地铁区间列车中部火灾人员疏散受烟气影响分析

张颖 张彪 侯佳丽

摘 要：为了研究地铁区间隧道内列车中部发生火灾时人员疏散受烟气的影响，以 A 型车为例，运用 FDS 软件模拟火灾烟气对乘客疏散的影响。研究结果表明，列车内部火灾烟气对人员的主要危害指标为温度，疏散平台处火灾烟气对人员的主要危害指标为可见度。

关键词：地铁;列车中部火灾;人员疏散;烟气;可见度;氧含量

中图分类号：U231.96

0 引言

GB/T 33668-2017《地铁安全疏散规范》将行驶方向上的列车首末节之间的车辆起火定义为列车中部火灾。列车中部火灾的提出是区间人员疏散工作的细化，有利于保障疏散乘客的安全。但传统的通风排烟模式无法满足列车中部火灾时在区间内进行疏散的要求。列车中部发生火灾时，车内乘客被着火点分为车头侧和车尾侧2部分疏散人群，疏散人员向远离火源的车头和车尾

2个方向进行疏散。此时在任何一侧进行排烟，都会造成该侧乘客疏散不利。为了研究此火灾场景下火灾烟气对人员疏散的影响，用火灾模拟软件FDS（ Fire Dynamics Simulator）模拟无通风排烟模式下火灾烟气对乘客疏散的影响。

1 模型建立

1.1 列车模型

列车模型选用A型车，6节编组，车辆编号由左至右分别为1～6号，其中，1号、6号车为单司机室车辆，车厢长23.6m，宽3m，高3.8m，车内能够站立人的有效长度为21.88 m，有效宽度为2.75m，有效高度2.1m。2号、3号、4号、5号车为无司机室车辆，车厢长22m，宽3 m，高3.8 m，内部能够站立人的有效长度为21.03m，有效宽度为2.75 m，有效高度2.1 m。每节列车5对车门，车门尺寸为1.3 m×1.8 m（宽×高）。每节车辆载员座席56人，定员310人。列车模型如图1所示。

1.2 区间隧道模型

我国车站间距在城市中心区和居民稠密地区宜为1km，因此本文区间隧道的模型长度选用1km。隧道为单线盾构圆形隧道， 断面直径5.5m ，疏散平台宽度为700mm。隧道模型如图2所示。

2 模拟参数

FDS是由美国国家标准与技术研究院（NIST）开发的一种通用火灾模拟软件，其通过数值方法求解Navier-Stokes方程来分析燃烧过程中烟气和热传导的过程。

2.1 火源设定

火源设置于列车中部3号车厢与4号车厢的连接处，火源尺寸为1m×1m×1m（长×宽×高），火源类型为t 2火，火源热释放速率与时间的关系为Qf = αt 2，其中火灾增长系数α为0.04689，火灾发展等级为快速火，火源最大热释放速率为Qmax = 10MW 。

2.2 危险性判定

根据国内外火灾事故、火灾试验结果来看，烟气是威胁人员安全的主要因素。当烟气层某些参数增大到一定值时，便会对人员构成危害。本文选取烟气中能对人员健康造成直接危害的温度和毒性作为安全评价指标。当烟气层降到人眼特征高度以下，烟气温度高于110℃时，高温烟气将会通过直接烧伤或吸入热烟气对人员造成伤害。考虑到列车内部空间封闭以及疏散平台处疏散环境复杂，本文增加车厢内氧含量指标和可见度指标，见表1。

2.3 疏散时间

从火灾发生到乘客开始疏散的时间T1决定了乘客在疏散平台进行疏散时火势的大小、烟气的多少、环境温度的高低以及有毒气体的浓度等，T1越大则疏散平台开始疏散时烟气对于乘客的危险性越大。从火灾发生到乘客开始疏散的时间T1可分为火灾发生到列车被迫停车和车门开启2个阶段。根据GB 50157-2013《地铁设计规范》，地铁列车的旅行速度不宜低于35km/h，对于1km长的隧道需要103s的运行时间。考虑正常运营时列车的开门时间不大于19s，则T1≤103s+19s≤122s。本文选取T1的最大值122 s作为疏散时间进行模拟。

2.4 疏散方式

目前国内区间隧道乘客疏散的方式有以下3种。

（1）我国早期建设的地铁发生事故后，由于列车车厢间不贯通，乘客通过乘客门下车至第三轨电绝缘保护罩上，乘客扶着列车或隧道壁步行至最近车站。典型代表为北京早期地铁。

（2）通过列车端头门下车后步行到最近车站。此种疏散方法的列车车厢之间全部贯通，列车发生事故停靠在区间后，乘客通过列车端头门下车至轨道，步行至最近车站。典型代表为香港地铁。

（3）通过侧向疏散平台进行疏散。在地铁区间内设置侧向疏散平台，列车发生事故停靠在区间后，乘客通過乘客门下车至与列车地板同一高度的疏散平台进行疏散。

本文采用应急疏散平台的方式进行疏散，人员数量按每节车辆超员310人计算，共1860人。有关学者通过对地铁车站行人的摄像观测和数据统计，得出了地铁出行的人员比例及疏散速度，见表2。

3 模拟计算分析

3.1 列车车厢内火灾危险指标对乘客影响分析

列车车厢内发生火灾后，火源附近的温度和一氧化碳浓度逐渐升高，氧含量逐渐降低。通过FDS对车厢内环境进行模拟，得到列车车厢内火灾危险范围随时间的变化曲线，如图3所示。

由图3可以看出，列车车厢内发生火灾后，火源位置处3种危险指标达到危险值的时间分别为62.7s（温度指标）、165s（毒性指标）和179s（氧含量指标）。随着火势的发展和烟气的蔓延，火灾的危险范围逐级扩大，其中温度指标的蔓延速度远远大于毒性指标和氧含量指标。在T1 = 122s时间内，仅有温度指标达到了危险值，其危险范围半径为3m，对车厢内乘客的危害较小。由此可知，列车在区间发生火灾后，可以继续行驶到相邻车站进行疏散，此时车内乘客应远离着火区域。

3.2 疏散平台处火灾危险指标对人员疏散影响分析

火灾发生122s后列车被迫停车并开启车门进行疏散，车内乘客通过疏散平台侧的车门进行疏散。其中1号、2号、3号车厢内的乘客和4号、5号、6号车厢内乘客分别向远离火源的2个不同方向进行疏散。通过FDS对疏散平台范围内的火灾环境进行模拟，得出火灾烟气对乘客疏散的影响，见图4。

由图4可以看出，3种危险指标首先在距离火源最近的一个车门处到达人体耐受极限，时间分别为452s（毒性指标）、126s（温度指标）、164s（可见度指标）。其中毒性指标到达人体耐受极限的时间最晚，影响范围约为18.5m，对人员疏散无影响;在距火源30m范围内温度指标到达人体耐受极限的时间稍晚于乘客离开该区域的时间，对人员疏散有潜在威胁;在20m范围内可见度指标指标对人员疏散无影响，在20m到350m范围内可见度对人员疏散影响较大，在350m之后可见度指标对人员疏散无影响。

4 结论及建议

（1）地铁列车中部发生火灾时，在火源最大热释放速率为10MW情况下，列车继续行驶122s（含开门时间19s）后被迫停靠在区间疏散乘客。列车内部火灾烟气对人员的主要危害为温度指标，疏散平台处火灾烟气对人员的主要危害为可见度指标。

（2）地铁列车发生火灾后，列车车厢内火灾烟气对乘客的危害指标主要为温度，其危害范围随时间逐渐增加。因此，列车在区间发生火灾后，在未失去动力的情况下，应快速行驶到相邻车站组织疏散，此时车内乘客应远离着火区域。

（3）通过疏散平台进行疏散时的开始阶段温度指标对人员疏散有潜在威胁，时间T1越长，车厢内火灾烟气温度越高，列车开门后疏散平台处温度指标的影响范围越大。

（4）通过疏散平台进行疏散，可见度指标不会直接对疏散人员的身体构成危害，但会影响人员的疏散速度，增大人员疏散难度。因此，应在疏散平台的外边缘设置警示灯具，以降低可见度对人员疏散的影响。

（5）被迫停靠在区间的列车中部火灾，火灾烟气未对疏散人员的身体构成直接危害。因此，纵向通风排烟可待某一疏散方向的人员全部疏散至安全区域后启动，启动时间可根据图4中的疏散时间曲线确定。

参考文献

[1]GB 50157-2013 地铁设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2013.

[2]邱昌辉.公路隧道火灾下人员安全疏散性能化分析研究[D]. 湖南长沙：中南大学，2007.

[3]吴强. 基于FDS+Evac模型的火火中人员疏散研究[D]. 陕西西安：西安建筑科技大学，2009.

[4]朱常琳，高明亮. 地铁区间隧道火灾人员疏散微环境的数值分析[J]. 建筑科学，2011，27（12）.

[5]田玉敏. 论“性能化”防火设计中的“设计火灾场景”[J]. 火灾科学，2003，12（1）.

[6]朱伟，侯建德，廖光煊. 论性能化防火分析中的典型火灾场景方法[J]. 火灾科学，2004，13（4）.

[7]徐亮，张和平，杨的，等. 性能化防火设计中火灾场景设置的讨论[J]. 消防科学与技术，2004，23（2）.

[8]易亮，杨洋，徐志胜，等. 纵向通风公路隧道火灾拱顶烟气最高温度试验研究[J]. 燃烧科学与技术，2011，17（2）.

[9]王春，江帆，区嘉洁. 不同通风模式下地铁车站内列车火灾的数值模拟[J]. 广州大学学报（自然科学版），2007，6（5）.

[10] 谢雄耀，丁良平，李永盛. 高速铁路隧道火灾列车继续运行疏散模式CFD分析[J]. 同济大学学报（自然科学版），2010，38（12）.

[11] 陈阳寿，梅秀娟. 地铁列车车厢火灾特性研究[J]. 消防科学与技术，2008，27（6）.

[12] 钟茂华，史聪灵，涂旭炜，等. 深理地铁岛式站点火灾模型实验研究（1）——实验设计[J]. 中国安全生产科学技术，2006，2（1）.

[13] 钟茂华，史聪灵，涂旭炜，等. 深理地铁岛式站点火灾模型实验研究（2）——列车火灾[J]. 中国安全生产科学技术，2006，2（2）.

[14] 钟茂华，史聪灵，涂旭炜，等. 深理地铁岛式站点火灾模型实验研究（3）——站台火灾[J].中国安全生产科学技术，2006，2（3）.

[15] 王盟. 列车车厢内火灾烟气运动的数值模拟与分析研究[D]. 北京：北京交通大学，2006.

[16] 赵轶. 地铁火灾烟气数值模拟及通风控制[D]. 辽宁大连：大连交通大学，2009.

[17] 刘采峰，彭岚，刘朝. 列车车厢内火灾烟气运动的数值模拟研究[J]. 热科学与技术，2003，2（4）.

[18]王迪军， 罗燕萍， 李梅玲.地铁隧道火灾人员疏散与烟气控制[J].消防科学与技术，2004，23（4）.

[19] 李杰. 地铁区间隧道火灾与人员疏散模拟分析[D]. 北京：首都经济贸易大学，2017.

[20] 馬世平. 地铁隧道火灾的人员安全疏散设计研究[D]. 辽宁大连：大连交通大学，2008.

收稿日期 2019-06-19

责任编辑 朱开明