长大地铁区间隧道火灾可用安全疏散时间算法研究及应用

田 峰， 王海桥， 朱祝龙， 陈世强， 黄俊歆

(1. 中铁第六勘察设计院集团有限公司隧道设计分公司， 天津 300133；2. 湖南科技大学资源环境与安全工程学院， 湖南 湘潭 411201；3. 湖南工学院安全与环境工程学院， 湖南 衡阳 421002)

0 引言

由于城市地铁线路封闭，发生火灾时排烟与散热条件差，会很快产生高浓度的有毒烟雾，且温度迅速升高，致使人员疏散困难、救火难度大。保障地铁区间隧道火灾时司乘人员的生命安全受到相关技术人员和学者的广泛关注。

当地铁区间隧道发生火灾时，必须保证人员及时离开火点范围到达安全区域，即可用安全疏散时间(ASET)大于必须安全疏散时间(RSET)。而对于长大地铁区间来说，由于其长度长，地质环境复杂，区间内并行列车数量多，且乘客数量大，相对于常规区间隧道更易发生事故和灾害，在事故灾害条件下进行人员安全疏散的难度更大。

目前，国内外尚无相关规范或指南对长大地铁区间可用安全疏散时间做出规定或提出建议[1-3]。为了得到具体工程的可用安全疏散时间，大多采用数值模拟的方法，例如： 文献[4]采用基于拉丁超立方抽样的蒙特卡洛模拟方法，分析了ASET的不确定性及其影响参数的敏感性； 文献[5]对香港某自然通风的车站火灾进行了ASET模拟； 文献[6-8]分别介绍了狭长空间、地下车站及地铁火灾的数值模拟方法； 文献[9]对广深港客运专线福田站及其相邻区间隧道疏散时间进行了数值模拟。然而，数值模拟分析相对经验公式计算来说周期较长，同时工程针对性强且要求参数明确化，往往给工程实施带来很大难度，不利于工程项目前期决策。

ASET与火灾燃烧类型、可燃物热值、热释放速率、消防设施、隧道几何尺寸等参数密切相关。为了能够迅速有效地确定长大地铁区间隧道火灾工况下的可用安全疏散时间，本文基于火灾发展及系统整体性基本原理、已有经验公式、工程具体情况及规范规定等相关限制性条件，提出一种新的可用安全疏散时间模型算法，即多因素联合限定法(multi-factor combined method，MCM)，并通过国内在建长大地铁过海区间隧道工程应用进行实例验证。

1 MCM理论

1.1 ASET影响因素

地铁区间隧道发生火灾时，人员可用安全疏散时间与火灾燃烧类型、可燃物热值、热释放速率、消防设施、隧道几何尺寸及疏散模式等密切相关。MCM算法基于头脑风暴法基本原理，尽可能地查找与火灾安全疏散相关的外部因素，诸如人的耐受极限，与火灾相关的热释放功率，火灾发展过程中的烟层温度、散热及烟气下降时间，通风防排烟设备，消防灭火系统，隧道疏散指示照明以及隧道宽度、高度、隧道结构耐火时间、隧道EPS持续时间、车辆耐火极限等。

1.2 火灾时人员安全疏散判定准则

火灾时安全疏散的首要目标是保证司乘人员能从着火区域疏散到安全区域，其次是为消防队员进入灭火提供必要条件，以便控制火灾规模，限制火灾大面积蔓延。火灾工况下人员生命安全判定准则见表1。

表1 火灾工况下人员生命安全判定准则[10]

对于长大地铁区间隧道来说，在排烟系统能够保证满足临界风速要求，以及火灾报警系统、疏散指示照明系统等消防设施正常运行情况下，当列车在区间发生火灾时，若隧道高度2.1 m以上空间热辐射低于2.5 kW/m2或热烟层温度低于180 ℃，同时隧道高度2.1 m以下空间人员周围温度小于60 ℃且能见度大于10 m，则乘客能够及时疏散至安全区域。

1.3 火灾发展及烟气流动

1.3.1 火灾热释放速率

热释放速率是影响火灾发展的基本参数。在试验研究基础上总结出许多描述火源热释放速率的数学模型，常用的模型有t2模型、MRFC模型和FFB模型。地下工程中常采用的t2快速火灾模型[11]为：

Q=at2。

(1)

式中：Q为火源热释放速率，kW；a为火灾增长系数；t为火灾发展时间，s。

1.3.2 烟层散热

烟气生成量、烟层散热是烟控系统设计的基础条件，其直接影响人员疏散的安全性，相关参数采用门窗出流模型[11]，见式(2)—(4)。

(2)

l=0.166Qc2/5。

(3)

Tm=T∞+Qc/(MCp)。

(4)

式(2)—(4)中：M为烟气质量流量，kg/s；Qc为火灾对流热释放功率，kW；z为火源上方火羽流高度，m；l为平均火源高度，m；Tm为烟层温度，K；T∞为环境温度，K；Cp为定压比热容，J/(kg·K)。

1.3.3 烟层高度及烟气沉降时间

烟层高度直接影响人员安全疏散。人员在达到安全位置之前，应保证其不穿越烟层。烟层高度随着时间的变化而变化，通过烟沉降时间的计算，可得到火灾发生时间与火源上方开始产生烟层高度的关系。NFPA92B烟气充填试验式[12]为：

稳态火源，

Z/H=1.11- 0.281ln [(tQ1/3H-4/3)/(A/H2)]；

(5)

非稳态火源，

Z/H=0.91[(ttg-2/5H-4/5)/(A/H2)-3/5]-1.45。

(6)

式(5)—(6)中：H为隧道高度，m；t为时间，s；Q为稳定火源热释放速率，kW；A为大型空间的截面积，m2；Z为火源上方开始产生烟层的高度m；tg为火源增长时间，s。

1.3.4 最小清晰高度

如果烟层高度不满足最小清晰高度要求，当疏散人员在烟气中穿行时，烟气危及人员疏散安全，因此，烟层高度是否满足最小清晰高度可作为危险来临时间的一个判断依据。最小清晰高度由式(7)确定。

Hq=1.6+0.1H。

(7)

式中：Hq为最小清晰高度，m。

1.3.5 能见度

火灾环境下能见度是指乘客刚好看到疏散指示标志等设施的最远距离，其对人员逃生非常重要，通常情况下疏散方向错误的人员很难逃生。能见度由式(8)确定。

S=(0.133-1.47lgKc)·R/Kc。

(8)

式中：S为能见度，m；Kc为烟气的减光系数，m-1；R为比例系数。

2 MCM计算

2.1 MCM计算流程

采用多因素联合限定法计算区间隧道火灾时人员可用安全疏散时间的思路，就是遵循火灾发生、发展到人员疏散的过程，然后找出各疏散过程中限定疏散时间的制约因素，这些制约因素的自身限制时间就是火灾时人员可用安全疏散时间，其流程如图1所示。

图1 隧道火灾可用安全疏散时间计算流程图

2.2 乘客可用下车时间

乘客可用下车时间t1： 火灾发展到影响乘客下车的时间，即最后一位乘客下车时刻至车厢内烟气下降至最小清晰高度或热烟层温度超过180 ℃或车厢内能见度小于10 m或热辐射超过2.5 kW/m2或车辆耐火时间达到极限的时间。

列车发生火灾需要在区间进行疏散时，乘客可用安全疏散时间即为列车耐火完整性时间及火灾产生的烟气达到人体耐受极限等相关时间的最小值。若火灾发展达到列车车辆耐火极限，着火火源溢出车体，则可能阻断乘客疏散路径，影响乘客安全疏散。由于列车车体采用不燃或难燃材料制作，其火灾热释放功率小，火点附近乘客通常会及时远离火源，火灾热辐射及烟气温度一般不会超过人体耐受极限，因而对司乘人员可用疏散时间起决定作用的往往是列车车体耐火时间及烟气的沉降充填造成的低能见度。

2.3 乘客可用离开着火区域时间

乘客可用离开着火区域时间t2： 火灾发展到影响乘客离开着火区域的时间，即最后一位乘客离开着火区域时刻至车厢溢出的烟气下降至隧道最小清晰高度或隧道能见度小于10 m或达到隧道结构耐火极限或达到隧道EPS持续供电时间的时间。

乘客离开着火列车后，需要及时远离着火区域，以免因隧道衬砌受火坍塌或脱落造成二次伤害，此时对乘客可用疏散时间影响较大的是隧道耐火时间；对于长大地铁区间来说，由于疏散距离长且人员行走需具备一定的亮度要求，因而应急照明指示系统的工作时间即EPS持续供电时间也是重要的限定因素。根据规范要求，隧道EPS持续供电时间较长，一般不会成为乘客离开着火区域可用时间的限制条件。除此之外，由于火灾产生了大量的烟气，这些烟气会从着火列车溢出至区间隧道，在隧道上部充填，降低隧道内能见度，影响人员安全疏散。

2.4 乘客可用到达安全区域时间

乘客可用到达安全区域时间t3： 火灾发展到影响乘客到达安全区域的时间，即最后一位乘客到达安全区域时刻至隧道内烟气下降至最小清晰高度或隧道能见度小于10 m或达到隧道结构耐火极限或达到隧道EPS持续供电时间的时间。

当建筑内部发生火灾时，应及时将火点附近人员疏散至地面等安全区域；然而，对于长大地铁过海区间来说，因位于水下导致无法设置直通地面的疏散口，只能将乘客疏散至对侧未发生火灾的隧道，然后开展救援。当乘客远离火点时，地铁过海区间隧道的人员安全疏散时间则仅与隧道内能见度和EPS持续供电时间相关。

根据上述分析，乘客疏散过程中3个阶段的可用疏散时间均需满足相关要求，才能保证乘客安全疏散，即：

tASET1≤t1&tASET2≤t2&tASET3≤t3。

此外，根据前述定义可知乘客下车、离开火点及到达安全区域为疏散的3个顺序阶段，且满足关系式t1≤t2≤t3，如图2所示。

图2 安全疏散的3个阶段时间关系示意图

3 可用安全疏散时间算法应用实例

3.1 工程概况

厦门地铁3号线过海区间全长约4.9 km，其中海域段长度约3.7 km，远期高峰时刻共有3辆列车同时运行。为满足防灾通风及火灾工况人员疏散要求，设置通风竖井及斜井各1座，如图3所示。为避免列车追踪，在矿山法隧道段设置中间风口，通过隧道上方设置通风排烟风道与区间风井相连。过海区间采用推挽式通风排烟方案。当火灾发生点靠近区间风井时，刘五店站隧道风机送风，区间风井隧道风机排烟；当火灾发生点靠近刘五店车站时，区间风井隧道风机送风，刘五店站隧道风机排烟。过海区间每隔600 m设置1处疏散横通道。

图3 过海区间隧道风井布置示意图

过海区间采用盾构法+矿山法组合施工工法，隧道内部几何尺寸见表2，隧道横断面如图4所示。

表2 过海区间隧道几何尺寸

(a) 盾构法(标准断面)

(b) 矿山法(标准断面)

(c) 矿山法(设置通风排烟风道)

3.2 可用安全疏散时间计算

根据相关设计规范及技术要求，考虑火灾点位于列车车厢内，为车厢行李火灾，火灾列车停靠于2个联络横通道中部，距离两端疏散通道距离均为300 m。当区间隧道发生火灾时，乘客通过列车侧门下车，到达疏散平台，再通过横向联络通道到达非火灾隧道逃生。火灾热释放功率为5 MW，考虑1.5倍安全系数，热释放功率设定为7.5 MW；列车采用B型车，6列编组，单列车体长度为19 m，宽度为2.8 m，净高2.7 m。根据相关规范要求[13-14]，地铁列车车体耐火完整性时间为20 min，隧道衬砌耐火时间为3 h，隧道土建风道耐火时间为30 min，应急照明EPS持续供电时间为90 min。

为了全面分析整个过海区间火灾时人员可用安全疏散时间，选定3种典型断面作为火灾分析场景，见表3。过海区间隧道火灾场景对应的最小清晰高度和烟层允许下降高度见表4。

表3过海区间隧道火灾场景对应断面形式

Table 3 Cross-section forms corresponding fire scenes of subsea tunnel

火灾场景 断面形式1盾构法(标准断面)2矿山法(标准断面)3矿山法(设置通风排烟风道)

表4过海区间隧道火灾场景对应最小清晰高度和烟层允许下降高度

Table 4 Minimum clear height and allowable descending height of smoke layer corresponding to fire scenes of subsea tunnel

火灾场景最小清晰高度/m烟层允许下降高度/m12.113.0022.042.3631.971.73

根据最小清晰高度要求，带入烟气生成量及烟气充填公式，可以计算得出3种火灾场景下乘客可用下车时间t1。由于排烟系统启动，烟气得到有效控制，则乘客离开着火区域时间和到达安全区域时间由应急照明时间控制。考虑1.2倍的安全富裕系数，3种不同火灾场景下乘客可用安全疏散时间MCM计算结果和数值分析结果见表5。

表5 过海区间隧道典型火灾场景可用安全疏散时间

注： 1)MCM算法基于相关系统运行可靠的基础上，即防灾通风系统运行可靠，车辆及隧道耐火性能、隧道EPS应急照明持续供电时间等相关技术参数符合设计要求。2)数值分析采用Pyrosim建立仿真模型，采用FDS火灾模拟软件进行求解。

3.3 计算结果分析

根据前述分析及计算结果可知，MCM算法可以用来计算长大区间隧道火灾时可用安全疏散时间。常规数值分析方法未考虑车辆和隧道耐火及EPS持续供电时间等相关参数，结果与工程实际情况存在一定偏差，尤其是在区间隧道设置通风排烟风道后，若风道达到耐火极限坍塌后将会对乘客疏散造成二次伤害。

对特长地铁区间来说，采用通风排烟风道替代中间风井节省了风井工程投资，但是由于其占据了行车隧道上部空间，降低了隧道最小清晰高度，使得发生火灾时隧道蓄烟空间减小，烟层下降速度快，故而减少了乘客可用安全疏散时间。

4 结论与建议

1)长大地铁区间隧道火灾时可用安全疏散时间与火灾当量、车辆耐火时间、隧道结构耐火时间、隧道EPS应急电源持续供电时间等因素密切相关。

2)MCM算法可以用于计算长大地铁区间隧道火灾时人员可用安全疏散时间，计算ASET时需结合工程具体情况逐项分析相关影响因素，找出确定关键因素。MCM算法可有效避免采用经验公式时出现的研究脱离工程实际的情况。

3)与数值分析方法相比，MCM算法计算简便快捷，效率高，计算结果比数值分析结果略小。