火灾模拟技术在地铁工程中的应用

　地铁作为人流密集的公众聚集场所，一旦发生火灾等突发事故，其社会影响力、政治影响力和国际影响力十分巨大。为了避免地铁火灾对人员造成危害以及对社会的负面影响，中国安科院于2009年正式与广州市地下铁道总公司合作，开展地铁车站及区间隧道全尺寸火灾实验研究，取得了一定成果。
　　
　　地铁作为现代化的城市轨道交通工具，承担着越来越重要的大客流运输任务。然而地铁作为人流密集的公众聚集场所，一旦发生突发事故，其社会影响力、政治影响力和国际影响力十分巨大。地铁隧道基本处于地下相对密闭空间，运行的列车内聚集着密集的人群，通风和疏散都受到极大的限制，这是其突出的弱点。在国际上，地铁火灾事故屡见不鲜，是各国安全防范的重点，如2003年的韩国大邱地铁列车火灾，和1995年的阿塞拜疆巴库地铁隧道火灾，伤亡人数均超过300人。
　　地铁火灾事故造成重大伤亡事故的原因主要包括4个方面：一是地铁列车可燃物较多，火灾强度大。地铁列车本身有相应的电器设备，虽然车辆制造材料主要为不燃物，但少部分阻燃材料着火时还会产生一定的毒性气体，加上地下供氧不足，燃烧不完全，烟雾浓，发烟量大，易对人构成危害。二是地下空间的通风口少，火灾烟气不易散发，燃烧产生的浓烟使隧道变成烟雾的通道，烟雾扩散极为迅速。烟气因其高温性、减光性、毒害性、恐怖性等特点，容易令人窒息。三是地铁隧道内列车高速行驶的活塞效应造成隧道内气流组织复杂，烟气空气混和严重，强大的不稳定逆转气流加大火灾的燃烧与扩散蔓延。四是地铁列车内客流量大，人员集中，隧道内疏散距离较远，疏散和灭火时间长，加上隧道火灾环境恶劣，一旦发生火灾，极易造成群死群伤。
　　为了避免地铁火灾对人员造成危害，减少火灾对社会的负面影响，中国安科院于2009年正式与广州市地下铁道总公司合作，开展地铁车站及区间隧道全尺寸火灾实验研究，取得了一定成果。
　　
　　复杂地铁车站日益涌现
　　随着城市内部地铁线网的日趋完善，城市繁华区多条线路交叉换乘，同时由于地质、施工条件的限制，超深埋、大长区间、站台密集型超短区间等复杂形式的地铁车站及隧道日益出现。
　　广州地铁六号线属于深埋线路，最大的车站隧道埋深近35m、最大区间隧道埋深近40m，对于超深埋车站及隧道，其风压损失较大，同时部分区间隧道坡度很大，地铁隧道发生火灾后，烟气如何在车站内蔓延，如何形成有效的风流组织控制烟气蔓延，是设计急需解决的问题。
　　广州珠江新城区域地下集运系统也为一种复杂的地下隧道区间形式，线路总长约3.88km，采用双区间三联络线结构，却设有地下车站9座，因此区间隧道很短，最小站间距为320.5m，平均站间距仅470m。
　　又如，广州地铁三号线区间隧道长度近7km，为典型的大长区间地铁隧道。大长区间中间需要加设风井，火灾时中间风井和车站的通风排烟系统如何联合动作、送排风运行模式，以及区间风井风机风量均是设计急需解决的问题。
　　这些复杂结构形式的地下车站和隧道的日益涌现，对地铁火灾时通风排烟设计的安全性提出了更高要求。如何确保复杂结构形式的地铁车站和隧道发生火灾时烟气的定向诱导和及时排放，需要用科学的方法加以研究、分析和验证。
　　
　　地铁火灾模拟技术的应用
　　火灾模拟技术基本可分为3类，即：区域模拟技术、网络模拟技术和火灾场模拟技术，这3类技术在地铁工程中均有较好的应用。
　　区域模拟技术是将地铁火灾环境分为两个控制体，上层热烟气层和下部冷空气层，并假设每个区域内具有空间分布均匀的物理属性。通过建立两个控制体的质量和能量平衡方程来求解烟气层温度、高度等变量，并假设室内的压力保持恒定，这在常规空间尺寸例如地铁隧道内是可行的。在中国安科院项目组的实际工作中，开发了区域模拟软件，该软件可以简单快捷地用于地铁车站公共区通风排烟系统设计及运行模式的推演，风机选型、风量、设备数量等设计参数的确定，但由于其模型的简化，由此带来的误差也较大，因此适用于地铁火灾性能化设计和通风排烟方案的早期设计。
　　网络模拟技术进一步简化处理空间气流参数，对每一空间采用一个均匀的物理参数，即同一空间的温度、烟气浓度、室内空气压力等均认为是均匀分布的。地铁的每一个屏蔽门开口、风井、联络通道等都具有一定的通风阻力，这些通道连接处作为网络中的连接点。通过分支和节点连接而成网络，运用求解节点风量、分支阻力、回路风压平衡方程，可以得到空间网络内的温度、风量、压力、风速等。如：知道某一区间隧道的区段发生火灾后，火灾烟气在风压、室外风流和其他动力作用下可能流经的范围和区域，火灾发生时，人员疏散就应尽力避开这些隧道或空间，网络模型能较好地满足这一需要。网络模拟技术适用于对多个地铁车站及隧道空间内火灾时的气流组织的解算，特别是长、大区间等情况，可计算较大空间，但不能细致反映烟气流动的细节。目前国内的一些地铁设计院如中铁二院工程集团有限责任公司和广州地铁设计研究院有限公司等，已经在地铁设计中进行了较多应用。
　　火灾场模拟技术是计算求解火灾过程中网格化的三维空间内物理参数随时间变化的模拟方式，“场”是指状态参数如速度、温度、压力、气体组分浓度等的空间分布。场模拟的理论依据是自然界普遍存在的质量守恒、动量守恒、能量守恒以及化学反应的定律等，火灾过程中状态参数的变化也遵循着这些规律，因而可以用场模拟方法求解火灾过程。该技术通过对几何参数和网格数目以及燃烧过程的一些设置，如：燃烧反应模型、火源功率与燃烧时间、边界热交换属性、通风口大小与流量等，模拟计算可得到的一些输出数据，如某点、某条线或某个面上的温度、密度、压力及混合组份在火灾过程中随时间的变化等，然后再利用一些数据处理工具就可以获得研究所需的数据以及曲线等。中国安科院在国内一些城市的地铁如广州地铁、深圳地铁、南京地铁等20多个城市的地铁安全评价和研究项目中使用了火灾大涡模拟技术，如：针对广州地铁6号线深埋车站(见图1)、广州市地下旅客自动输送系统、东莞地铁R2线长、大区间隧道等，都采用了火灾场模拟技术对其通风排烟设计方案进行了论证研究，提出了地铁火灾事故时安全、有效的气流组织形式、排烟送风模式。目前国内一些科研机构和地铁设计单位也越来越多地采用火灾场模拟技术对地铁通风排烟系统的设计进行论证。
　　
　　未来仍需进一步验证
　　由于火灾计算模拟技术在计算方程、求解方法和边界条件处理方面存在一些简化，因此结果也存在一定的误差，包括设计的风机风量是否能满足实际需要，能否有效控制烟气流动和沉降等。因此，在实际地铁工程中，采用模型实验乃至全尺寸火灾试验往往是对地铁通风排烟系统的有效验证。
　　中国安科院通过对深埋车站火灾进行模拟实验研究，利用深埋地铁车站模型，开展了列车火灾和站台火灾的模拟实验，针对广州地铁6号线提出并验证了深埋地铁车站的通风排烟方案。同时，还在广州地铁、深圳地铁、北京地铁、成都地铁、西安地铁、深圳(港铁)4号线等开展了全尺寸火灾试验，对地铁通风排烟系统火灾事故模式工作效果、可靠性及联动状况进行了检验，获得了较多的有参考价值的数据，确保地铁试运营安全。接下来，项目组将会对火灾模拟技术进行进一步论证，使该技术在应用中更加准确、便捷。