排煙口對地鐵隧道火災機械排煙效果影響研究

江荷 朱常琳 李勝濤 鄧信青

1 西安建筑科技大學建筑設備科學與工程學院2 西安建筑科技大學陜西省環(huán)境工程重點實驗室

地鐵火災自地鐵在誕生之日起就時有發(fā)生，火災事故約占地鐵事故總數的 57%，一旦發(fā)生，很容易演變?yōu)槿后w死亡和群體傷害，造成嚴重的人身傷害和財產損失。研究表明，在這些火災中 85%以上的人員傷亡都是由火災煙氣引起的[1]。地鐵火災具有:煙氣濃度高，氧氣濃度低，排煙排熱差，火災救災困難及人員疏散困難等特點。而這些特點同時也是火災煙氣控制的難點。如何控制好火災煙氣，減少救災困難，降低疏散難度，已成為了國內外學者研究的熱點問題。同時，我國現有規(guī)范，如《建筑設計防火規(guī)范》[2]、《地鐵設計防火標準》[3]等都對建筑中的煙氣控制方法做出了詳細的規(guī)定，但對排煙口面積、長寬比等參數未進行明確規(guī)定，在實際工程中任意性較大，因此研究排煙口對排煙效果的影響對于制定排煙措施和確定相關設計參數具有一定指導意義。

1 數值模擬

1.1 物理模型

本文使用消防火災煙氣模擬軟件 Pyrosim 進行建模，PyroSim 用于建立火災模擬并準確預測和分析火災中的煙霧運動，溫度和有毒氣體濃度。該軟件可以建模并導入 FDS（Fire Dynamics Simulator）軟件，該軟件是由美國國家標準與技術研究院（NIST）建筑火災研究實驗室開發(fā)的用于火災模擬的軟件。它具有很強的針對性，可以獲得詳細的物理量的時空分布，并能清晰地反映火災現象。選取某地鐵區(qū)間隧道為原型，模型隧道長 150 m，斷面尺寸為 6.4 m×4.8 m，地鐵列車單節(jié)車廂幾何尺寸為20 m×3 m×3.8 m，每節(jié)車廂8 扇門，高 2 m，寬 1.5 m。6 輛編組，長 120 m，列車距隧道底部0.4 m。如圖1 所示。

圖1 隧道物理模型圖

1.2 火源設置

目前，國內大部分地鐵車輛都是由新型不燃或阻燃材料組成。列車上的火災是由乘客行李的燃燒和乘客艙內部材料的局部燃燒造成的[4]。香港新機場線地鐵列車熱釋放速率已降至5 MW。此外，北京的地鐵火災熱釋放速率現在也按照5 MW 計算[5]。因此，該模擬火源的熱釋放率設定為5 MW。根據t2超快速火焰設定火焰增長，熱釋放率峰值時間為163 s。

1.3 網格尺寸

網格密度對數值模擬有重要影響。網格越細，模擬結果越準確，但模擬時間會增加。FDS（Fire Dynamics Simulator）指導手冊中給出了確定網格的具體公式[6]：

式中：D*為火源特征直徑，m；Q為火源熱釋放率，kW；ρ∞為大氣環(huán)境空氣密度，kg/m3；cp為空氣定壓比熱容，kJ/(kg·K)；T∞為環(huán)境溫度，K；g為重力加速度，m/s2。

當網格采用0.1D*時，模擬結果更準確。在本文中，熱釋放率Q為5 MW，并且通過計算獲得火源特征直徑D*=2 m。網格尺寸d定為0.2 m×0.2 m×0.2 m。總網格數為576000 個。

1.4 計算模型

FDS 軟件用于數值模擬，湍流模型為大渦模型，燃燒模型為混合分數模型，輻射模型是近似非散射灰體。采用有限體積法對輻射傳輸方程進行了分析和求解。模擬使用結構化網格，模擬計算時間為450 s。

1.5 初始條件和邊界條件

1）隧道內的環(huán)境溫度為20 ℃，壓力為標準大氣壓101.325 kPa。

2）火災發(fā)生在列車內部，假設列車不宜繼續(xù)行駛至下一站，在隧道中部緊急停車，打開所有車門，并通過安全疏散平臺疏散人員。

3）對煙氣流動的分析沒有考慮人員在隧道中運動的影響。

4）隧道一側的端口設置為對外部環(huán)境開放，隧道的另一側設置為速度邊界條件。隧道主體材質為混凝土。考慮到地鐵列車原型主要使用不燃材料制造，故將模型設置為惰性障礙物。

2 人員安全疏散標準

2.1 人眼特征高度層

一般公共場合發(fā)生火災時，通常以人的平均身高1.7 m 作為人眼特征高度[7]。在實際隧道工程中，隧道內通常有一個疏散平臺，高度為 1 m，期望的結果是能將危險區(qū)域控制在人員頭部以上位置。因此，本研究將人眼特征高度設置為2.75 m。

2.2 人眼特征高度層安全標準

1）2.75 m 高度層溫度不應超過60 ℃[8]。

2）2.75 m 高度層CO 體積分數不超過250 ppm[9]。

3）標準NFPA130 建議火災逃生區(qū)域內的煙氣能見度不應小于10 m。

2.3 頂棚高度層安全標準

研究表明，當人暴露于輻射熱大于2.5 kW/m2中時，人體只能忍受極短的時間，并且熱輻射將對人體造成致命傷害。經過計算，對應于2.5 kW/m2的輻射熱量的煙氣溫度在180～200 ℃范圍內[10]，因此，符合人員安全逃生要求的頂棚溫度安全限值確定為180 ℃。

3 模擬結果分析

3.1 排煙口面積對排煙效果的影響

3.1.1 設計工況

地鐵隧道發(fā)生火災，煙氣從排煙口排出，排煙口面積能直接影響隧道內的排煙質量。有研究[11]表明排煙口面積過小可能會出現煙氣逃逸現象，排煙口面積過大則會出現頂棚溫度過高現象，如今，投入使用的地鐵隧道設計中排煙口面積為 4 m2比較普遍，但是《建筑設計防火規(guī)范》中并未明確規(guī)定，因此有必要針對不同排煙口面積進行數值模擬研究。現設置3 種工況，見表1。

表1 不同排煙口面積模擬工況

3.1.2 人眼特征高度層和頂棚溫度分析

由圖2、圖 3 分別為排煙口面積為4 m2時距火源不同位置處的人眼特征高度溫度、頂棚溫度隨時間變化的曲線，從圖2、圖 3 可以看出距離火源不同位置的溫度變化趨勢比較一致。距火源較近的位置，溫度上升較快，且除距火源 0 m 處人眼特征高度層溫度和頂棚溫度在250 s 左右達到波峰，其它位置均在 360 s 左右人眼特征高度層溫度、頂棚溫度達到峰值。同時，根據有關規(guī)定，當車站發(fā)生火災時，要求人員在 360 s 內完成安全疏散。綜合考慮，火災工況溫度數據的采集點取火災發(fā)生后360 s。

圖2 距火源不同位置處的人眼特征高度溫度隨時間變化的曲線

圖3 距火源不同位置處的頂棚溫度隨時間變化的曲線

圖4 為t=360 s 時不同排煙口面積人眼特征高度層溫度分布。從圖 4 中可以看出，在排煙口面積分別為2.25 m2、4 m2、6.25 m2時溫度變化趨勢基本相同，火源附近溫度較高，距火源距離增大，溫度降低，且都能滿足人員疏散安全標準。但仍能明顯看出排煙口面積為6.25 m2時整體溫度高于另外兩工況。圖 5 為t=360 s時不同排煙口面積頂棚溫度分布。從圖5 中可以看出排煙口面積為 6.25 m2時仍存在整體溫度高于其他兩種工況的情況，排煙口面積為 2.25 m2和 4 m2時頂棚溫度基本相似，都能滿足人員疏散標準。

圖4 不同排煙口面積人眼特征高度層溫度分布

圖5 不同排煙口面積頂棚溫度分布

3.1.3 人眼特征高度層CO 濃度分析

在火災中，CO 是易引起人窒息死亡的燃燒產物之一，必須對其進行及時準確的檢測，本次研究主要對人眼特征高度層 CO 濃度分布進行分析。圖 6 為t=360 s 時不同排煙口面積人眼特征高度層 CO 濃度分布，明顯可以看出排煙口為 6.25 m2時各測點CO 濃度均較高，在火源附近 10 m 區(qū)域排煙口面積為2.25 m2比排煙口面積為6.25 m2CO 濃度更高。

圖6 不同排煙口面積人眼特征高度層CO 濃度分布

3.1.4 人眼特征高度層能見度分析

圖7 為不同排煙口面積人眼特征高度層能見度分布云圖，從圖7 中可以看出，越靠近火源能見度越低，排煙口面積為6.25 m2時人眼高度層能見度最低，排煙口面積為4 m2能見度次之，排煙口面積為2.25 m2時人眼高度層能見度相對最高，但總體來看，三種工況火源附近能見度約為10～20 m，均能達到人員疏散安全標準。

圖7 不同排煙口面積人眼特征高度層能見度分布云圖

綜上所述，相比排煙口面積為 6.25 m2和 2.25 m2，排煙口面積為4 m2時更利于人員進行疏散。

3.2 排煙口長寬比對排煙效果的影響

3.2.1 設計工況

在排煙口面積一定的情況下，不同的長寬比有不同的排煙效果。現設置3 種工況，見表2。各工況排煙口長寬比示意圖見圖8。

表2 不同排煙口長寬比模擬工況

圖8 各工況排煙口長寬比示意圖

3.2.2 人眼特征高度層和頂棚溫度分析

圖9 為不同排煙口長寬比人眼特征高度層溫度分布，排煙口長寬比為4:1 時火源附近溫度高于其他兩種工況，排煙口長寬比1:1 和1:4 時溫度變化趨勢基本一致，甚至在離火源前后 10 m 處測點溫度相同，但是在火源發(fā)生點排煙口長寬比為1:1 時明顯較低。圖 10為不同排煙口長寬比頂棚溫度分布，從圖 10 中可以看出，三種工況頂棚的溫度變化趨勢存在高度的一致性，但是可以看出排煙口長寬比為 1:4 時各測點數據均為最低。

圖9 不同排煙口長寬比人眼特征高度層溫度分布

圖10 不同排煙口長寬比頂棚溫度分布

3.2.3 人眼特征高度層CO 濃度分析

圖11 為不同排煙口長寬比人眼特征高度層 CO濃度分布，可以看出排煙口長寬比1:1 時變化趨勢更加平緩，能一直保持在較低水平，并且在火源附近也沒有出現濃度相對較高的情況。

圖11 不同排煙口長寬比人眼特征高度層CO 濃度分布

3.2.4 人眼特征高度層能見度分析

圖12 為不同排煙口長寬比人眼特征高度層能見度分布云圖，從圖12 中可以看出排煙口長寬比為4:1和1:4 時能見度變化趨勢基本一致，排煙口長寬比為1:1 時能見度20 m 以上的區(qū)域明顯更大，更有利于人員疏散。

圖12 不同排煙口長寬比人眼特征高度層能見度分布云圖

綜上所述，相比排煙口長寬比 4:1 和 1:4，排煙口長寬比為1:1 更利于人員進行疏散。

3.4 模型合理化分析

文獻[12]建立了地鐵區(qū)間隧道模型實驗臺，比例為 1:10，研究了火源強度為 5 MW 時，車廂中部著火且停靠在隧道中間時，半橫向通風排煙的排煙效果,實驗結果表明人眼特征高度層溫度和頂棚溫度分布趨勢呈兩邊對稱，在火源處達到峰值，在 20 m 范圍內溫度變化較快，20 m 以外溫度變化相對較為平緩。這一變化趨勢和數值模擬相似，從而驗證了所建模型的合理性。

4 結論

本文采用FDS 建立全尺寸地鐵隧道模型，并研究了火源強度為 5MW 的單線矩形區(qū)間隧道，列車中部著火且停靠在隧道中部時排煙口面積、排煙口長寬比對隧道排煙效果的影響，得出結論：

1）地鐵中部發(fā)生火災并停靠在隧道中部時，采用半橫向排煙模式，隧道內人眼特征高度層溫度，CO 濃度，能見度以及頂棚溫度是對稱分布的，通過研究排煙口各結構參數對排煙效果的影響，分析出更利于人員疏散的工況。

2）排煙口長寬比不變的情況下，排煙口面積為4 m2和排煙口面積為 2.25 m2各項參數具有較高相似度，但排煙口面積為4 m2時人眼特征高度層 CO 高濃度區(qū)域小于排煙口面積為2.25 m2。

3）在排煙口面積不變的情況下，排煙口長寬比1:1時頂棚溫度高于長寬比 1:4，但均滿足人員安全疏散標準，且排煙口長寬比 1:1 時人眼特征高度層 CO 濃度和能見度兩方面具有明顯優(yōu)勢。