長大地鐵區(qū)間隧道火災(zāi)可用安全疏散時(shí)間算法研究及應(yīng)用

田 峰， 王海橋， 朱祝龍， 陳世強(qiáng)， 黃俊歆

(1. 中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司隧道設(shè)計(jì)分公司， 天津 300133；2. 湖南科技大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院， 湖南 湘潭 411201；3. 湖南工學(xué)院安全與環(huán)境工程學(xué)院， 湖南 衡陽 421002)

0 引言

由于城市地鐵線路封閉，發(fā)生火災(zāi)時(shí)排煙與散熱條件差，會(huì)很快產(chǎn)生高濃度的有毒煙霧，且溫度迅速升高，致使人員疏散困難、救火難度大。保障地鐵區(qū)間隧道火災(zāi)時(shí)司乘人員的生命安全受到相關(guān)技術(shù)人員和學(xué)者的廣泛關(guān)注。

當(dāng)?shù)罔F區(qū)間隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，必須保證人員及時(shí)離開火點(diǎn)范圍到達(dá)安全區(qū)域，即可用安全疏散時(shí)間(ASET)大于必須安全疏散時(shí)間(RSET)。而對(duì)于長大地鐵區(qū)間來說，由于其長度長，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，區(qū)間內(nèi)并行列車數(shù)量多，且乘客數(shù)量大，相對(duì)于常規(guī)區(qū)間隧道更易發(fā)生事故和災(zāi)害，在事故災(zāi)害條件下進(jìn)行人員安全疏散的難度更大。

目前，國內(nèi)外尚無相關(guān)規(guī)范或指南對(duì)長大地鐵區(qū)間可用安全疏散時(shí)間做出規(guī)定或提出建議[1-3]。為了得到具體工程的可用安全疏散時(shí)間，大多采用數(shù)值模擬的方法，例如： 文獻(xiàn)[4]采用基于拉丁超立方抽樣的蒙特卡洛模擬方法，分析了ASET的不確定性及其影響參數(shù)的敏感性； 文獻(xiàn)[5]對(duì)香港某自然通風(fēng)的車站火災(zāi)進(jìn)行了ASET模擬； 文獻(xiàn)[6-8]分別介紹了狹長空間、地下車站及地鐵火災(zāi)的數(shù)值模擬方法； 文獻(xiàn)[9]對(duì)廣深港客運(yùn)專線福田站及其相鄰區(qū)間隧道疏散時(shí)間進(jìn)行了數(shù)值模擬。然而，數(shù)值模擬分析相對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算來說周期較長，同時(shí)工程針對(duì)性強(qiáng)且要求參數(shù)明確化，往往給工程實(shí)施帶來很大難度，不利于工程項(xiàng)目前期決策。

ASET與火災(zāi)燃燒類型、可燃物熱值、熱釋放速率、消防設(shè)施、隧道幾何尺寸等參數(shù)密切相關(guān)。為了能夠迅速有效地確定長大地鐵區(qū)間隧道火災(zāi)工況下的可用安全疏散時(shí)間，本文基于火災(zāi)發(fā)展及系統(tǒng)整體性基本原理、已有經(jīng)驗(yàn)公式、工程具體情況及規(guī)范規(guī)定等相關(guān)限制性條件，提出一種新的可用安全疏散時(shí)間模型算法，即多因素聯(lián)合限定法(multi-factor combined method，MCM)，并通過國內(nèi)在建長大地鐵過海區(qū)間隧道工程應(yīng)用進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證。

1 MCM理論

1.1 ASET影響因素

地鐵區(qū)間隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，人員可用安全疏散時(shí)間與火災(zāi)燃燒類型、可燃物熱值、熱釋放速率、消防設(shè)施、隧道幾何尺寸及疏散模式等密切相關(guān)。MCM算法基于頭腦風(fēng)暴法基本原理，盡可能地查找與火災(zāi)安全疏散相關(guān)的外部因素，諸如人的耐受極限，與火災(zāi)相關(guān)的熱釋放功率，火災(zāi)發(fā)展過程中的煙層溫度、散熱及煙氣下降時(shí)間，通風(fēng)防排煙設(shè)備，消防滅火系統(tǒng)，隧道疏散指示照明以及隧道寬度、高度、隧道結(jié)構(gòu)耐火時(shí)間、隧道EPS持續(xù)時(shí)間、車輛耐火極限等。

1.2 火災(zāi)時(shí)人員安全疏散判定準(zhǔn)則

火災(zāi)時(shí)安全疏散的首要目標(biāo)是保證司乘人員能從著火區(qū)域疏散到安全區(qū)域，其次是為消防隊(duì)員進(jìn)入滅火提供必要條件，以便控制火災(zāi)規(guī)模，限制火災(zāi)大面積蔓延?；馂?zāi)工況下人員生命安全判定準(zhǔn)則見表1。

表1 火災(zāi)工況下人員生命安全判定準(zhǔn)則[10]

對(duì)于長大地鐵區(qū)間隧道來說，在排煙系統(tǒng)能夠保證滿足臨界風(fēng)速要求，以及火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、疏散指示照明系統(tǒng)等消防設(shè)施正常運(yùn)行情況下，當(dāng)列車在區(qū)間發(fā)生火災(zāi)時(shí)，若隧道高度2.1 m以上空間熱輻射低于2.5 kW/m2或熱煙層溫度低于180 ℃，同時(shí)隧道高度2.1 m以下空間人員周圍溫度小于60 ℃且能見度大于10 m，則乘客能夠及時(shí)疏散至安全區(qū)域。

1.3 火災(zāi)發(fā)展及煙氣流動(dòng)

1.3.1 火災(zāi)熱釋放速率

熱釋放速率是影響火災(zāi)發(fā)展的基本參數(shù)。在試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上總結(jié)出許多描述火源熱釋放速率的數(shù)學(xué)模型，常用的模型有t2模型、MRFC模型和FFB模型。地下工程中常采用的t2快速火災(zāi)模型[11]為：

Q=at2。

(1)

式中：Q為火源熱釋放速率，kW；a為火災(zāi)增長系數(shù)；t為火災(zāi)發(fā)展時(shí)間，s。

1.3.2 煙層散熱

煙氣生成量、煙層散熱是煙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)條件，其直接影響人員疏散的安全性，相關(guān)參數(shù)采用門窗出流模型[11]，見式(2)—(4)。

(2)

l=0.166Qc2/5。

(3)

Tm=T∞+Qc/(MCp)。

(4)

式(2)—(4)中：M為煙氣質(zhì)量流量，kg/s；Qc為火災(zāi)對(duì)流熱釋放功率，kW；z為火源上方火羽流高度，m；l為平均火源高度，m；Tm為煙層溫度，K；T∞為環(huán)境溫度，K；Cp為定壓比熱容，J/(kg·K)。

1.3.3 煙層高度及煙氣沉降時(shí)間

煙層高度直接影響人員安全疏散。人員在達(dá)到安全位置之前，應(yīng)保證其不穿越煙層。煙層高度隨著時(shí)間的變化而變化，通過煙沉降時(shí)間的計(jì)算，可得到火災(zāi)發(fā)生時(shí)間與火源上方開始產(chǎn)生煙層高度的關(guān)系。NFPA92B煙氣充填試驗(yàn)式[12]為：

穩(wěn)態(tài)火源，

Z/H=1.11- 0.281ln [(tQ1/3H-4/3)/(A/H2)]；

(5)

非穩(wěn)態(tài)火源，

Z/H=0.91[(ttg-2/5H-4/5)/(A/H2)-3/5]-1.45。

(6)

式(5)—(6)中：H為隧道高度，m；t為時(shí)間，s；Q為穩(wěn)定火源熱釋放速率，kW；A為大型空間的截面積，m2；Z為火源上方開始產(chǎn)生煙層的高度m；tg為火源增長時(shí)間，s。

1.3.4 最小清晰高度

如果煙層高度不滿足最小清晰高度要求，當(dāng)疏散人員在煙氣中穿行時(shí)，煙氣危及人員疏散安全，因此，煙層高度是否滿足最小清晰高度可作為危險(xiǎn)來臨時(shí)間的一個(gè)判斷依據(jù)。最小清晰高度由式(7)確定。

Hq=1.6+0.1H。

(7)

式中：Hq為最小清晰高度，m。

1.3.5 能見度

火災(zāi)環(huán)境下能見度是指乘客剛好看到疏散指示標(biāo)志等設(shè)施的最遠(yuǎn)距離，其對(duì)人員逃生非常重要，通常情況下疏散方向錯(cuò)誤的人員很難逃生。能見度由式(8)確定。

S=(0.133-1.47lgKc)·R/Kc。

(8)

式中：S為能見度，m；Kc為煙氣的減光系數(shù)，m-1；R為比例系數(shù)。

2 MCM計(jì)算

2.1 MCM計(jì)算流程

采用多因素聯(lián)合限定法計(jì)算區(qū)間隧道火災(zāi)時(shí)人員可用安全疏散時(shí)間的思路，就是遵循火災(zāi)發(fā)生、發(fā)展到人員疏散的過程，然后找出各疏散過程中限定疏散時(shí)間的制約因素，這些制約因素的自身限制時(shí)間就是火災(zāi)時(shí)人員可用安全疏散時(shí)間，其流程如圖1所示。

圖1 隧道火災(zāi)可用安全疏散時(shí)間計(jì)算流程圖

2.2 乘客可用下車時(shí)間

乘客可用下車時(shí)間t1： 火災(zāi)發(fā)展到影響乘客下車的時(shí)間，即最后一位乘客下車時(shí)刻至車廂內(nèi)煙氣下降至最小清晰高度或熱煙層溫度超過180 ℃或車廂內(nèi)能見度小于10 m或熱輻射超過2.5 kW/m2或車輛耐火時(shí)間達(dá)到極限的時(shí)間。

列車發(fā)生火災(zāi)需要在區(qū)間進(jìn)行疏散時(shí)，乘客可用安全疏散時(shí)間即為列車耐火完整性時(shí)間及火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣達(dá)到人體耐受極限等相關(guān)時(shí)間的最小值。若火災(zāi)發(fā)展達(dá)到列車車輛耐火極限，著火火源溢出車體，則可能阻斷乘客疏散路徑，影響乘客安全疏散。由于列車車體采用不燃或難燃材料制作，其火災(zāi)熱釋放功率小，火點(diǎn)附近乘客通常會(huì)及時(shí)遠(yuǎn)離火源，火災(zāi)熱輻射及煙氣溫度一般不會(huì)超過人體耐受極限，因而對(duì)司乘人員可用疏散時(shí)間起決定作用的往往是列車車體耐火時(shí)間及煙氣的沉降充填造成的低能見度。

2.3 乘客可用離開著火區(qū)域時(shí)間

乘客可用離開著火區(qū)域時(shí)間t2： 火災(zāi)發(fā)展到影響乘客離開著火區(qū)域的時(shí)間，即最后一位乘客離開著火區(qū)域時(shí)刻至車廂溢出的煙氣下降至隧道最小清晰高度或隧道能見度小于10 m或達(dá)到隧道結(jié)構(gòu)耐火極限或達(dá)到隧道EPS持續(xù)供電時(shí)間的時(shí)間。

乘客離開著火列車后，需要及時(shí)遠(yuǎn)離著火區(qū)域，以免因隧道襯砌受火坍塌或脫落造成二次傷害，此時(shí)對(duì)乘客可用疏散時(shí)間影響較大的是隧道耐火時(shí)間；對(duì)于長大地鐵區(qū)間來說，由于疏散距離長且人員行走需具備一定的亮度要求，因而應(yīng)急照明指示系統(tǒng)的工作時(shí)間即EPS持續(xù)供電時(shí)間也是重要的限定因素。根據(jù)規(guī)范要求，隧道EPS持續(xù)供電時(shí)間較長，一般不會(huì)成為乘客離開著火區(qū)域可用時(shí)間的限制條件。除此之外，由于火災(zāi)產(chǎn)生了大量的煙氣，這些煙氣會(huì)從著火列車溢出至區(qū)間隧道，在隧道上部充填，降低隧道內(nèi)能見度，影響人員安全疏散。

2.4 乘客可用到達(dá)安全區(qū)域時(shí)間

乘客可用到達(dá)安全區(qū)域時(shí)間t3： 火災(zāi)發(fā)展到影響乘客到達(dá)安全區(qū)域的時(shí)間，即最后一位乘客到達(dá)安全區(qū)域時(shí)刻至隧道內(nèi)煙氣下降至最小清晰高度或隧道能見度小于10 m或達(dá)到隧道結(jié)構(gòu)耐火極限或達(dá)到隧道EPS持續(xù)供電時(shí)間的時(shí)間。

當(dāng)建筑內(nèi)部發(fā)生火災(zāi)時(shí)，應(yīng)及時(shí)將火點(diǎn)附近人員疏散至地面等安全區(qū)域；然而，對(duì)于長大地鐵過海區(qū)間來說，因位于水下導(dǎo)致無法設(shè)置直通地面的疏散口，只能將乘客疏散至對(duì)側(cè)未發(fā)生火災(zāi)的隧道，然后開展救援。當(dāng)乘客遠(yuǎn)離火點(diǎn)時(shí)，地鐵過海區(qū)間隧道的人員安全疏散時(shí)間則僅與隧道內(nèi)能見度和EPS持續(xù)供電時(shí)間相關(guān)。

根據(jù)上述分析，乘客疏散過程中3個(gè)階段的可用疏散時(shí)間均需滿足相關(guān)要求，才能保證乘客安全疏散，即：

tASET1≤t1&tASET2≤t2&tASET3≤t3。

此外，根據(jù)前述定義可知乘客下車、離開火點(diǎn)及到達(dá)安全區(qū)域?yàn)槭枭⒌?個(gè)順序階段，且滿足關(guān)系式t1≤t2≤t3，如圖2所示。

圖2 安全疏散的3個(gè)階段時(shí)間關(guān)系示意圖

3 可用安全疏散時(shí)間算法應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

廈門地鐵3號(hào)線過海區(qū)間全長約4.9 km，其中海域段長度約3.7 km，遠(yuǎn)期高峰時(shí)刻共有3輛列車同時(shí)運(yùn)行。為滿足防災(zāi)通風(fēng)及火災(zāi)工況人員疏散要求，設(shè)置通風(fēng)豎井及斜井各1座，如圖3所示。為避免列車追蹤，在礦山法隧道段設(shè)置中間風(fēng)口，通過隧道上方設(shè)置通風(fēng)排煙風(fēng)道與區(qū)間風(fēng)井相連。過海區(qū)間采用推挽式通風(fēng)排煙方案。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生點(diǎn)靠近區(qū)間風(fēng)井時(shí)，劉五店站隧道風(fēng)機(jī)送風(fēng)，區(qū)間風(fēng)井隧道風(fēng)機(jī)排煙；當(dāng)火災(zāi)發(fā)生點(diǎn)靠近劉五店車站時(shí)，區(qū)間風(fēng)井隧道風(fēng)機(jī)送風(fēng)，劉五店站隧道風(fēng)機(jī)排煙。過海區(qū)間每隔600 m設(shè)置1處疏散橫通道。

圖3 過海區(qū)間隧道風(fēng)井布置示意圖

過海區(qū)間采用盾構(gòu)法+礦山法組合施工工法，隧道內(nèi)部幾何尺寸見表2，隧道橫斷面如圖4所示。

表2 過海區(qū)間隧道幾何尺寸

(a) 盾構(gòu)法(標(biāo)準(zhǔn)斷面)

(b) 礦山法(標(biāo)準(zhǔn)斷面)

(c) 礦山法(設(shè)置通風(fēng)排煙風(fēng)道)

3.2 可用安全疏散時(shí)間計(jì)算

根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范及技術(shù)要求，考慮火災(zāi)點(diǎn)位于列車車廂內(nèi)，為車廂行李火災(zāi)，火災(zāi)列車?？坑?個(gè)聯(lián)絡(luò)橫通道中部，距離兩端疏散通道距離均為300 m。當(dāng)區(qū)間隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，乘客通過列車側(cè)門下車，到達(dá)疏散平臺(tái)，再通過橫向聯(lián)絡(luò)通道到達(dá)非火災(zāi)隧道逃生。火災(zāi)熱釋放功率為5 MW，考慮1.5倍安全系數(shù)，熱釋放功率設(shè)定為7.5 MW；列車采用B型車，6列編組，單列車體長度為19 m，寬度為2.8 m，凈高2.7 m。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求[13-14]，地鐵列車車體耐火完整性時(shí)間為20 min，隧道襯砌耐火時(shí)間為3 h，隧道土建風(fēng)道耐火時(shí)間為30 min，應(yīng)急照明EPS持續(xù)供電時(shí)間為90 min。

為了全面分析整個(gè)過海區(qū)間火災(zāi)時(shí)人員可用安全疏散時(shí)間，選定3種典型斷面作為火災(zāi)分析場景，見表3。過海區(qū)間隧道火災(zāi)場景對(duì)應(yīng)的最小清晰高度和煙層允許下降高度見表4。

表3過海區(qū)間隧道火災(zāi)場景對(duì)應(yīng)斷面形式

Table 3 Cross-section forms corresponding fire scenes of subsea tunnel

火災(zāi)場景 斷面形式1盾構(gòu)法(標(biāo)準(zhǔn)斷面)2礦山法(標(biāo)準(zhǔn)斷面)3礦山法(設(shè)置通風(fēng)排煙風(fēng)道)

表4過海區(qū)間隧道火災(zāi)場景對(duì)應(yīng)最小清晰高度和煙層允許下降高度

Table 4 Minimum clear height and allowable descending height of smoke layer corresponding to fire scenes of subsea tunnel

火災(zāi)場景最小清晰高度/m煙層允許下降高度/m12.113.0022.042.3631.971.73

根據(jù)最小清晰高度要求，帶入煙氣生成量及煙氣充填公式，可以計(jì)算得出3種火災(zāi)場景下乘客可用下車時(shí)間t1。由于排煙系統(tǒng)啟動(dòng)，煙氣得到有效控制，則乘客離開著火區(qū)域時(shí)間和到達(dá)安全區(qū)域時(shí)間由應(yīng)急照明時(shí)間控制。考慮1.2倍的安全富裕系數(shù)，3種不同火災(zāi)場景下乘客可用安全疏散時(shí)間MCM計(jì)算結(jié)果和數(shù)值分析結(jié)果見表5。

表5 過海區(qū)間隧道典型火災(zāi)場景可用安全疏散時(shí)間

注： 1)MCM算法基于相關(guān)系統(tǒng)運(yùn)行可靠的基礎(chǔ)上，即防災(zāi)通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行可靠，車輛及隧道耐火性能、隧道EPS應(yīng)急照明持續(xù)供電時(shí)間等相關(guān)技術(shù)參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求。2)數(shù)值分析采用Pyrosim建立仿真模型，采用FDS火災(zāi)模擬軟件進(jìn)行求解。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)前述分析及計(jì)算結(jié)果可知，MCM算法可以用來計(jì)算長大區(qū)間隧道火災(zāi)時(shí)可用安全疏散時(shí)間。常規(guī)數(shù)值分析方法未考慮車輛和隧道耐火及EPS持續(xù)供電時(shí)間等相關(guān)參數(shù)，結(jié)果與工程實(shí)際情況存在一定偏差，尤其是在區(qū)間隧道設(shè)置通風(fēng)排煙風(fēng)道后，若風(fēng)道達(dá)到耐火極限坍塌后將會(huì)對(duì)乘客疏散造成二次傷害。

對(duì)特長地鐵區(qū)間來說，采用通風(fēng)排煙風(fēng)道替代中間風(fēng)井節(jié)省了風(fēng)井工程投資，但是由于其占據(jù)了行車隧道上部空間，降低了隧道最小清晰高度，使得發(fā)生火災(zāi)時(shí)隧道蓄煙空間減小，煙層下降速度快，故而減少了乘客可用安全疏散時(shí)間。

4 結(jié)論與建議

1)長大地鐵區(qū)間隧道火災(zāi)時(shí)可用安全疏散時(shí)間與火災(zāi)當(dāng)量、車輛耐火時(shí)間、隧道結(jié)構(gòu)耐火時(shí)間、隧道EPS應(yīng)急電源持續(xù)供電時(shí)間等因素密切相關(guān)。

2)MCM算法可以用于計(jì)算長大地鐵區(qū)間隧道火災(zāi)時(shí)人員可用安全疏散時(shí)間，計(jì)算ASET時(shí)需結(jié)合工程具體情況逐項(xiàng)分析相關(guān)影響因素，找出確定關(guān)鍵因素。MCM算法可有效避免采用經(jīng)驗(yàn)公式時(shí)出現(xiàn)的研究脫離工程實(shí)際的情況。

3)與數(shù)值分析方法相比，MCM算法計(jì)算簡便快捷，效率高，計(jì)算結(jié)果比數(shù)值分析結(jié)果略小。