［摘 要］ 本文的研究目的是探讨自然通风模式下地铁区间隧道火灾人员疏散微环境中烟气温度、能见度和 CO 浓度分布，为地铁隧道火灾防范提供理论依据。采用 FDS( Fire Dynamics Simulator) 软件模拟列车中部着火且列车停在隧道中部和停在靠近隧道一端站台 2 种火灾情况下，隧道内纵断面人眼特征高度的烟气温度、能见度和 CO 浓度分布，并运用火灾危险状态判据分析人员疏散微环境。模拟结果表明，对于采用隧道轨顶设置通风竖井的自然通风模式，当通风竖井间距不超过 30 m时，可以满足地铁区间隧道火灾人员对疏散微环境的要求，保证人员的安全疏散和消防救援。

［关键词］ 地铁区间隧道火灾; 自然通风模式; 数值模拟; 人员疏散; 微环境

 

      城市地铁轨道交通因具有安全、准时、舒适、载客量大和污染小等优点，已成为了解决我国城市道路交通阻塞和居民乘车难等问题的有效途径。但在地铁建设与运营中，存在一个不可忽视的问题，即地铁火灾的防范与应急处理问题。针对地铁区间隧道火灾，《地铁设计规范》( GB 50157-2003) 要求司机尽量驶出隧道进入前方车站，此时的通风模式按站台火灾模式来运行; 倘若列车无法驶入前方车站而被迫停靠在区间隧道内，此时的通风模式按区间隧道火灾模式来运行。对于列车头部( 或尾部) 着火的区间隧道火灾，采用纵向通风可以保证人员向无烟区安全疏散。但针对列车中部着火的区间隧道火灾，传统的纵向通风模式无论从隧道哪侧排烟，都会使一部分人经过浓烟区才能逃生，这对人员疏散很不利。因此，本文提出了在区间隧道轨顶设置通风竖井的自然通风模式，采用横向通风代替传统的纵向通风，在该通风模式下，人员可以向火源两端的站台( 或联络通道) 就近疏散。本文利用 FDS ( Fire Dynamics Simulator) 软件对这种自然通风模式进行了数值模拟，并分析了该通风模式下地铁区间隧道人员疏散的微环境。

 

      火灾中的临界危险状态是指火灾环境可对室内人员造成严重伤害的火灾状态。火灾危险临界条件按以下情况确定^［1］: 1) 当烟气层界面高于人眼特征高度时，上部烟气层的温度达到 180 ℃ 便可对人构成辐射灼烧危险; 2) 当烟气层高度低于人眼特征高度时，烟气温度达到 115 ℃ 便可对人构成直接灼烧危险; 3) 当烟气层高度低于人眼特征高度时，烟气中 CO 浓度达到 0. 25 × 10^{－ 3}mol / mol 就可对人构成中毒危险。人眼特征高度通常为 1. 2 ～ 1. 8 m，在火灾状况下，保证隧道内这个高度处的温度、能见度等参数在一定的范围内就基本上可以保证人员的安全疏散和消防救援。本文取距离疏散通道地面 1. 7 m高度处( 即人眼特征高度) 的温度、能见度和 CO 浓度作为火灾到达危险状态的判据指标，这些指标的临界值如下。

      1) 能见度指标: 澳大利亚《消防工程师指南 》给出了小空间能见度临界值大于 5 m，大空间能见度临界值大于 10 m^［2］。本文取区间隧道能见度下限为 5 m。

      2) 温度指标: 美国防火协会标准 ( NFPA) 130 要求逃生通道处的温度最大不能超过 60 ℃ ，前 6 min的平均温度要小于 49 ℃ 。温度超过 66 ℃ 时人便难以忍受，这时消防人员救援、乘客逃生均迟缓^［2］。本文将人员疏散安全温度上限定为 66 ℃ 。

      3) CO 浓度指标: 由于火灾热分解产物比较复杂，消防安全分析预测很难定量描述，通常火场附近CO 浓度到达 0. 25 × 10^{－ 3}mol / mol，火场周围的情况就很危险了，CO 浓度超过 0. 03 mol/mol 则会引起呼吸困难。本文选取 1. 7 m 人眼特征高度 CO 浓度的上限为 0. 25 × 10^{－ 3}mol / mol^［3］。

      根据日本消防部门做过的地铁列车燃烧实验显示: 车厢内起火后在 1. 5 min 内就会产生有害气体，在 2 ～ 5 min 内就会烟雾弥漫，乘客很难看清周围物体和 安 全 出 口^［4］。 根 据《地 铁 设 计 规 范 》( GB50157-2003) 的要求: 救援人员应在 6 min 内将一列车的乘客和站台上候车的乘客及工作人员全部撤离站台^［5］。本文选取人员安全疏散时间为 6 min。

 

      本文选取长为 500 m、断面面积为 4． 3 m × 5. 1m 的单线矩形区间隧道作为研究对象，不考虑列车运行活塞风的影响和列车形状对烟气蔓延的影响，火源分别位于区间隧道中部和靠近车站一端，物理模型如图 1 所示。

      区间隧道火灾的通风系统为区间隧道轨顶每隔一定距离设置通风竖井，竖井高度为 5. 0 m，竖井断面尺寸为 10 m × 2 m。

      对于列车火灾，根据地铁机车的防火设计要求，目前国内外设计普遍要求采用 5 ～ 7. 5 MW 的火源强度，为了安全考虑，列车火灾按每节车厢火源强度7. 5 MW、一次列车火灾规模按每 h 烧毁 1. 5 节计算^［6］。关于地铁火灾强度的设置，香港地铁工程技术人员保守估计最大值为 2 MW，而英美等国一般采用 5 ～ 50 MW，且重点研究 10 MW 火源强度下的火灾试验^［7-8］。本文选取地铁区间隧道火源强度为10 MW，火源燃料主要为车厢装饰材料及车厢地板材料聚氯乙烯( PVC) ，火源尺寸为 2 m × 2 m × 1 m( 长 × 宽 × 高)^［9］。

      采用 FDS 软件进行数值模拟，湍流模型采用大涡模型，燃烧模型采用混合分数模型，辐射模型为非散射灰体近似，利用有限体积法分析求解辐射传输方程。环境温度为 20 ℃ ，模拟采用结构化网格，网格数为100 000，模拟计算时间为 360 s。

 

      图 2 给出了着火区间隧道中心纵断面人眼特征高度 1. 7 m 处的温度变化 ( 即 距轨面 2. 75 m 高度) 。模拟结果表明: 列车中部着火且列车停靠在隧道中部时，区间隧道内温度对称分布在火源两端;通风竖井间距由 10 m 逐渐增大到 90 m 时，火源附近温度急剧上升，且靠近火源的隧道内温度均高于临界温度 66 ℃ ，之外区域温度比较低，靠近隧道出口温度基本稳定在环境温度 20 ℃ 。从图 2b 中可以看出，通风竖井间距在 30 m 之内，火源附近 15 m 处温度已经降到临界温度 66 ℃ 之下，之外的区域温度均低于 66 ℃ ，基本满足安全消防的温度指标。因此，从温度指标分析，通风竖井间距不超过 30 m 就能达到安全消防对人员疏散的要求。

      图 3 给出了着火区间隧道中心纵断面人眼特征高度 1. 7 m 处的能见度变化( 即距轨面 2. 75 m 高度) 。模拟结果表明: 通风竖井间距由 10 m 逐渐增大到 90 m 时，火源附近能见度会急剧下降，且靠近火源的隧道内能见度均低于临界能见度 5 m，之外区域能见度比较高，靠近隧道出口能见度基本稳定在环境能见度 30 m。从图 3b 可以看出，通风竖井间距在 30 m 之内，火源附近 15 m 处能见度已达到临界能见度 5 m，之外的区域能见度均高于 5 m，基本满足安全消防的能见度指标。因此，从能见度指标分析，通风竖井间距不超过 30 m 就能达到安全消防对人员疏散的要求。

      图 4 给出了着火区间隧道中心纵断面的 CO 浓度变化。模拟结果表明: 无通风时，CO 扩散到整个区间隧道内，且 CO 浓度超过 0. 25 × 10^{－ 3}mol / mol的区域很长，这对人员疏散和安全救援很不利。采用自然通风后，CO 仅扩散到区间隧道的局部区域，之外区域 CO 的浓度极其微小。通风竖井间距为 90m 时，区间隧道内 CO 浓度超过 0. 25 × 10^{－ 3}mol / mol的区域很长，这对人员安全疏散很不利; 通风竖井间距为 30 m 和 50 m 时，区间隧道内 CO 浓度达到0. 25 × 10^{－ 3}mol / mol 的区域很小，基本满足安全消防的要求。通风竖井间距为 10 m 时，仅在火源附近很小区域隧道内 CO 浓度达到临界 CO 浓度，且集中于隧道轨顶附近，这为人员疏散提供了一个安全通道。

      从图 2 ～ 4 的模拟结果可以得出: 列车中部着火且列车停靠在隧道中部时，通风竖井间距不超过 30m，自然排烟方案可以满足地铁区间隧道火灾人员对疏散微环境温度、能见度和 CO 浓度的要求，从而保证人员的安全疏散和消防救援。

      图 5 给出了着火区间隧道中心纵断面人眼特征高度 1. 7 m 处的温度变化( 即距轨面 2. 75 m 高度，且火源位于距隧道一端站台 105 m 处) 。模拟计算结果表明: 通风竖井间距由 10 m 逐渐增大到 90 m时，火源附近温度急剧上升，靠近火源的区域内温度均高于临界温度 66 ℃ ，之外区域温度比较低，离火源 150 m 处温度基本稳定在环境温度 20 ℃ 。从图5b 可以看出，通风竖井间距在 30 m 之内，火源附近15 m 处温度已降到临界温度 66 ℃ 以下，之外的区域温度均低于 66 ℃ ，基本满足安全消防的温度指标。因此，从温度指标分析，通风竖井间距不超过30 m 就能达到安全消防对人员疏散的要求。

      图 6 给出了着火区间隧道中心纵断面人眼特征高度 1. 7 m 处的能见度变化( 即距轨面 2. 75 m 高度，且火源位于距隧道一端站台 105 m 处) 。模拟计算结果表明: 通风竖井间距由 10 m 逐渐增大到90 m 时，火源附近能见度急剧下降，靠近火源的区域内能见度均低于临界能见度 5 m，之外区域能见度比较高，离火源 150 m 处能见度基本稳定在环境能见度 30 m。从图 6b 可以看出，通风竖井间距在30 m 之内，火源附近 15 m 处已达到临界能见度 5m，之外的区域能见度均高于 5 m，基本满足安全消防的能见度指标。因此，从能见度指标分析，通风竖井间距不超过 30 m 就能达到安全消防对人员疏散的要求。

      图 7 给出了着火区间隧道中心纵断面 CO 的浓度变化。模拟结果表明: 无通风时，CO 扩散到整个区间隧道内，且 CO 浓度超过 0. 25 × 10^{－ 3}mol / mol的区域很长，这对人员疏散和安全救援很不利。采用自然通风后，CO 仅扩散到区间隧道的局部区域，之外区域 CO 的浓度极其微小。通风竖井间距为 90m 时，区间隧道内 CO 浓度超过 0. 25 × 10^{－ 3}mol / mol的区域很长，这对人员疏散很不利; 通风竖井间距为30 m 和 50 m 时，区间隧道内 CO 浓度达到 0. 25 ×10^{－ 3}mol / mol 的区域很小，基本满足安全消防的要求; 通风竖井间距为 10 m 时，仅在火源附近很小区域隧道内 CO 浓度达到临界 CO 浓度，且集中于隧道轨顶附近，这为人员疏散提供了一个安全通道。

      从图 5 ～ 7 的模拟结果可以得出: 列车中部着火且列车停在靠近隧道一端站台时，通风竖井间距不超过 30 m，自然排烟方案可以满足区间隧道火灾人员对疏散微环境温度、能见度和 CO 浓度的要求，从而保证人员的安全疏散和消防救援。