福建工程學院    林凌敏，吳婧

       【摘  要】根據福州市地鐵四號線構建了一個地鐵隧道區間模型，利用FLUENT模擬車頭電氣火災的應急事件。分析了火災產生的高溫、有毒CO煙氣在兩種阻塞比條件下的分布情況及對疏散人群的影響。模擬結果表明，縱向通風能在疏散走道范圍控制高溫煙氣蔓延，有利于人員疏散。高阻塞比條件下對流換熱增強，降溫快，建議設置離軌面高度較低的疏散走道以獲取更大的安全空間。針對縱向通風條件只能創造單一安全區域的特點，給出了疏散方案分析及建議。

       【關鍵詞】地鐵區間；隧道火災；阻塞比；縱向通風；疏散策略；CFD模擬；

1 研究背景

       如今，大多數隧道采用縱向通風系統?？v向通風系統不需要額外的空間用于布置通風風管，占據隧道空間小，系統造價便宜，所以被廣泛應用^[1]?？v向通風的作用原理即在隧道內產生一個縱向的氣流，將火災產生的煙氣吹向下游，在火災上游形成一個無煙區域，保證了隧道使用者的安全?？v向通風的風速在大等于臨界風速時能夠有效地抑制煙氣逆流，Oka和Atkinson通過實驗得出以通風引入的空氣溫度、隧道高度、熱釋放率等變量的無量綱臨界風速數學表達式。^[25]

       地鐵隧道內發生火災時，常用的疏散策略是將列車?？吭诘罔F站點，便于人員從站臺疏散^[5,6]。根據過去的研究^[7,8,9]，在約50%的火災案情中，列車沒有行進至指定站點，而是停在站與站之間的區間隧道內。學者引入阻塞比來描述火災發生時列車占據隧道的情況，并且已經證實了阻塞比對臨界速度、煙氣逆流長度的顯著影響。Gannouni^[2]利用FDS模擬，研究了阻塞比為0.31時，隧道內阻擋物不同擺放位置對于臨界通風風速大小的影響。臨界通風風速較沒有阻擋物時減小，且臨界風速隨著阻擋物離地間距的增長而略微減小。Zhang^[3]進行了地鐵隧道火災縮尺模型的實驗。由于列車的阻擋(阻塞比0.52)，存在截面積變化的區域風速增加，慣性力與熱傳遞加劇，煙氣逆流長度縮短。Zhang依據實驗數據推導了含阻塞比，列車長度等變量的無量綱煙氣逆流長度計算公式。

       學者希望通過研究火災煙氣運動的規律與控制煙氣傳播的方法，來最小化煙氣帶來的傷害。高溫煙氣帶來的傷害可以是間接的，Wetzig的研究^[18]表明，溫度高于400℃時，混凝土中的氫氧化鈣將會產生水蒸氣，這將加速混凝土剝落過程，并降低混凝土的強度。壁面材料受熱脫落，甚至整體結構坍塌，可能對隧道內的撤離人員與救災人員造成傷害^[1,17]。學者通過研究貼近頂板的煙氣最高溫的出現位置，溫度變化趨勢等能夠直接預判隧道結構受損的可能性^[19]。

       火災產生的煙氣也可以直接傷害人體，其中，高溫煙氣通過三種形式危害人體:導致人體體溫過高，灼傷人體表皮，灼傷呼吸道^[4]。此外，煙氣含有的CO氣體可迅速擴散穿過肺泡膜，并在紅細胞中與血紅蛋白結合，導致血液攜氧能力降低[25]。以往的火災模擬實驗^[1]，探測點布置在隧道頂棚附近及火災上下游位置，不處于疏散走道附近，并不能直接表明高溫有毒煙氣對于疏散人員的傷害情況，通風對于威脅隧道使用人群的高溫及CO氣體的抑制效果也未得到研究。

       本文嘗試將阻塞比等因素考慮在內，借助CFD軟件，模擬縱向通風條件下的地鐵隧道中發生火災后的煙氣運動規律，重點分析位于疏散人員走道位置的溫度及CO濃度分布情況，評估通風的有效性，為將來的地鐵設計及地鐵火災應對策略提供參考。

2 實驗方法

       2.1 隧道模型

       根據福州地鐵四號線實際工程設置隧道模型，設定隧道區間內停有6節編組列車，單節車廂的長寬高為19×2.8×3.8m，為城市大中型地鐵線路常用的B型車廂尺寸。選取的隧道區間為盾構型直管段，長153m，隧道建筑限界直徑6.2m，對應的阻塞比，為本文的低阻塞比實驗組。根據地鐵限界標準 CJJ/T96-2018^[22]，區間圓形隧道建筑限界直徑普通道床地段最小應為5.2m，對應的阻塞比，作為高阻塞比實驗組。

       2.2 模擬火源

       模擬火源用體積熱源代替。根據UPTUN^[23,24]的研究，現行標準下的地鐵車廂由于使用較多不燃材料，車廂著火情況下的放熱率在10~50MW之間。但為了考慮火災最不利情況下對于隧道使用人員的影響，UPTUN提議忽略火災發展階段的過程，火源保持最大放熱率值。針對車頭電氣火災，UPTUN建議使用10MW的恒定放熱率數值。

       48%的列車火災是由機械或電器故障引發的，而電子設備與剎車系統多位于列車下部^[8,9]，故將模擬火源設定在列車下部。為了模擬車頭部位發生電器火災，將模擬火源設定在車廂前端^[2,3]。為便于研究煙氣逆流長度，將火源中心位置設為坐標原點。隧道內縱向通風由車尾部火災上游區域送入，吹向車頭下游發生火災區域，如圖1所示。

圖1 模型示意圖

       Ingason^[14]依據Runehamar隧道全尺寸燃燒實驗測量的數據，推導出燃燒產生的二氧化碳含量與放熱率關系的公式(2)。CO含量根據Vega ^[11]從EUREKA實驗數據得到的結果，在不完全燃燒的模型中，每20ppm的約含1ppm的CO。因此，火源燃燒產物邊界條件簡化為的生成率（0.87kg/s），CO含量則根據上述理論直接計量。

       

       2.3 模擬場景及驗證

       本次模擬利用計算流體力學軟件FLUENT進行3D計算域內的流體的質量守恒，動量守恒及能量守恒方程求解。FLUENT是被廣泛使用的CFD軟件，有不少學者利用FLUENT研究火災煙氣特性^[11,12,13]。在體積熱源邊界設置細化網格（圖2），組總網格數為294668個，組總網格數為239578個。湍流模型選擇standard k−??，考慮重力作用，開啟組分運輸模型以追蹤指定氣體濃度。利用Boussinesq方法計算由于熱壓引起的浮力作用^[11,12]。輻射傳熱選用DO模型，DO模型適用于有局部熱源與氣體輻射傳熱的情況。^[10]

圖2 火源截面網格

       模擬場景為10MW火源穩定放熱后，隧道內開始引入縱向通風，通風風速，阻塞比分別為與，研究地鐵隧道內的溫度分布及有害氣體分布情況，分析其對疏散與救援的人員影響。引入的縱向通風溫度300K，環境溫度為300K，離隧道壁面三米處保持298K恒溫，壁面導熱系數1.75W/mK。為快速得到一個穩定放熱的火源，先采用穩態計算模型，進行500次迭代計算?？紤]到火災探測系統響應延遲及其影響到的后續防災設備聯動開啟，還有通風系統需要足夠的模式轉換時間等不利情況，10MW火源穩定放熱后才迎來隧道縱向通風。引入縱向通風后，采用瞬時計算模型，以逐時精準研究通風的有效性，計算的通風時長為200s。^[13]

       參照Zhang[26]得到的臨界風速模型對模擬構建的CFD模型進行驗證。根據公式(3)，在熱源放熱率為10MW，阻塞比為0.38，環境溫度為300K時，臨界風速約為2m/s。按上述結果設定通風風速，CFD結果顯示煙氣逆流現象消失(圖3)，臨界風速在模擬中與Zhang的實驗結果一致，因此認定CFD模型能夠反映實際情況。

       

圖3 隧道側視溫度圖(xyz坐標軸位于火源處)

3 結果與討論

       3.1 溫度

       逃生路徑為車廂與隧道壁之間的疏散走道，根據GB 51298-2018^[16]，疏散走道應位于列車行進方向的左側，疏散走道高度離軌面不大于900mm(本實驗設定的疏散走道離軌高度等于900mm)。A線為疏散走道對應的人眼特征高度(h=1.6m)，人眼特征高度附近的氣體認為能被人直接吸入^[15]。圖5中坐標軸原點位于火源中心，縱向通風方向與行車方向相同。P1、2、3、4、5、6測點分布在A線上，與火源的距離分別為5m、15m、25m、35m、45m、65m。P2y為穿過P2點的豎直線。

圖4 疏散走道截面示意

圖5 疏散走道人眼特征高度線(A線)及測點(P1,2,3,4,5,6)示意

       圖6、7展示了兩種阻塞比情況下，隧道疏散走道側的溫度分布云圖。對流換熱狀態時，人體皮膚暴露于120℃流體將會產生不同程度的灼傷，并伴隨顯著的疼痛。人吸入超60℃的飽和水蒸氣時將會帶來呼吸道灼傷^[4]。因此，結果圖像標定的安全溫度下限值為60℃。在引入縱向通風200s后，隨著通風時長的增長，煙氣逆流長度縮短，A線及A線往下區域的溫度能夠有效地降到安全范圍內。兩種阻塞比條件下煙氣分布，從橫向上看無顯著差異。表1給出了更為精確的安全溫度臨界距離數值，當人疏散至比臨界距離更遠的位置時，空氣溫度短時內不會給人帶來傷害(溫度低于60℃)。例如，在阻塞比為0.55的隧道內，在引入縱向通風后的第50秒(t=50s)，人往火源上游方向，疏散至離火源59.4m及更遠處才算處于安全區域。

圖6  疏散走道側溫度分布圖(對應時刻如圖所示)

圖7 疏散走道側溫度分布圖(對應時刻如圖所示)
表1 安全溫度臨界距離(溫度取自A線，小于60℃為安全溫度)

       從豎直方向上看，溫度更高的煙氣集中在逆流層上部，溫度由上向下遞減。對比同在t=50s時的溫度分布圖，在的情況下，人眼特征高度(A線)基本位于安全溫度與危險溫度的分層區域附近，A線往下區域處于安全溫度范圍的占比較大。而在，由于高阻塞比，A線距離隧道頂板高溫煙氣更近，可以觀察到A線更多地被全紅區域包圍；結合圖8，可以看出高阻塞比A線上超過60℃及120℃的區域大于低阻塞比實驗組。隨著通風時長的增加，情況有所改變。在100s以后，盡管一些區域未降至低于60℃的安全范圍內，組(圖7)對應的部分測點上方的超過120℃煙氣厚度(用紅色代表)較組(圖6)各測點更薄。比較同在t=200s時的兩種阻塞比對應的P1、P2點上下溫度分布，此現象較為明顯。比較t=200s時兩阻塞比對應的P2y線上的溫度豎向分布(圖9(b))，組大于120℃的煙層厚度達到，而組對應的。注意此時A線上的溫度，組已經低于組。而在t=100s時(圖9(a))，組對應的A線溫度(即P2點溫度)大于組。

圖8  t=100s時，兩種阻塞比下A線的溫度

圖9  沿P2y線的溫度分布結果，灰色橫線即代表人眼特征高度A線

       依據對流換熱的原理解釋這個現象，如圖10，條件下阻塞區間對應的風速高于，這是由于高阻塞比條件下，車廂與隧道壁間的截面積更小，根據連續性方程，截面積小處流速大。高阻塞比區域A線上的平均風速為4.8m/s左右，而低阻塞比區域A線上的平均風速大致在3.3m/s。大流速增強了對流換熱的效果，如圖11所示，高阻塞比對應的測點，溫度下降時的速率比低阻塞比更大。

圖10 t=100s時A線與隧道頂板下沿0.3m處C線的速度，Z軸表示離火源的距離

圖11 不同測點的速度隨時間變化趨勢 (a)P1 (b)P2 (c)P3 (d)P4

       從疏散角度考慮，盡管高阻塞比地段的煙氣溫度下降快，但是在不同測點觀察到此現象的時刻不一致，有的從引入通風初期就出現大幅溫降，有的需要到后期才出現類似現象。為了從引入通風的初期階段就贏得更充足的安全區域，高阻塞比隧道區間可以適當降低疏散走道距軌面的距離，讓疏散人員遠離集中在隧道頂板的溫度更高的煙氣。存在壓低高度的疏散走道時，車廂地板面離疏散走道的高差因此加大，可能不利于人員的轉移。建議地鐵車廂搭配階梯，以便人員平穩地從車廂內走到疏散平臺上。

       3.2 煙氣運動

       如圖6、7，隨著通風的引入，煙氣逆流長度縮減，同時，逆流最前端的煙氣運動也發生改變。原本扁平貼附頂板的煙氣出現下沉，形成更為圓潤的逆流前端。對于經過該區域的疏散人員來說，這是較為危險的，因為危險溫度區域豎向的增長會覆蓋整個人體身高范圍，從頭到腳都會面臨高溫煙氣的傷害。

       引入通風初期，煙氣逆流前端的邊界形狀如圖12(a)所示，煙氣邊界與隧道頂板成一夾角。在通風后期，如圖12(b)，煙氣逆流前端經歷下沉等運動，煙氣邊界呈傾斜角的部分減少，接近豎直的部分增大。此現象在組更為明顯(圖13)，除小部分貼近頂板的煙氣，大部分煙氣邊界位于同一豎直面上，該豎直方向的分布與車廂高度大約一致。前人研究中重點關注隧道頂板附近的煙氣，能夠預判煙氣逆流消失的情況，隧道頂板所處位置的煙氣逆流得到抑制，意味著相同截面內的煙氣都得到了有效地控制。但在準卻分析隧道使用者所處高度的煙氣情況略有欠缺，以上的分析可以看出A線高度的煙氣是先被抑制的，頂板附近煙氣的抑制相比之下有一定滯后性。當A線上溫度已經降至安全范圍時，同位置頂板的溫度仍處于更大的值。

圖12 (a)t=5s時的煙氣前端(組)

圖12 (b)t=200s時的煙氣前端(組)

圖13 t=200s時的煙氣前端(組)

       3.3 CO濃度

       長時間暴露于200ppm~1200ppm的CO將會導致如頭痛、昏迷、嘔吐等不良反應，甚至出現生命危險^[20]。選取同3.1節的測量點，對CO分布結果進行分析。

圖14 疏散走道側CO ppm分布圖(對應時刻如圖所示)

圖15 疏散走道側CO ppm分布圖(對應時刻如圖所示)
表2 安全CO ppm臨界距離(CO濃度取自A線，小于500ppm為安全溫度)

       類似3.1節的安全溫度臨界距離，表2定義了安全CO ppm臨界距離數值，當人沿上游疏散至比該距離更遠的位置時，一氧化碳短時內不再給人帶來致命傷害(根據Vega^[11]，CO臨界值取500ppm)。如圖14、15所示，引入縱向通風可以降低CO ppm，留給疏散人員及救援人員較廣的CO安全區域。結合表1與表2可以推斷，本模擬條件下，高溫煙氣在縱向通風條件下更快被降至到安全范圍內，相比之下，CO ppm的衰退稍緩慢，仍有可能威脅人身安全。然而，在更加嚴格的標準條件下，比如歐盟EN45545-2^[21]，該標準要求地鐵座椅、導線等材料防火阻燃、燃燒時釋放煙霧量比較少，有害氣體比較低(低煙低毒)。列車應用這些防火阻燃低煙低毒的材料，有利于在火災情況下人員的逃生。

       結合圖6、7、14、15，火源下游地段的高溫及CO ppm全程都處在危險范圍中。這也是采取縱向通風隧道的缺點，必定有一端的隧道區間，甚至延伸到下游站點都會受到高溫有毒煙氣的影響。此時如果有人員錯誤地向火災下游疏散，那么該人員的安全將得不到保障。因此，在采取縱向通風的隧道內，應急響應的標識及發生意外時的配套廣播語音提示要給乘客清晰的指示?？稍鲈O路障以輔助非強制性的語音提示，強制疏散人員改變撤離路線，以避免人員在慌亂中往錯誤的方向撤離，造成慘痛后果。同理，消防員在進入隧道區間救援時，地鐵管理管理人員要和消防員配合好，告知消防員火災上下游位置及通風風向，便于消防人員從上游的站點進入隧道區間，占據安全的滅火位置，避免消防人員誤入火災下游區域。

4 總結

       本文使用CFD軟件，模擬了兩種阻塞比條件下的地鐵隧道區間火災場景，重點分析了模擬得到的溫度結果對于疏散及救援人員的影響。實驗得到的結論有：

       (1) 縱向通風對于抑制疏散走道內高溫有毒煙氣的效果顯著，在200s的通風時間后，將原本發展至距火源70m左右的煙氣控制到25m左右(70m對應列車組第4節靠近第5節，25m對應第2節靠近第1節車廂的位置)，為隧道區間的疏散人員提供更大的安全范圍。

       (2) 在同樣引入2m/s的縱向通風情況下，高阻塞比疏散走道上的平均風速為4.8m/s左右，而低阻塞比疏散走道上的平均風速大致在3.3m/s左右。高阻塞比隧道區間能強化對流換熱，有利于煙氣溫度的快速下降，減小余熱的傷害。

       (3) 建議高阻塞比區間隧道的疏散走道適當降低離軌面高度，以遠離隧道頂板下沉的煙氣，創造更大的安全空間?？v向通風隧道內應通過不同手段，確保人員在疏散時向火災上游區域行進。

參考文獻：

       [1] Ingason H ,  Ying Z L ,  Lonnermark A . Tunnel Fire Dynamics[M]. Springer New York, 2015.
       [2] Gannouni S ,  Maad R B . Numerical study of the effect of blockage on critical velocity and backlayering length in longitudinally ventilated tunnel fires[J]. Tunnelling and Underground Space Technology incorporating Trenchless Technology Research, 2015, 48:147-155.
       [3] Zhang S ,  Cheng X ,  Yao Y , et al. An experimental investigation on blockage effect of metro train on the smoke back-layering in subway tunnel fires[J]. Applied Thermal Engineering, 2016, 99:214-223.
       [4] NFPA130. National Fire Protection Association. (2017). Standard for fixed guideway Transit and passenger rail systems.[S]
       [5] Burnett J . Fire safety concerns for rail rapid transit systems[J]. Fire Safety Journal, 1984, 8(1):3-7.
       [6] EUR-Lex - 32008D0366 - EN[J]. OPOCE.
       [7] Fermaud, C., Jenne, P., & Müller, W. Fire in a commuter train-rescue procedures as perceived by passengers[C]. In second International Conference on Safety in Road and Rail Tunnels, Granada, Spain. 1995.
       [8] Olenick S M ,  Carpenter D J . An Updated International Survey of Computer Models for Fire and Smoke[J]. Journal of Fire Protection Engineering, 2003, 13(2):87--110.
       [9] Dan Z ,  Xin Y ,  Zheng J L . Study on Fire Characteristics of Subway Train Running with Fire[C]. Cota International Conference of Transportation Professionals. 2014.
       [10] FLUENT, ANSYS. Ansys Fluent 2021R1 User’s Guide[R].2020.
       [11] Vega M G ,  Diaz K ,  Oro J , et al. Numerical 3D simulation of a longitudinal ventilation system: Memorial Tunnel case[J]. Tunnelling and underground space technology, 2008, 23(5):p.539-551.
       [12] F  Wang,  Wang M . A computational study on effects of fire location on smoke movement in a road tunnel[J]. Tunnelling & Underground Space Technology Incorporating Trenchless Technology Research, 2016, 51(JAN.):405-413.
       [13] Ingason, H., & Seco, F. Numerical simulation of a model scale tunnel fire tests[R]. 2005.
       [14] Ingason H ,  Ying Z L ,  Loennermark A . Runehamar tunnel fire tests[J]. Fire Safety Journal, 2015, 71(jan.):134-149. 
       [15] Jing W ,  F  Shen. Experimental study on the effects of ventilation on smoke movement in tunnel fires[J]. International Journal of Ventilation, 2016, 15(1):94-103.
       [16] GB 51298-2018,地鐵設計防火標準[S].
       [17] Beard A ,  Carvel R . The Handbook of Tunnel Fire Safety[J]. Thomas Telford, 2005.
       [18] Wetzig V . DESTRUCTION MECHANISMS IN CONCRETE MATERIAL IN CASE OF FIRE, AND PROTECTION SYSTEMS[C]// 2001.
       [19] Ying Z L ,  Bo L ,  Ingason H . The maximum temperature of buoyancy-driven smoke flow beneath the ceiling in tunnel fires[J]. Fire Safety Journal, 2011, 46(4):204-210.
       [20] Stewart R D . The effect of carbon monoxide on humans.[J]. Journal of Occupational & Environmental Medicine, 1976, 18(5):409-423.
       [21] DIN EN 45545-2 Railway applications - Fire protection on railway vehicles - Part 2: Requirements for fire behavior of materials and components.2020. [S]
       [22] CJJ/T 96-2018,地鐵限界標準[S].
       [23] Marlair G, Lemaire T, Öhlin M Fire Scenarios and accidents in the past – Draft final report (1) task 2.1, part 1, UPTUN WP2 Report
       [24] Opstad K (2005) Fire scenarios to be recommended by UPTUN WP2 Task leader meeting of WP2
       [25] Oka Y ,  Atkinson G T . Control of smoke flow in tunnel fires[J]. Fire Safety Journal, 1995, 25(4):305-322.
       [26] Zhang S ,  Shi L ,  X  Li, et al. Critical ventilation velocity under the blockage of different metro train in a long metro tunnel[J]. Fire and Materials, 2020, 44(4).

       備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2021年10月刊 總第48期（第二十二屆全國通風技術學術年會論文集）。版權歸論文作者所有，任何形式轉載請聯系作者。