地铁隧道火灾动力学与疏散的综合时空风险评估模型

《Separations》：An Integrated Spatio-Temporal Risk Assessment Model for Fire Dynamics and Evacuation in Subway Tunnels

　　

地铁隧道加剧了火灾危害，揭示了火灾发展与人员疏散在时空耦合方面的关键空白。为解决这一问题，本研究提出并验证了一种综合时空风险评估模型（Integrated Spatio-Temporal Risk Assessment Model），用以明确量化复杂火灾动力学下的生存阈值。该框架将基于大涡模拟（Large-Eddy Simulation，LES）的计算流体动力学与基于智能体的人员轨迹建模协同应用于具有2%纵向坡度的三维隧道中。通过评估9.5 MW和12 MW的火灾功率，模型对2160名智能体在单侧疏散（Single-Sided Evacuation，SSE）、双侧疏散（Double-Sided Evacuation，DSE）和喷淋辅助单侧疏散（Sprinkler-Assisted Single-Sided Evacuation，SSE-S）策略下进行了评估。通过连续解析分数有效剂量（Fractional Effective Dose，FED）指数、60 °C边界和500 ppm CO前锋面来量化危害。模拟结果表明，该坡度引发了严重的烟囱效应，加速了有毒物质的扩散，并导致温度超过1200 °C。因此，SSE导致了致命的瓶颈（FED：15.33），而DSE优化了人员流动，将峰值FED控制在0.52。关键的是，虽然主动抑制（SSE-S）在105秒内扑灭了火焰，但热力学冷却引起了烟雾浮力丧失的矛盾现象，导致有毒层在呼吸区形成分层。最终，尽管DSE和SSE-S对生存能力至关重要，但水基抑制会产生局部毒理学风险，因此未来的地下设计需要整合低层烟雾探测和排出架构。

地铁隧道火灾因空间受限、通风复杂以及热量、烟气和有毒气体快速传播而极具挑战性。在昂贵的基础设施中进行实体火灾实验往往不可行且高度危险，且无法直接研究火灾对人体的影响。因此，先进的数值预测技术成为必要。现有研究虽已利用多种建模工具对地下空间火灾与疏散进行了大量探索，但大多将火灾事件视为静态布局优化问题，而非在高度受限的线性几何中将火灾动态与人员疏散行为动态耦合。隧道坡度会引发烟囱效应，根本上改变烟气分层和温度分布模式；同时，通风配置与风机间距对维持安全气流速度至关重要。然而，文献中仍缺乏一种能够动态耦合隧道火灾时空演化与不同人员疏散行为及主动抑制机制的综合风险评估模型，特别是在地铁车厢形成显著气流阻塞的狭窄隧道中。为弥补这一空白，本研究提出并验证了一种专为狭窄地铁隧道设计的综合时空风险评估模型。该模型不同于传统的案例研究，它将基于计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）的火灾发展模拟与基于智能体的疏散行为建模相结合，能够定量建立生存阈值。研究的主要目标是严格测试该模型，分析动态火灾参数（火灾功率与增长速率）与三种干预策略——单侧疏散（Single-Sided Evacuation，SSE）、双侧疏散（Double-Sided Evacuation，DSE）和喷淋辅助单侧疏散（Sprinkler-Assisted Single-Sided Evacuation，SSE-S）——之间的关键相互作用。研究采用连续计算分数有效剂量（Fractional Effective Dose，FED）值、60 °C等温层和500 ppm CO浓度前锋面，以评估热风险和有毒气体积累的时空依赖性。

在技术方法方面，研究人员采用火灾动力学模拟器（Fire Dynamics Simulator，FDS）中的大涡模拟（Large-Eddy Simulation，LES）求解火灾发展，并使用Pathfinder 2026.1软件模拟人员疏散。三维隧道模型包含620米2%坡度段和80米水平段，内置4+4地铁车厢编组，每节车厢长22.5米，一侧设四个1.4米宽门。共设置2160名乘客，每节车厢270人，基于人均宽度计算的最大密度5.25人/平方米，行人步行速度为1.3米/秒。火源设置分为无喷淋时位于中部车厢底部和喷淋场景下位于车厢顶部；火灾场景包括高功率12 MW（增长系数α=11.7 W/s2）和低功率9.5 MW（α=2.9 W/s2），对流能量占总火灾功率的80%。燃烧反应采用CH_1.7O_0.74，并设置烟灰产率0.117 kg/kg、CO产率0.0044 kg/kg、辐射分数0.35等参数。网格分辨率通过特征火焰直径D*验证，采用Δx=0.25 m，使D*/Δx=10.4，处于4至16的验证基准区间内。

在模型验证与基准危险阈值方面，研究人员在CP3隧道位置对多种火灾强度、疏散策略和抑制条件进行了测试。喷淋系统由三个屋顶喷头组成，间距7.2米，每个喷头流量66.5 L/min，于点火后90秒启动。为系统量化生命安全性，模型基于5分钟关键暴露基线评估热和有毒危害限值；采用比文献常用的FED=0.3更保守的FED=0.1作为安全限值。

在时空热与烟气传播动力学方面，时空分析表明，隧道2%的纵向坡度通过烟囱效应决定了危险的传播：烟气、烟灰和60 °C等温层向上坡B方向的传播速度显著快于A方向。在无抑制的SSE高功率场景（12 MW，FGR=11.7 W/s2）中，连续空间热力图显示60 °C热层在250秒时已下降到人员头部高度并纵向延伸，使主要逃生路线失效。DSE策略降低了火源附近人员密度，加快了疏散，但结构热积聚仍然严重。同时，B方向的烟灰能见度在150秒内降至10米临界值以下，最终恶化至完全不可见。相比之下，SSE-S策略在90秒启动喷淋后，于105秒内完全扑灭火焰，阻止了60 °C层向火区外扩展。然而，模型揭示了关键的次级动态：水的冷却效应使残余烟气失去浮力，在150秒后沉降到近地面层，造成局部毒性风险，突出了热抑制与烟气可居留性之间的权衡。

在有毒气体积聚方面，模型持续追踪500 ppm CO前锋。烟囱效应导致所有B方向场景的CO浓度超过500 ppm上限超过五分钟，并伴随1% CO?阈值被突破，峰值接近2%。A方向的有毒物积累则显著较慢，仅在低强度场景（FE=9.5 MW，FGR=2.9 W/s2）中CO超过200 ppm。无喷淋干预时，500 ppm CO层在250秒时完全包围疏散通道；SSE-S则有效维持了主要疏散路线的CO安全水平。

在定量风险评估与FED结果方面，温度暴露严重影响生存指数。高强SSE下，B方向环境温度在220秒内突破60 °C，最终达到1200 °C；即使降低火灾功率，B方向峰值温度仍达300 °C。A方向在480秒达到60 °C阈值。将热和毒理学变量整合入FED后，发现FED积累随火灾增长速率和能量释放呈指数加速。高强SSE场景下，B方向在505秒超过FED=0.1，总疏散时间1390秒，最终FED达到致命值15.33。DSE在相同火灾参数下将最大疏散时间降至823秒，峰值FED仅为0.52。降低FGR至2.9 W/s2时，SSE将FED=0.1的突破延迟至800秒。SSE-S在整个模拟过程中使FED始终低于0.1，证明其是在受限隧道几何中保障生命安全的最有效策略。

讨论部分指出，该研究超越了传统静态疏散范式。2%纵向坡度引发严重烟囱效应，导致上坡方向温度超过1200 °C；SSE因空间约束导致FED=15.33的致命结果，而DSE优化了人员流动并限制最大FED在0.52。SSE-S揭示了喷淋的悖论：尽管105秒内灭火，但热力学冷却使烟雾浮力显著丧失，有毒颗粒层在150秒时直接分层于行人呼吸区。这一发现强调了喷淋与通风系统应集成设计，特别是低层烟气排出对于清除失浮力冷烟的必要性。研究还承认了局限性：疏散模拟假设均匀最大密度5.25人/平方米和统一行走速度1.3米/秒，未考虑恐慌、疏散前延迟或人群移动性差异；燃烧动力学基于特定地板材料Tiflex/Plywood，燃料变化可能改变火灾增长速率和毒性产物。未来研究需引入概率性人口分布模型，并探索低层排烟与强制纵向通风的复杂相互作用。

研究结论部分翻译如下：本研究提出并严格测试了一种综合时空风险评估模型，用于评估狭窄地铁隧道中的火灾动力学与人员疏散行为。通过验证空气动力学危害传播与人员疏散极限之间的复杂相互作用，研究为评估受限交通基础设施中的极端紧急情况提供了蓝图。模型定量评估了三种干预策略（SSE、DSE、SSE-S）在不同火灾能量和增长速率下的效果，并以FED作为决定性的生命安全性指标。测试结果表明，隧道几何尤其是纵向坡度对生存概率有显著影响。经验发现证明，纵向坡度从根本上损害了单向疏散方案；由于空气动力学烟囱效应不成比例地加速有毒前锋，必须结构性整合双向疏散路径（DSE）以分散人员流动，防止致命空间瓶颈。DSE通过分散人员流动缓解火源附近的关键瓶颈，显著缩短人员暴露于致命温度的时间，并有效防止FED快速突破0.1临界阈值。将该模型应用于主动抑制（SSE-S）场景，揭示了水基系统在受限几何中的关键科学洞见，暴露了一个根本性的操作悖论：传统性能指标将快速灭火视为成功，但模型表明随后的热冷却过程导致烟雾浮力显著丧失，这种热力学崩溃在地面水平引入了同等致命的窒息危险。这一洞见要求紧急重新设计抑制架构，必须将低层毒物排出系统与顶部喷淋部署不可分割地联系起来。本质上，这项工作代表了地下消防安全分析的范式转变，从被动的事后评估转向主动的预测性风险管理框架。研究结果确定，实施双向疏散路径和控制火灾增长速率对于狭窄隧道中人员生存至关重要。未来的研究应扩展该集成模型，以评估强制排烟系统与不同纵向通风配置之间的复杂相互作用，从而进一步优化交通隧道中多危险场景的应急响应协议。通过将高度局部的微观隧道物理投影为连续时空热图，该风险评估框架成功弥合了宏观基础设施规划间的差距，为城市灾害管理部门提供了一种可扩展、高可视化工具，用于更广泛的应急风险缓解。