某長大山嶺地鐵快線隧道火災煙氣控制模擬研究

王志勇，奚臣瑜

（1 中鐵二院重慶勘察設計研究院有限責任公司，重慶 401121；2 重慶大學，重慶 400030）

0 引言

據有關資料統計，地鐵隧道發生火災時所造成的人員傷亡，85%以上是由煙氣中毒導致[1]。 近年來，雖然地鐵車輛基本上都采用了難燃或者不燃材料，但其在高溫作用下仍會散發出大量的有毒氣體，對人員的生命安全構成極大的威脅[2]。因此，了解隧道內的煙氣流動特征對于人員逃生及消防救援都具有十分重要的意義。 隨著國家新型城鎮化與城市軌道交通建設的快速發展，城市的周邊區域不斷向外擴張，軌道交通市郊線、過江線、跨海線、山嶺線這類軌道交通線已開通運營并持續建設中。 不斷出現的長大區間隧道因長度遠超一般城市軌道交通隧道，規范通常要求設置中間豎井，但受地形、 施工條件等限制或為減少投資運行成本，這類長大區間隧道一般不設中間豎井，因此煙氣輸運距離較長，隧道中部排煙困難，煙氣控制、人員安全疏散與一般城市軌道交通區間隧道相比，更具特殊性和復雜性，所以均需采用性能化防火設計專題研究和技術論證。

地鐵由于其特殊的空間結構，在發生火災時能與外界進行物質和熱量交換的途徑只有車站出入口、隧道端口、通風井。 在有限的空間內，物質難以進行充分燃燒，會產生大量的CO、CO2和其他高溫有毒煙氣，熱量快速集聚使車站內溫度迅速升高。 而煙氣擴散與人員疏散的方向均是車站出入口，更增加了人員安全疏散的難度。 因此，在地鐵火災發生時如何采取有效疏散措施，將風險控制在最低，損失降到最小，是具有重要實際意義的研究[4]。

目前，國內外對地鐵火災的研究主要集中在地鐵站臺火災及人員疏散方面，涉及長大山嶺隧道火災及人員疏散的研究并不多，大多是對公路隧道火災的研究[5]。 如席亞軍等[6]通過PyroSim 建立了地鐵車廂火災模型，并在所設定的工況下對模型的熱釋放速率、CO 濃度、溫度等進行了分析，研究地鐵車廂內火災蔓延的規律及對人員疏散的影響，得出地鐵火災發生時，人員從供風口、排風口方向逃生，都可完成安全疏散；Peizhong Yang 等[7]運用FDS +Evac 研究地鐵站火災熱源對疏散的影響，得出熱釋放率對火災緊急疏散只有微弱的影響，但是火源點、疏散人員所處的位置、通風條件和地鐵材料性能對緊急疏散有很大的影響；田鑫[8]以地鐵車站火災疏散為研究對象，結合人群疏散演練試驗，利用Pathfinder 疏散軟件對地鐵列車和地鐵車站的人員疏散進行了模擬對比研究，得出站臺疏散優于隧道疏散的結論。

本文以某一實際長大山嶺地鐵隧道為例，基于實際通風防排煙系統設計，分析其可能發生的火災工況，對最不利工況進行FDS 數值模擬，分析發生火災情況下隧道內的疏散環境（溫度、CO 濃度、能見度等）[9-10]，并討論現有防排煙系統結合可行的疏散策略是否可以滿足火災情況下的人員安全疏散。

1 工程及通風系統概況

1.1 隧道概況

某一實際長大山嶺地鐵快線隧道全長3945m，單洞雙線隧道，全隧左右線間距5.2m，斷面示意圖如圖1 所示，底部凈寬（半邊）約4.8 m，最高凈高7.1m。 隧道設中隔墻及防火門，隧道兩端1.2 km 范圍內防火門間距為100m，隧道中部防火門的間距為180 m。隧道未設中間風井，采用全射流縱向通風排煙方式。風機安裝位置如圖2 所示，射流風機在隧道兩端集中布置，90m/臺進行布置，第一臺射流風機距離出入口150m。

圖1 隧道斷面

圖2 射流風機布置圖

1.2 列車概況

車輛選型： 采用雙流制As 型車，列車最高運行速度為120km/h。

列車定員：6 輛編組1542 人/列，7 輛編組1804 人/列（站立標準為6 人/m2）。 考慮最不利情況，模型建立選用7 輛編組，人員數量為1804 人。

1.3 臨界風速

該項目中，火災規模取7.5 MW。

在臨界風速的確定上，Wu 和Bakar[11]提出的模型計算的臨界風速為2.09 ，Oka 和Atkinson[12]模型計算的臨界風速為2.33 ，徐琳[13]修正模型計算的臨界風速為1.97 ，翁廟成[14]預測模型計算的臨界風速為2.43 。 綜合考慮以上計算模型的計算結果，取最保守的臨界風速2.43。

通過前期數值模擬計算，隧道兩端有風機區域和隧道中部無風機區域，當隧道內風機正常開啟時，隧道斷面能形成的平均風速為3.51 ，滿足通風速度大于2.43 臨界風速的要求。當列車發生火災時，根據列車起火位置開啟射流風機，排出煙氣，同時給乘客形成迎面風，方便乘客疏散，疏散原則為讓著火列車上盡可能少的人員順風疏散。

2 火災場景分析

2.1 火災場景設計

本文分析總結的主要火災工況包括：

（1） 車輛靠近隧道進口。 根據著火位置分為車前端著火、中部著火、后端著火；

（2） 車輛靠近隧道出口。 根據著火位置分為車前端著火、中部著火、后端著火；

（3） 車輛位于隧道中部。 根據著火位置分為車前端著火、中部著火、后端著火。

對9 種工況進行編號，工況編號如表1 所示。

表1 單車模式工況編號

未發生火災的隧道內根據發生火災疏散使用的防火門確定射流風機開啟方向，分為兩種情況：當火災發生位置為隧道中部未設置風機段時，疏散使用的防火門也在隧道中段，此時兩端射流風機開啟向內部對吹，在疏散的聯絡通道內形成正壓，形成與人員疏散方向相反的氣流，有利于人員的疏散；當火災發生位置為兩端設置風機段（即靠近隧道進口或者出口位置）時，火源下游乘客疏散使用與發生火災距離最近的1～2 個防火門，疏散使用防火門范圍內對應的風機不開啟，對應范圍外的風機開啟對吹，使疏散通道內形成正壓，阻止煙氣蔓延到疏散通道內來，形成與煙氣流動方向一致的氣流方向，有利于人員的疏散。 具體形式如圖3、圖4 所示。

圖3 火源在隧道中部未設置風機區域風機運行示意圖

圖4 火源在兩端設置風機區域風機運行示意圖

2.2 最不利工況分析

由于隧道中部的防火門設置密度較低，不利于人員疏散，所以列車位于隧道中部時更危險。 車頭、車尾著火時，只要縱向通風速度滿足要求，人員即認為是安全的。 列車中部著火時，必定有一半的人下車后順風疏散。 所以單車最不利工況為：著火列車位于隧道中部，著火位置位于列車中部，即上述火災工況表中的工況5。 針對此工況，當列車滿員時，Pathfinder 軟件模擬結果顯示，在模擬至第862s 時人員全部離開隧道，即人員安全疏散成功。

3 模型設置與結果分析

根據不同的火災工況，相應建立不同的FDS 模型，進行模擬研究。為了減小計算機的計算負荷，避免建立近4000 m 的隧道模型，將隧道分為兩個典型區域，即隧道中部無風機區域和隧道兩端有風機區域。

3.1 模型一

3.1.1 模型設置依據

隧道中部無風機區域，防火門的設計間距為180 m，模型考慮火源下游（以火源為中心，火源下游為與縱向通風方向一致的方向）人員疏散使用的兩個疏散門（防火門）的距離，并在兩端各取一定長度余量，模型長度確定為450 m。 隧道的斷面形狀、尺寸與實際模型保持一致。 模型不考慮非著火隧道的風壓對著火隧道的影響，只取原工程隧道的一側進行模擬分析。

本模型可以解決的火災工況包括：

（1） 列車位于隧道中部，著火位置位于列車頭部；

（2） 列車位于隧道中部，著火位置位于列車尾部；

（3） 列車位于隧道中部，著火位置位于列車中部。

即火災工況4、5、6。 隧道模型如圖5、圖6 所示。

圖5 隧道模型側視圖

圖6 隧道模型三維視圖

根據相關學者對地鐵火災場景設計的研究，地鐵列車的火災熱釋放速率為5 MW[3]。本文模擬計算，燃燒材料采用正庚烷，火源熱釋放速率設置為5MW，取1.5 的安全系數，最大火源熱釋放速率按照7.5MW 來設置，火源設置在地面上，面積為4。考慮到列車起火部位為動力和潤滑部件，以油類燃料為主，保守認為火災發展迅速，故本模擬設定火災初期發展為超快速火。 此外，根據火災最不利原則，將火災場景按最危險的穩態火災來考慮，即考慮火災經過初期發展以后，一直維持穩定燃燒。

隧道壁面材料設置為“Concrete”。 隧道的進口定義為FDS 中的“Supply”邊界，出口定義為FDS 中的“Exhaust”邊界。 邊界風速以前期fluent 模擬獲得的風速設計，斷面平均風速為3.51 m/s。 經過網格獨立性驗證，本文所有FDS 數值模擬的網格設置為0.2 m。在FDS 模擬計算中，假設計算開始時隧道內與隧道外環境溫度與測量值相同，初始環境溫度為30℃，大氣壓力為101325.0 Pa，初始時刻煙氣濃度為0，計算模擬時間取900 s，湍流模型采用LES大渦模擬。

3.1.2 模擬結果分析

（1） 車頭和車尾著火

當列車的頭部或者尾部著火的時候，即火災工況4、6，判定人員是否安全的標準為隧道內的縱向風速能否有效阻止煙氣回流，保證人員下車后能逆風疏散，不受煙氣侵擾（圖7）。

圖7 24 s、300 s和900 s時煙氣灰密度分布云圖

通過圖7 可以看出，縱向風速能夠有效阻止煙氣的回流，人員下車后迎風疏散，疏散區域沒有煙氣侵擾，滿足人員安全疏散的要求。

（2） 列車中部著火

列車中部著火時，即火災工況5，對于火源下游的人員疏散，防火門處是人員擁擠的重點區域，保證防火門處的安全是隧道內人員安全疏散的重點。 考慮兩個防火門作為火源下游人員疏散的通道，則下游180m、360m 處即為防火門的設置點。 防火門人員高度處（2m）溫度隨時間的變化值如圖8 所示，溫度的切片圖如圖9所示。

圖8 火源下游180 m、360 m處的溫度變化圖

圖9 24 s、300 s和900 s時2m處的溫度切片圖

由圖8、 圖9 可知，距火源180m 處的防火門，2m 高度處在100s 左右溫度達到最大值，隨后溫度逐漸降低，最高溫度為45℃左右，并未超過危險值60℃；距火源360m 處的防火門，2m 高度處在150s 左右溫度達到最大值，隨后溫度逐漸降低，最高溫度為39℃左右，同樣沒有超過危險值60℃。

CO 濃度為人員能否安全疏散的重要參考指標，盡管火災產生的CO 含量微小，但當1mol 空氣中有5×10-4mol 的CO 時，就會對人體造成傷害[15]。 由FDS 計算的結果統計可得，防火門處的CO濃度隨時間的變化圖如圖10 所示。

由圖10 可知，兩個防火門處的CO 濃度隨著火災的發展均未達到危險值，因此，在人員安全疏散的過程中，CO 濃度不影響人員安全疏散。

圖10 火源下游180 m、360 m處濃度變化圖

由人員高度處的溫度和CO 濃度變化值可判斷整個縱向疏散通道（人員疏散路徑）的人員疏散安全性。 由圖11 和圖12 可以看出，當列車著火時間達到900 s 時，人員高度處的溫度和CO 濃度均未達到危險值，人員在火災發展過程中能夠安全疏散。

圖11 人員高度處縱向CO濃度值變化圖

圖12 人員高度處縱向溫度值變化圖

圖13 為24 s、300 s 和900 s 時的能見度分布云圖。 可以看出，煙氣充滿隧道后最小能見度都為10m 左右，而在一般建筑中，取5m 的能見度為判斷是否影響人員疏散的臨界值，因此，此方案在火源燃燒過程中，能見度滿足人員安全疏散要求。

圖13 24 s、300 s和900 s時過火源中心線的能見度切片圖

3.2 模型二

3.2.1 模型設置依據

隧道兩端有風機區域，防火門的設計間距為100m，模型考慮火源下游（同模型一方向）人員疏散使用的兩個疏散門（防火門）的距離，并在兩端各取一定長度余量。 此外，為了預測煙氣蔓延速度，模型長度適當增加，確定為600 m。隧道的斷面形狀、尺寸與實際模型保持一致。 模型不考慮非著火隧道的風壓對著火隧道的影響，故模型只取原工程隧道的一側進行模擬分析。

本模型具體的火災工況如下：

（1） 列車靠近隧道進口，著火位置位于列車頭部、中部、尾部，即火災工況1、2、3；

（2） 列車靠近隧道出口，著火位置位于列車頭部、中部、尾部，即火災工況7、8、9。

隧道模型如圖14、圖15 所示。此次模擬主要是針對火源位于隧道兩端有風機區域火災場景，模擬分析下風向溫度、CO 濃度、風速等參數分布情況（邊界條件與模型一一致）。

圖14 隧道模型側視圖

圖15 隧道模型三維視圖

3.2.2 模擬結果分析

（1） 車頭和車尾

車頭和車尾著火時，即單車模式下的火災工況1、3、7、9。

當列車的頭部或者尾部著火的時候，判定人員是否安全的標準為隧道內的縱向風速能否有效阻止煙氣的回流，保證人員下車后能逆風疏散，且不受煙氣侵擾。通過圖16，可以看出縱向風速能夠有效阻止煙氣的回流，人員下車后迎風疏散，疏散區域沒有煙氣侵擾，滿足人員安全疏散的要求。

圖16 10 s、300 s和900 s時煙氣分布云圖

（2） 列車中部著火

列車中部著火時，即火災工況2、8、11、14，對于火源下游的人員疏散，防火門處是人員擁擠的重點區域，保證防火門處環境的安全是隧道內人員安全疏散的重點。 考慮兩個防火門作為火源下游人員疏散的通道，則下游100 m、200 m 處即為防火門的設置點。經過對FDS 數據的后處理，防火門人員高度處（2 m）溫度隨時間的變化值如圖17、圖18 所示。

圖17 火源下游100 m、200 m處的溫度變化圖

圖18 10 s、300 s和900 s時2m處的溫度切片圖

由圖可知，距火源100 m 處的防火門，2 m 高度處在50 s 左右溫度達到最大值，隨后溫度逐漸降低，最高溫度為46℃左右，并未超過危險值60℃。 距火源200 m 處的聯絡通道，2m 高度處在70 s左右溫度達到最大值，隨后溫度逐漸降低，最高溫度為37℃左右，同樣沒有超過危險值60℃。

針對CO濃度，由FDS計算的結果統計可得，防火門處的CO 濃度隨時間的變化圖如圖19所示。

圖19 距火源100 m、200 m處CO濃度變化圖

由圖19 可知，兩處防火門處的CO 濃度隨著火源的燃燒均未達到危險值。 因此，在人員安全疏散的過程中，CO 不影響人員安全疏散。

由人員高度處的溫度和CO 濃度變化值也可判斷整個縱向疏散通道（人員疏散路徑）的人員疏散安全性。 由圖20、圖21 可以看出，當列車著火時間達到900 s 時，人員高度處的溫度和CO濃度均未達到危險值，人員在火災燃燒過程中能夠安全疏散。

圖20 人員高度處縱向CO濃度值變化圖

圖21 人員高度處縱向溫度值變化圖

圖22 為10 s、300 s 和900 s 時的能見度分布云圖，煙氣充滿隧道后最小能見度都為10m 左右，同模型一，此方案能見度滿足人員安全疏散要求。

圖22 10 s、300 s和900 s時過火源中心線的能見度切片圖

4 結論

根據不同的火災工況，分析了得到了最不利工況，相應建立了不同的FDS 模型，進行了模擬研究。在此基礎上，提出了隧道中部無風機區域和隧道兩端有風機區域兩個典型區域可能發生火災時保證人員安全疏散的煙氣控制模式。 主要結論如下：

（1） 車頭和車尾著火時，隧道通風系統形成的3.51 m/s 縱向通風能夠控制煙氣不發生逆流，保證人員的安全疏散；

（2） 車中火災時，列車位于隧道中部和隧道兩端有風機區域時，在火災發生900 s 后，隧道內的環境情況（溫度、CO 濃度、能見度等）仍在人員安全的可承受范圍之內。