速场云图,风速场数值整体略微下降;图7(d)为水灾条件下风速场云图,相比无灾变情况风速有所上升。在图7中,风速分布不均匀的位置主要位于进风口,这是因为,受到进风口与地铁空间墙壁的影响,风流进入到地铁空间后风流截面瞬间增加,在2个入风口中间的墙壁位置形成涡流,造成了风速的不均匀分布。

图7 地铁空间多灾变风速场变化Fig.7 Variation of multi-disaster wind speed field in subway space

未发生灾变模型的风速场高速区主要在出风口位置,这与其他几种情况一致,且4种情况下的出风口风速均高于入风口。相较无灾变条件,坍塌条件下坍塌处风速为0,由于风流受到坍塌物阻碍,坍塌处后方出现低风速区域;火灾与水灾风速演化趋势基本一致,但水灾受到断面尺寸变小的影响,使得风速值增加。

3.2 地铁空间多灾变压力场变化分析

3种灾变条件下气体压力场变化如图8所示。图8(a)为无灾变情况下的压力场云图,可以看出云图总体较为稳定,入口处压力较大,出口处压力较小,而在地铁候车区左边压力较大,分布在1～1.45 Pa;图8(b)为坍塌条件下的压力场云图,可以看出入风口和出风口变化不大,中间区域风压降低,约为0.5 Pa左右;图8(c)为火灾条件下的压力场变化情况,其趋势与无灾变状况一致,但总体数值有所减小;图8(d)为水灾条件下的压力场变化情况,其总体压力显著增加,约为1.6 Pa以上。

图8 地铁空间多灾变气体压力场变化Fig.8 Variation of multi-disaster gas pressure field in subway space

未发生灾变模型的压力场分布均匀,且4种情况下的入风口压力均高于出风口,这表明各灾变情况下通风系统风流均未发生反转。相较于无灾变条件,坍塌条件下坍塌处压力明显提升,未坍塌处压力变小,这是由于风流受到坍塌物的阻碍,在坍塌处前方压力增大;火灾中,压力场数值整体有所减小,说明火灾发生时地铁站内空气稀薄,导致含氧量急剧下降;水灾中,积水导致站内温度降低,空气密度增大,使得压力场数值整体大幅度提升。

3.3 地铁空间多灾变温度场变化分析

3种灾变条件下地铁站内空气温度场变化如图9所示。图9(a)为无灾变情况下温度场云图,可以看出云图总体较为稳定,各区域温度较为一致,均在300 K左右,温度场分别均匀。图9(b)为坍塌条件下温度场云图,坍塌中,塌陷区域温度为材料的初始温度,由于坍塌处温度代表岩土温度,灾变处温度相较于周围地铁空间环境温度较低,但总体变化不大。图9(c)为火灾条件下的温度场变化情况,火灾中温度场变化显著,在着火点后方出现高温区域,高温区域受到风流的影响。火灾中地下空间的温度场异常区呈线条形,且数值从入风口至出风口逐步下降。图9(d)为水灾条件下温度场变化情况,发生水灾之后,由于水温低于环境温度,导致地下空间的温度发生变化,越靠近出风口,温度降低越严重。

图9 地铁空间多灾变温度场变化Fig.9 Variation of multi-disaster temperature field in subway space

相对于无灾变条件,坍塌发生后温度场的变化较小,而火灾与水灾发生后温度场变化较大。火灾发生后,高温区域从火源处随风流延伸至后方较长区域,发生温度显著的变化的区域呈不规则线条状,距离火源越近,温度升高越显著。水灾使地下空间整体温度降低,并在入风口附近的温度呈不均匀分布,越靠近出风口,温度越低,分布也越均匀。在进行地铁空间火灾和水灾救援时,应考虑环境温度的变化。

4 地铁空间多灾变各场对比分析

排除模型的地铁出入口,沿地铁中轴线,以地铁空间左右侧的中心点为起始点和终止点,以入风口一侧为起始点,以出风口一侧为终止点,分析地铁空间内20～100 m范围内中间区域不同高度各场变化。

4.1 多灾变对风速的影响分析

设置无灾变情况下各处风速为对照组,以高度1 m、1.5 m、2 m处的风速进行对比,绘制风速随距离变化图,如图10所示。

图10 多灾变风速随距离变化Fig.10 Variation of multi-disaster wind speed with distance

20 m和100 m处的风速均为0,这是因为风流入口和风流出口距离地铁地下空间的距离为20 m,这2处分别为图6处的地铁空间进风侧和出风侧的墙壁,这个结果也表明,墙壁附近的风速较低。从图10(a)可以看出,灾变后1 m水平风速均发生明显变化。其中,水灾情况下整体风速有大幅上升,最高风速提升约0.2 m/s;坍塌情况下风速受距离影响最大,0～50 m区,风速与变化趋势基本与对照组一致,50～70 m处风速为0 m/s,70～100 m中风速整体上均有所下降,但先增后减的变化趋势与对照组一致;火灾情况下整体风速变化趋势紊乱,0～50 m区,出现4次极大值,且风速整体有所提升,火灾区60 m处,内部风速也与对照组差异较大,在火灾中心区风速最小,70～100 m中则与对照组无明显差异。从图10(b)可以看出,1.5 m水平风速灾变后均发生明显变化。图10(b)、(c)分别为1.5 m与2 m处的各灾变风速变化图。从图中可以看出在各区域位置风速变化基本一致,水灾情况下风速最高,约为0.6 m/s以上,坍塌情况下风速最小,均小于0.3 m/s。而火灾在入口位置风速与无灾变情况一致,在着火点以后显著突变。

综上,3个水平中各灾变条件下风速变化有以下规律:无灾变情况下,风速自20 m处进入,在接近40 m处由于支柱的影响导致风速下降,后稳定上升;坍塌灾变中,1 m、1.5 m水平中风速在灾变处发生大幅度下降,50 m后整体风速下降,但变化趋势未发生大幅改变。2 m水平中风速在遇到灾变处急剧上升,后程阶梯状缓慢下降。在出口处3种水平风速均恢复正常。这是由于坍塌导致灾变处通风截面变小,从而引起2 m水平的风速变大,而下部低水平则因为坍塌使风流受堵进而导致风速下降。故坍塌灾变将导致内部风速出现低水平无风、少风,高水平风速变大,说明地铁坍塌时,对于内部通风应多关注低水平的通风情况;火灾中,1 m水平火源点位置风速低于对照组,这是由于火源可燃物导致此处通风受堵,1.5 m、2 m水平风速整体有所上升,整体变化趋势未发生大改变。故火灾将导致内部空气流动加速,并在火源位置低水平位置风速变小,说明地铁发生火灾时风速紊乱,应谨慎调整通风系统参数;水灾中,风速整体略微上升,变化趋势未发生明显改变,这是由于通风截面变小所导致,故0.5 m深度的水淹灾害对地铁内部风速影响不大,说明地铁发生水灾时可少关注内部通风系统的调整。

4.2 多灾变对压力场的影响分析

设置无灾变情况下风压为对照组,以高度1 m、1.5 m、2 m水平的压力进行对比分析,并绘制流场压力随距离变化图,如图11所示。

图11 多灾变气体流场压力随距离变化Fig.11 Variation of pressure in multi-disaster gas flow field with distance

从图11(a)可以看出,1 m水平气体流场压力灾变条件下均发生明显变化。水灾情况下,自入口30 m至出口压力整体上升0.2 Pa,30 m之前则与对照组一致。坍塌情况下,20～50 m、70～100 m内流场压力与对照组保持一致,但在坍塌区50～70 m内变为0 Pa。火灾情况下,20～40 m内压力明显低于对照组0.4 Pa,并在40 m处追平,40～100 m内气体流场压力整体减少0.2 Pa。从图11(b)、(c)可以看出,1.5 m水平、2 m水平气体流场压力灾变条件下均发生明显变化,且变化规律基本一致。水灾和火灾情况下与1 m水平变化规律一致。坍塌情况下,坍塌区50～70 m内压力降低至1.2 Pa,0～50 m、70～100 m内流场压力与对照组保持一致。

综上,3个水平中各灾变条件下气体流场压力变化发现,火灾对流场压力影响最大,气体流场压力在3个水平中整体降低,但变化趋势未发生大幅改变,这是由于火源导致空间内部温度上升,使空气受热、密度略微下降,导致压力变低。坍塌中,对流场压力变化趋势影响最大。坍塌区流场压力降低明显,但均低于火灾。在1 m水平中,灾变处流场压力降低到0 Pa,未坍塌空间的流场压力与无灾变情况保持一致。这是由于坍塌区无空气导致。水灾情况下,流场压力整体有所上升,但变化趋势未发生改变。这是由于水灾导致空间截面面积变小,在通风系统风量未调整的情况下,导致通风风压增加。

4.3 多灾变对温度场的影响分析

设置无灾变情况下各处温度为对照组,以高度1,1.5,2 m处的温度进行对比分析,并绘制温度随距离变化图,如图12所示。

图12 多灾变温度随距离变化Fig.12 Variation of multi-disaster temperature with distance

从图12(a)可以看出,3种灾变条件下,1 m高度的温度均发生变化。坍塌处主要由于坍塌材料的温度较低引起的,在坍塌范围外,温度基本没有变化。火灾情况下60 m前与对照组温度基本保持在298 K,60 m火源处温度急剧上升至365 K,后在60～70 m内急剧下降至308 K,但仍高于环境温度10 K,直到出风口处仍略高于环境温度,表明在火灾条件对地铁内气温影响显著,下风口受火灾影响较大,越靠近火源影响越显著。水灾情况下,入风口20 m处和100 m处的温度显著降低,这是由于这2处位于地铁空间边界,空气流通性较差,地面积水温度持续对空气降温导致的。在远离边界的位置,气温随着入风口距离的增加呈逐渐降低的趋势,从入风口299 K降低到297 K,降低量达2 K。从图12(b)可以看出,1.5 m水平温度场火灾、坍塌条件下的变化规律与1 m水平的温度变化保持一致,但火灾情况下60 m位置温度最高峰降低至314 K。水灾从298 K降低到296.4 K,降低量为1.6 K。从图12(c)可以看出,坍塌情况下,除了坍塌区域的温度开始与环境温度保持一致之外,其他位置的温度与前2个高度基本一致。火灾变化趋势与前2个高度不同,在火源后温度呈现逐渐增大的趋势,这是因为竖向上温度逐渐散失,在水平方向上由于热空气在风流作用下逐渐扩散,通风导致火焰产生的高温气体向斜上方流动最终汇集于顶部,引起后方温度逐渐升高。水灾的变化规律与前2个高度相对,但水灾从298 K降低到296.4 K,降低量为1.6 K,有所降低。

综上,3个水平中各灾变条件下温度变化有以下规律:坍塌灾害对于地铁地下空间的温度影响不大,事故处理时可忽略温度的影响;火灾对地铁内气温影响显著,下风口受火灾影响较大,在靠近底板的位置,越靠近火源影响越显著,火灾显著影响范围超过10 m,在2 m高度的位置,越靠近出风口,温度越高。地铁火灾处置时应重点应对灾后部位温度升高,防止火灾事故的进一步扩大。水灾对地铁空间温度影响显著,地铁空间边界空气流通性差,温度接近水温。在远离边界的位置,竖向上越靠近底板,温度越低,水平方向上,气温随着入风口距离的增加呈逐渐降低的趋势。地铁水灾救援时,除了排水之外,还应重点关注地铁边界及出风口附近的温度降低的问题。

5 结 论

1)地铁空间发生灾变后,各物理场变化显著。坍塌发生后风速和风压减小,温度基本不变;火灾发生后,风速和压力显著下降,而温度急剧上升,升温区主要发生在下风向,可引起气温升高10 K以上的区域半径超过10 m;水灾发生后,地铁空间风速和风压增加,温度降低,地铁空间边界降温最严重可达15 K,边界之外的区域,越靠近出风口,温度越低,降温达2 K。

2)地铁空间灾变多场差异性响应机制。坍塌导致地铁空间发生堵塞,进而对通风起到堵塞作用;火灾发生后气体发热膨胀,使得气体流场整体流速、压力降低,但下风向分布很不均匀;水灾水流积聚使得地铁空间总体减小,导致风速、压力增加,水的低温特性及风流作用导致环境气温出现不同的降低幅度。

3)对于坍塌事故,需要及时清理塌陷区域,减少通风阻力;对于水灾事故,在排水时不可忽视水灾对风压和风速的影响,并考虑水流及风向的降温作用;对于火灾事故,应重点控制高温区域的蔓延,防止火灾区域的进一步扩大。