地铁区间隧道火灾烟气流动特性对人员疏散影响的数值模拟

丁厚成，朱庆松，郭双林，胡莹莹

(安徽工业大学建筑工程学院，安徽 马鞍山 243032)

随着我国经济的增长，城市化进程不断加快，城市人口和私人轿车数量也在飞速增加，导致城市道路愈加阻塞，传统的地上交通无法满足拥有数百万乃至上千万人口城市的交通需求，地下交通成为缓解城市交通的新型渠道，受到国内各城市的青睐[1]。然而，地铁一旦发生事故，极易造成群死群伤的特大灾害，因而在享受地铁带来的便利的同时，应当注重地铁的安全问题[2]。

在地铁的安全问题中，火灾是发生次数最多、造成损害最大的地铁灾害事故，其发生量占地下轨道交通总事故的50%，其中电气原因造成的地铁火灾发生概率最大[3]。根据火灾在地铁中发生的位置可将地铁灾害事故分为两类：①地铁站台火灾；②地铁区间隧道火灾。而相对于具有完善消防措施和人员疏散条件的地铁车站，当列车失火阻塞于区间隧道时，具有更大的安全隐患[4]。

目前，国内外对地铁火灾的研究主要集中在地铁站台火灾及人员疏散方面，涉及地铁区间隧道火灾及人员疏散的研究并不多，大多是对于公路隧道火灾的研究[5]。如席亚军等[6]通过PyroSim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、温度等进行了分析，研究地铁车厢内火灾蔓延的规律及对人员疏散的影响；朱常琳等[7]通过FDS建立了同一列车在不同隧道高度中形成不同阻塞比的模型，研究了不同阻塞比对地铁区间隧道火灾半横向排烟方式排烟效果的影响；田鑫[8]以地铁车站火灾疏散为研究对象，结合人群疏散演练试验，利用Pathfinder疏散软件对地铁列车和地铁车站的人员疏散进行了模拟对比研究，得出站台疏散优于隧道疏散的结论[8]。

上述研究均是针对某一具体特定的区间隧道火灾烟气流动规律的研究，或者是针对某一具体地铁车站和隧道进行人员疏散的研究，鉴于此，本文将基于PyroSim软件，研究B型地铁列车两侧车门同时打开和只有一侧车门开启两种情况下，地铁区间隧道内疏散平台处火灾烟气流动对人员疏散的影响。

1 物理模型的建立

根据国内地铁隧道的情况，本次模拟选取宽度为5.4 m、高为5.5 m的矩形隧道，区间隧道为单洞单线[9]，每隔500 m设置联络通道，地铁列车行车方向左侧设置距道床面高度为1.15～1.35 m的疏散平台，疏散平台高度低于地铁列车地板面0.10～0.15 m，疏散平台宽度设置为800 mm，其上部空间保持距离疏散平台不小于2 m[10]。

地铁车辆分为A、B、C、L几种类型，而我国大部分城市地铁为A、B两种类型，其中B型的使用更加广泛，因而选取B型地铁列车作为研究对象。B型列车每节长度为19.52 m，车辆宽度为2.8 m，高度为3.8 m，地铁轨道面到列车地板面的高度为1.1 m，坐客载荷为40人/节，定员载荷为240人/辆，车门宽度为1 300 mm、高度为1 860 mm，每节车厢有4对车门，列车一共6节车厢，列车总长120 m[11]。

本次模拟计算时，对地铁列车进行了简化处理，忽略次要外部构件以及内部设施结构，建立的地铁区间隧道模型以及地铁列车，见图1。

图1 地铁区间隧道内列车示意图Fig.1 Schematic diagram of a train in subway interval tunnel

2 地铁火灾烟气流动的数值模型

2.1 基本方程组

火灾烟气流动过程的模拟计算所涉及的流动问题通常为湍流流动，而对湍流行为的模拟，通常有三种数值模拟方法：①直接数值模拟(direct numerical simulation，DNS)；②雷诺平均数值模拟(Reynolds-averaged navier-stokes simulation，RANS)；③大涡数值模拟(large eddy simulation，LES)[12]。FDS数值模拟软件采用大涡数值模拟(LES)，并根据质量守恒、动量守恒和能量守恒，建立包括连续性方程、动量方程、能量方程以及组分方程在内的基本方程组，这些方程是进行火灾烟气流动过程模拟的基础，其控制方程[13]如下：

连续性方程：

(1)

动量方程：

(2)

能量方程：

(3)

理想气体状态方程：

(4)

2.2 FDS模拟方案

2.2.1 火源条件的设定

火灾增长模型有两种类型：①稳态燃烧，其火源的热释放速率为定值，不随时间发生改变；②非稳态燃烧，可将火灾分为三个阶段，即初期的增长阶段、中期的稳定燃烧阶段以及末期的衰减阶段。其中，第二种非稳态燃烧火灾增长模型比较符合地铁火灾的实际情况，因而依据Ingason H的火灾热释放理论[14]，增长阶段采用平方增长模型，稳定燃烧阶段保持恒定，衰减阶段采用指数模型，对地铁火灾进行数值模拟，其热释放速率的数学模型见表1。

表1 热释放速率数学模型

注：表中t为燃烧时间(s)；tmax为从开始燃烧至达到最大热释放速率的时间(s)；td为达到最大热释放速率后所能维持的时间(s)；Qmax为燃烧过程中的最大热释放速率(kW)；HRR为火源的热释放速率(kW)；a为火灾增长系数(kW/s2)，本次研究选取最不利火灾工况，火灾类型选取超快速火，火灾增长系数a值为0.187 8 kW/s2。

随着地铁列车大量运用阻燃或者不燃材料，地铁列车的火灾热释放率均控制在10 MW以内，因此对地铁火灾进行数值模拟时将火源的功率设置为5 MW、7.5 MW、10 MW，本文将火灾热释放速率设置为7.5 MW[15]。

2.2.2 边界条件和初始条件的设定

地铁隧道内部的壁面以及顶棚可用钢筋混凝土进行衬砌，取隧道内部温度为20℃，压力为一个大气压(即p=101.325 kPa)，当发生火灾时，隧道一侧设置为速度边界条件，使地铁隧道产生一个纵向通风速度，隧道的另一侧设置为压力出口边界条件，即出口压力与外界环境大气压力相等[16]。

2.2.3 网格的划分

网格划分得越精密，模拟结果就越精确，但会增加计算机模拟的时间和存储空间。根据FDS软件的用户指南[13]，可通过火源特征直径来确定火源附近处的网格大小，其计算公式为

(5)

式中：D*为火源特征直径(m)；Q为火灾总热释放速率(kW)；ρ0为隧道内环境空气密度(kg/m3)；Cp为空气定压比热[J/(kg·K)]；T0为隧道内环境空气温度(K)；g为重力加速度，取值为9.8 m/s2。

当计算网格尺寸为0.06D*～0.25D*，认为能够保证模拟计算的精确性。本文设置的火源功率为7.5 MW，得出火源特征直径为2.14 m。为了兼顾计算机硬件配置和模拟精度的要求，在火源附近处对网格进行加密，加密后网格尺寸为0.135 0 m×0.135 0 m×0.137 5 m，其他区域网格尺寸为0.270 0 m×0.270 0 m×0.275 0 m。

2.2.4 火灾模拟工况的设定

列车为B型铝合金地铁列车，车厢地板为橡胶地板，侧墙材料为铝合金，端墙和顶板为铝蜂窝结构，客室内座椅为玻璃钢材质并位于车厢内左右两侧纵向排列，灯具位于顶板上并采用PC灯罩[17]。火源发生在列车中部，在中间贯通道地板上，面积大小为1 m2，功率为7.5 MW，为快速火，引火源为汽油。

根据《地铁设计防火标准》(GB 51298—2018)[10]规定，载客运营地下区间内应设置纵向疏散平台，当列车发生火灾时，可利用端门下至道床面，并开启客室侧门进行纵向疏散。地下区间隧道的排烟宜采用纵向通风方式，且断面风速在2～11 m/s之间，通风方向与人员疏散方向相反。根据规范综合考虑，本次模拟由于列车中部起火，采取通风方向与列车行驶方向相反，人员疏散方向与列车行进方向相同，开启区间隧道上游风机，进行纵向通风，断面风速为2.5 m/s[18]。

当火灾发生时，50 s后开启前进方向一端司机室端门，进行人员疏散，60 s后上游风机开启，设计了两种侧门开启方式(即火灾模拟工况)：①30 s后靠近纵向疏散平台一侧的客室车门全部打开，另一侧客室车门不开启；②30 s后两侧客室车门全部打开，但人员通过靠近纵向疏散平台的车门进行侧向疏散。在疏散平台处合理设置对应传感器和slice面，用于监控火灾发生后的能见度、温度和CO浓度的变化情况。

3 模拟结果与分析

3.1 一侧车门开启时对地铁区间隧道火灾烟气流动特性及人员疏散的影响

3.1.1 能见度分析

火灾产生的烟气具有遮光性，烟气浓度越大，就越会影响正常的人员疏散。根据NFPA130[19]的规定，烟气的能见度应一直保持在一定的遮光水平之下，能够在10 m之外分辨得清门和墙，因而选取能见度的下限值为10 m。

分别截取一侧车门开启时60 s、90 s、150 s、200 s和300 s时刻的能见度云图，从下往上依次按照时间顺序进行排列，见图2。这些云图的位置位于人眼特征高度处Z=1.60 m。

图2 一侧车门开启时区间隧道内能见度云图Fig.2 Simulated cloud map of visibility of interval tunnel when the door on one side is opened注：图中横坐标X轴以地铁列车中间贯通道为原点，人员疏散方向为正方向；①、②、③、④、⑤、⑥分别代表六节车厢所在的位置；以下同。

由图2可以看出：在排烟风机没有启动的前60s，由于火源从中间贯通道发生，烟气向两边车厢扩散，使第三、第四节车厢能见度下降，但能见度依然在10m以上，未对人员疏散造成危险；随着排烟风机的启动，在90s后烟气开始向下游弥漫，上游烟气得到控制，此时列车前三节车厢能见度维持在30m以上，由于风机风流的关系，烟气在后三节车厢扩散，第四节车厢能见度相较而言更低;在150s时，第三节车厢能见度也开始不断下降，分析原因是由于火源功率的增大，在火灾动力的驱动下，烟气重新蔓延到第三节车厢，造成第三节车厢能见度重新下降；在200s和300s时，能见度云图没有发生太大的变化，这是由于火源功率在200s后维持了稳定，烟气能见度在火灾动力和风机风流的影响下，开始稳定下来，此时第三节车厢能见度维持在20m以上，前两节车厢能见度未受影响，仍在30m以上，后三节车厢的能见度处于较低水平，尤其第四节车厢的能见度受烟气的影响最严重。因此，有必要对第四车车厢疏散平台处的能见度进行定量分析。

第四节车厢的烟气传感器位置见图3。通过烟气传感器记录的一侧车门开启时第四节车厢疏散平台处能见度随时间的变化规律，见图4。

图3 第四节车厢烟气传感器位置示意图Fig.3 Schematic diagram of the position of smoke sensors in the fourth carriage注：V4-1、V4-2、V4-3、V4-4分别表示第四节车厢4个车门对应的纵向疏散平台处上方人眼特征高度位置的烟气传感器，用于记录能见度的变化情况；T4-1、T4-2、T4-3分别表示第四节车厢4个车门之间位于疏散平台处上方人眼特征高度位置的热电偶传感器，用于记录温度的变化情况；C4-1、C4-2、C4-3、C4-4分别表示第四节车厢4个车门对应的疏散平台处上方人眼特征高度位置的CO传感器，用于记录CO浓度的变化情况。

图4 一侧车门开启时第四节车厢疏散平台处能见度 随时间的变化规律Fig.4 Variation of visibility on the fourth carriage’s evacuation platform with time when the door on one side is opened

由图4可见，第四节车厢第二个车门对应的疏散平台处人眼特征高度位置的能见度在100s后达到10m以下，200s之后开始升高到10m以上；而第三、第四车门对应的疏散平台处人眼特征高度位置的能见度在200s后始终处于10m以下。

3.1.2 温度分析

当地铁区间隧道发生火灾时，烟气带来的高温会灼伤人体皮肤，并对人的心智造成影响甚至威胁生命安全。根据NFPA130[19]的规定，在人吸入超过60℃被水蒸气饱和的空气时就会对呼吸道造成热灼伤，因此选取温度上限为60℃。

分别截取一侧车门开启时60s、90s、150s、200s和300s时刻的温度云图，从下往上依次按照时间顺序进行排列，见图5。

图5 一侧车门开启时区间隧道内温度云图Fig.5 Cloud map of temperature of the interval tunnel when the door on one side is opened

由图5可见，随着火势的发展，第四、第五节车厢附近处的温度不断升高，在200s后逐渐稳定，而前三节车厢附近处的温度在安全水平之下。因此，有必要对第四节车厢疏散平台处的温度变化进行定量分析。

通过热电偶传感器记录的一侧车门开启时第四节车厢疏散平台处温度随时间的变化规律，见图6。

图6 一侧车门开启时第四节车厢疏散平台处温度随 时间的变化规律Fig.6 Variation of temperature on the fourth carriage’s evacuation platform with time when the door on one side is opened

由图6可见，在100s后靠近第四节车厢疏散平台处的温度开始超过安全温度60℃，并在200s后达到稳定，其中第一个车门与第二个车门之间的疏散平台处的温度基本维持在60℃到75℃之间，第二个车门与第三个车门之间疏散平台处的温度在100℃到150℃之间波动，第三个车门与第四个车门之间疏散平台处的温度在100℃左右。

3.1.3CO浓度分析

由于烟气具有一定的毒性，会对人体产生危害。根据NFPA130[19]规定，在最初的15min内，CO浓度应控制在800ppm(1ppm=1×10-6)或者更低。一般认为CO浓度超过250ppm，将会对人体产生危害，因此可以将CO浓度上限设置为250ppm。由于烟气集中在后三节车厢所在的区间隧道内，其中第四节车厢处的能见度较低，可以推断出该节车厢内烟气浓度较大，其CO的浓度也最高，因而有必要对第四节车厢疏散平台处的CO浓度变化进行定量分析。

通过CO传感器记录的一侧车门开启时第四节车厢疏散平台处CO浓度随时间的变化规律，见图7。

图7 一侧车门开启时第四节车厢疏散平台处CO浓度 随时间的变化规律Fig.7 Variation of CO concentration on the fourth carriage’s evacuation platform with time when the door on one side is opened

由图7可见，在100s后，第四节车厢第二个车门对应的疏散平台处CO浓度偶尔会大于250ppm，但是200s后稳定在50ppm；在200s后，第三个车门对应的疏散平台处CO浓度常常会大于250ppm。

3.2 两侧车门开启时对地铁区间隧道火灾烟气流动特性及人员疏散的影响

3.2.1 能见度分析

分别截取两侧车门开启时60s、90s、150s、200s和300s时刻的能见度云图，从下往上依次按照时间顺序进行排列，见图8。

图8 两侧车门开启时区间隧道内能见度云图Fig.8 Cloud map of visibility of the interval tunnel when the doors on both sides are opened

由图8得见，当两侧车门开启时，烟气能见度随时间的变化过程与同一侧车门开启时基本相同，且列车左右两侧能见度基本呈现出对称分布，而只有一侧车门开启时，列车左右两侧能见度分布不对称，这是因为烟气只能从靠近疏散平台处一侧车门扩散出来，造成疏散平台一侧烟气浓度大，能见度低。

通过烟气传感器记录的两侧车门开启时第四节车厢疏散平台处能见度随时间的变化规律，见图9。

图9 两侧车门开启时第四节车厢疏散平台处能见度随 时间的变化规律Fig.9 Variation of visibility on the fourth carriage’s evacuation platform with time when the doors on both sides are opened

由图9可见，第四节车厢第三和第四个车门对应的疏散平台处人眼特征高度位置的能见度在将近200s后达到10m以下，而第一个车门与第二车门对应的疏散平台处相应位置的能见度始终在10m以上。对比图4和图9可见，两侧车门开启时能见度维持在10m以上的时间比一侧车门开启时多了100s，更加有利于人员的安全疏散。

3.2.2 温度分析

分别截取两侧车门开启时60s、90s、150s、200s和300s时刻的温度云图，从下往上依次按照时间顺序进行排列，见图10。

图10 两侧车门开启时区间隧道内温度云图Fig.10 Cloud map of temperature of the interval tunnel when the doors on both sides are opened

由图10可见，两侧车门开启时，温度随时间的变化过程同一侧车门开启时基本相似，且列车两侧的温度分布呈现对称性，而只有一侧车门开启的温度云图不具有对称性，靠近疏散平台处温度较高，因为烟气只能从一侧车门涌出，造成温度的升高。

通过热电偶传感器记录的两侧车门开启时第四节车厢疏散平台处温度随时间的变化规律，见图11。

图11 两侧车门开启时第四节车厢疏散平台处温度 随时间的变化规律Fig.11 Variation of temperature on the fourth carriage’s evacuation platform with time when the doors on both sides are opened

由图11可见，3个分布在第四节车厢4个车门之间疏散平台处的热电偶在将近150s后记录的温度数据开始大于60℃，并在200s后稳定下来，其中第一个车门与第二个车门之间的疏散平台处温度稳定在120℃到150℃之间，第二个车门与第三个车门之间的疏散平台处温度稳定在100℃左右，第三个车门与第四个车门之间的疏散平台处温度稳定在80℃左右。对比图6和图11可见，两侧车门开启时疏散平台处的温度达到60℃的时间比一侧车门开启时相对晚了50s，将有利于人员的安全疏散与逃生。

3.2.3CO浓度分析

通过CO传感器记录的两侧车门开启时第四节车厢疏散平台处CO浓度随时间的变化规律，见图12。

图12 两侧车门开启时第四节车厢疏散平台处CO浓度 随时间的变化规律Fig.12 Variation of CO concentration on the fourth carriage’s evacuation platform with time when the doors on both sides are opened

由图12可见，两侧车门开启时，第四节车厢疏散平台处的CO浓度基本低于250ppm，不影响人员的安全疏散。对比图7和图12可见，两侧车门开启时疏散平台处的CO浓度比一侧车门开启时更低，将有利于人员的安全疏散。

4 结 论

(1) 当地铁列车中部发生火灾，若只开启靠近疏散平台一侧的车门时，前三节车厢疏散平台处较为安全，而第四节车厢疏散平台处最先达到危险状态，其中在100s后能见度降低到10m以下，温度上升到60℃以上，CO浓度常常会大于250ppm。

(2) 当地铁列车中部发生火灾，若两侧车门全部打开时，能见度和温度在列车两侧呈现对称性分布，前三节车厢疏散平台处由于排烟风机的作用，疏散环境依然安全，第四节车厢疏散平台处仍然是最先处于危险状态，其中能见度在200s后降低到10m以下，温度在150s后上升到60℃以上，CO浓度基本低于250ppm。

(3) 当地铁列车发生火灾时，及时打开靠近疏散平台一侧的车门对于人员逃生十分重要，而另一侧车门关闭可以防止人员因拥挤导致的跌落等危险状况。但相对于一侧车门开启，两侧车门开启更有利于人员的安全疏散，同时也争取了疏散时间。因此，在火灾发生时，在不考虑人员从疏散平台处一侧车门跌落的情况下，两侧车门都开启将对人员逃生更加有利。