地铁隧道内列车火灾烟气流动特性分析

摘要：地铁隧道通常位于地下，仅通过活塞风井与室外空气连通。当隧道内列车发生火灾时，产生大量高温烟气，严重危害乘客安全。为分析烟气的流动特性，本文针对运行列车发生火灾后停在隧道工况进行模拟分析。研究发现，火灾发生后高温烟气迅速扩散；考虑剩余活塞风，对列车尾部发生火灾影响较大，考虑时不利于人员逃生；车速越高烟气扩散越不利于人员逃生；为工程设计提供参考。 关键词:地铁隧道 活塞风 烟气 流动特性 数值模拟

0引言

地铁隧道通常位于地下，仅通过活塞风井与室外空气连通。当隧道内列车发生火灾时，产生的大量高温烟气严重危害乘客安全。地下区间隧道火灾有如下特点：隧道为狭长型空间，客车在运行中风速大，空气流通，给氧条件好，列车一旦在隧道内发生火灾，其火势比非隧道区段发展迅猛，容易在很短的时间内造成火势扩大。列车发生火灾停在隧道内产生大量烟气难以排出，洞内可见度差，人员疏散困难，并且救援设备和消防人员难以接近着火点。由于旅客列车车厢内人员集中，火灾发生时，乘客急于逃生，造成人员拥护堵塞，无法及时疏散，易造成群死、群伤的事故。更为严重的是，燃烧产生的浓烟，大大降低了人的能见度，给逃生增加了困难。车体采用了较多的高分子化合物，若要发生火灾，燃烧使这些物质产生一氧化碳、氨气、一氧化氮、二氧化氮等有毒气体，列车车窗封闭，有毒气体不易排出，很容易造成乘客中毒死亡或昏迷烧死。如果将车厢两侧玻璃打碎，空气迅速进入燃烧区域，使火势迅速蔓延，给扑救工作带来难度。隧道监控安全系统从发现、通报、判断确认，对疏散救援方式进行决策，启动消防及通风救援系统的时间比较长。隧道内固定消防和通风设备配置难度大，再加上隧道内环境差，维护成本高，很难保证火灾发生时能完好工作。隧道发生火灾后，恢复整治时间长，如果是在水下隧道，火灾对隧道结构的影响更为严重。地铁隧道发生火灾的可能性比公路隧道要小，但是随着列车运行速度的提高以及区间长度的不断增加，使得地铁隧道发生列车火灾的概率增大。并且具有火源位置上的不确定性，若在隧道内配备大量的火灾消防设施，投入大、难度高、维护成本高。如果隧道短且分散，大量的消防配备就更加难以实现。

目前研究中针对静止列车火灾后烟气流动相关研究较多，忽略了剩余活塞风对其产生的影响。而实际情况下，列车运行产生的活塞风会对烟气流动产生较大影响，其流动同样对乘客疏散产生影响。为减少火灾发生后的损失，对运行列车火灾后烟气流动特性进行模拟分析。 1模型建立

对于火灾强度，对A型车发生火灾为例进行分析。A型车火灾强度10.5MW，发烟量13.36kg/s。

考虑剩余活塞风因素对烟气流动的影响时，对车速为80km/h、100km/h、120km/h三种工况分别进行分析。列车在匀速运行中发生火灾，以1.5m/s2加速度进行减速，列车速度随时间变化关系如图1所示。

图4隧道1.8m高度平面温度分布

由图可见，列车头部发生火灾后1.8m高度人员疏散区域温度逐渐升高并向列车前后漫延。90s后，着火车厢附近温度超过60℃，并继续向两侧扩散。火灾发生240s后，高温向后漫延至列车车尾位置，330后高温向后漫延至列车后方100m位置，450后向后漫延至列车后方200m位置，600s后向后漫延至列车后方400m位置。

当列车车尾发生火灾时，同样剩余活塞风将大部分高温烟气吹向列车前方，并抑制其向车尾方向流动。列车车尾位置发生火灾后，高温烟气迅速漫延。同样由于热压作用，火灾前期高温烟气主要集中于隧道上部；随着隧道内烟气量增多，逐渐向下扩散。由于大量的烟气产生，烟气迅速向列车前后漫延。火灾发生10s后高温向前漫延至隧道顶部车头位置，40s后向前漫延至列车前方100m位置，90s后向前漫延至列车前方200m位置，向后漫延至列车后方100m位置；150s后向后漫延至列车后方200m位置；240s后向前漫延至列车前方400m位置，270s后向前漫延至列车后方400m位置。火灾初期高温烟气主要弥漫于隧道顶部，不会对下方人员疏散区域产生影响；随着隧道内烟气量增多，逐渐向下扩散。对于列车车头位置，15s时高温烟气扩散至隧道上方1/3处，20s时扩散至约1/2处，40s时扩散至隧道底部；对于列车车尾位置，60s时高温烟气扩散至隧道上方1/3处，120s时扩散至约1/2处，330s时扩散至隧道底部。

考虑剩余活塞风影响时，对比不同车速对人员疏散的影响，车速为80km/h时，车尾发生火灾15s后列车附近烟气浓度超过安全阈值，50s后距车100m位置超过安全阈值，在150s后距车200m位置超过安全阈值；车速为100km/h时，车尾发生火灾15s后列车附近烟气浓度超过安全阈值，在50s后距车100m位置超过安全阈值，在120s后距车200m位置超过安全阈值；车速为120km/h时，车尾发生火灾15s后列车附近烟气浓度超过安全阈值，在40s后距车100m位置超过安全阈值，在120s后距车200m位置超过安全阈值。车速越高烟气扩散越不利于人员逃生。 3结论

考虑剩余活塞风影响时，对比不同位置火灾对人员疏散的影响，当车速为80km/h时，车头发生火灾后180s后列车附近烟气浓度超过安全阈值，270s后距车100m位置超过安全阈值；车中发生火灾后150s后列车附近烟气浓度超过安全阈值，210s后距车100m位置超过安全阈值；车尾发生火灾后15s后列车附近烟气浓度超过安全阈值，50s后距车100m位置超过安全阈值。剩余活塞风影响下，对于列车尾部发生火灾影响较大，考虑时不利于人员逃生。车速越高烟气扩散越不利于人员逃生。 参考文献:

［1］洪丽娟, 刘传聚. 隧道火灾研究现状综述[J]. 地下空间与工程学报, 2005, 1(1):149-155. ［2］赵明桥, 彭立敏, 刘正初,等. 地铁区间隧道火灾烟气分区控制试验研究[J]. 铁道科学与工程学报, 2010, 07(4):25-30.

［3］朱常琳, 高明亮. 地铁区间隧道火灾自然排烟的数值分析[J]. 都市快轨交通, 2012, 25(3):56-59.

［4］阎善郁, 刘岩, 赵轶. 地铁隧道火灾烟气湍流反应的数值模拟研究[J]. 大连交通大学学报, 2010, 31(6):56-60.

［5］张培红, 邹然, 文柳,等. 开式通风系统作用下深埋地铁区间隧道火灾的性能化分析[J]. 沈阳建筑大学学报(自然科学版), 2011, 27(5):925-930.

［6］严恩泽, 陈南, 周洋. 活塞风作用下地铁隧道火灾烟气蔓延规律及探测器选型[J]. 消防科学与技术, 2016, 35(11):1536-1540.