邱黎明　尤秋菊　何學(xué)秋　劉強(qiáng)　宋大釗　王遠(yuǎn)　王立濤　陳崢

摘 要：為研究城市地鐵運(yùn)行過程中潛在坍塌、火災(zāi)、水害等工程災(zāi)變對(duì)地鐵空間安全性的影響，基于Fluent軟件研究了多災(zāi)變條件下風(fēng)速場(chǎng)、壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)的響應(yīng)規(guī)律，揭示了多場(chǎng)響應(yīng)機(jī)制，并提出相應(yīng)的防控措施。結(jié)果表明：坍塌區(qū)域后方風(fēng)速和風(fēng)壓減小；火災(zāi)發(fā)生后地鐵空間風(fēng)速和風(fēng)壓顯著下降，火源與出風(fēng)口之間溫度急劇上升，升溫10 K以上的區(qū)域半徑超過10 m；水災(zāi)發(fā)生后地鐵空間風(fēng)速和風(fēng)壓升高，溫度降低，越靠近出風(fēng)口溫度越低，最高降溫2 K左右，但地鐵邊界處可降溫15 K。地鐵空間多災(zāi)變響應(yīng)機(jī)制在于：坍塌導(dǎo)致地鐵空間內(nèi)形成風(fēng)障，堵塞通風(fēng)路徑；火災(zāi)導(dǎo)致空氣發(fā)熱膨脹，在背風(fēng)向形成不均勻分布；水災(zāi)使得地鐵空間總體減小，風(fēng)速、風(fēng)壓升高，而水的低溫特性及風(fēng)流作用導(dǎo)致環(huán)境溫度出現(xiàn)不同的降低幅度。對(duì)于坍塌事故，需要及時(shí)清除坍塌區(qū)域，減少通風(fēng)阻力；對(duì)于火災(zāi)事故，應(yīng)重點(diǎn)防控災(zāi)變發(fā)生后溫度的升高；對(duì)于水災(zāi)事故，在排水時(shí)應(yīng)重視地鐵空間溫度的變化。研究結(jié)果對(duì)地鐵災(zāi)變機(jī)制分析及現(xiàn)場(chǎng)救援具有理論價(jià)值。

關(guān)鍵詞：地鐵空間；坍塌；火災(zāi)；水害；多場(chǎng)響應(yīng)規(guī)律

中圖分類號(hào)：X 951文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1672-9315（2023）05-0952-11

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2023.0512

Multi－field response rules for typical disaster scenarios in subway space

QIU Liming1，YOU Qiuju2，HE Xueqiu1，LIU Qiang1，SONG Dazhao1，3，WANG Yuan1，WANG Litao1，CHEN Zheng1

（1.School of Civil and Resource Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；2.Institute of Urban Systems Engineering，Beijing Academy of Science and Technology，Beijing 100195，China；3.Guizhou Panjiang Coal Power Group Technology Research Institute Co.，Ltd.，Guiyang 550081，China）

Abstract：In order to examine the? impacts of potential engineering disasters，such as collapse，fire，and water damage，on the safety of subway space during the operation of urban subways，the Fluent software is used to explore the response laws of wind speed field，pressure field and temperature field under multiple disaster conditions，with the response mechanisms of multiple fields revealed，and the corresponding prevention and control measures proposed.The research results indicate that the wind speed and wind pressure behind the collapsed area decreased；since the fire，the wind speed and air pressure in the subway space significantly decreased，and the temperature between the fire source and the air outlet sharply increased.The radius of the area where the temperature increased by more than 10 K exceeded 10 meters；since the flood，the wind speed and wind pressure in the subway space increased，and the temperature decreased.The closer it was to the air outlet，the lower the temperature，with a maximum temperature drop of approximately 2 K.The subway boundary，however，can be cooled by 15 K.The multi－disaster response mechanism of subway space involves that collapse causes wind barriers to form in the subway space，blocking the ventilation path；since a fire，the gas heats up and expands，forming an uneven distribution in the leeward direction；the flood causes an overall reduction in subway space，with an increase in wind speed and wind pressure.And the low－temperature characteristics of water and the effect of wind flow lead to different degrees of reduction in environmental temperature.For collapse accidents，it is necessary to remove the collapse area and reduce ventilation resistance promptly；for fire accidents，emphasis should be placed on preventing and controlling temperature increases after disasters occur；for flood accidents，attention should be directed to temperature changes in the subway space during drainage.The research results are theoretically valuable for the analysis of subway disaster mechanism and on－site rescue.

Key words：subway space；collapse；fire；water damage；multi－field response rule

0 引 言

地鐵交通是現(xiàn)代城市交通系統(tǒng)的重要組成部分，具有速度快、效率高、安全可靠、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)，為緩解交通壓力、優(yōu)化資源配置、改善城市環(huán)境提供了有效途徑[1-5]。中國(guó)正處在“新型城鎮(zhèn)化”戰(zhàn)略實(shí)施的關(guān)鍵階段，地鐵交通是當(dāng)前和未來(lái)一個(gè)時(shí)期大中型城市基礎(chǔ)建設(shè)的重要內(nèi)容[6-8]。就北京市而言，目前地鐵運(yùn)營(yíng)線路已達(dá)27條，運(yùn)營(yíng)里程807.0 km，車站475座，地鐵已經(jīng)成為主要的市內(nèi)交通方式之一。

在中國(guó)大力發(fā)展地鐵建設(shè)的同時(shí)，地鐵空間坍塌、火災(zāi)、水害等安全事故時(shí)有發(fā)生，不僅造成了極大的生命財(cái)產(chǎn)損失，而且社會(huì)影響惡劣[9-11]。2014年12月7日，北京地鐵某站冷卻塔起火，過火面積超過10 m2。2018年2月7日，廣東省佛山地鐵某施工區(qū)因突發(fā)透水引發(fā)塌陷，造成11人死亡。2019年12月1日，廣東省廣州市地鐵某施工區(qū)塌陷，造成3人死亡。2021年7月20日，河南省鄭州市某地鐵發(fā)生水災(zāi)，造成14人死亡。國(guó)外發(fā)生的地鐵事故也觸目驚心，例如，2003年2月18日，韓國(guó)大邱地鐵發(fā)生火災(zāi)事故，造成192人死亡。地鐵空間一般為地下空間，人員密集、管理難度較大，安全事故的發(fā)生往往具有突發(fā)性和高危性。由于地鐵空間的封閉性，發(fā)生事故后，往往具有蔓延快、救援困難的特點(diǎn)[12-15]。目前，地鐵空間的安全建設(shè)已經(jīng)成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)和國(guó)家安全的重大需求[16]。

常見的地鐵空間災(zāi)害主要有坍塌、火災(zāi)、水害等，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)這些災(zāi)害的安全評(píng)價(jià)與事故分析做了較多的研究，為地鐵災(zāi)害防治提供了一定依據(jù)。郭哲敏等通過對(duì)百余起地鐵坍塌事故的統(tǒng)計(jì)分析，基于三角模糊數(shù)和模糊層次分析法建立了地鐵坍塌事故安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，研究發(fā)現(xiàn)人員管理和天氣因素對(duì)地鐵坍塌事故的產(chǎn)生有重大影響[17]；牛豐等構(gòu)建了基于STAMP模型的地鐵事故致因模型，分析了地鐵空間坍塌事故的演化過程，發(fā)現(xiàn)STAMP模型與地鐵坍塌事故的致因分析具有較高的契合度[18]；YU等研究了地鐵結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在地震作用下的抗坍塌能力，為地鐵空間坍塌災(zāi)害的防治提供了理論支持[19]；倪鵬等基于FTA與FAHP等方法對(duì)地鐵火災(zāi)事故進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)空氣流通和安檢不到位是影響地鐵火災(zāi)事故的最大因素，提出設(shè)置有效的通風(fēng)排煙系統(tǒng)和加強(qiáng)地鐵安檢進(jìn)行火災(zāi)預(yù)防的理念[20]；嚴(yán)鈞喻等統(tǒng)計(jì)分析了地鐵火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的主要影響因素類型，研究建立了地鐵火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)傳播路徑與事故鏈，為地鐵火災(zāi)事故預(yù)防供了理論支持[21]；RIE等研究了地鐵火災(zāi)發(fā)生過程中候車區(qū)溫度、CO和能見度的分布，評(píng)估了排煙系統(tǒng)的性能，為乘客的安全疏散提供了相應(yīng)的解決方案[22]；李浩然等基于災(zāi)變鏈?zhǔn)嚼碚摰罔F水災(zāi)的災(zāi)情鏈?zhǔn)絺鬟f規(guī)律展開研究，發(fā)現(xiàn)在地鐵水災(zāi)演化網(wǎng)絡(luò)中，車站用電設(shè)備故障、隧道結(jié)構(gòu)性能劣化和地下承壓水上升是風(fēng)險(xiǎn)控制的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)[23]；王士軍針對(duì)地鐵水害的特點(diǎn)，闡述了事故處置時(shí)面臨的困難，從災(zāi)害事故的救援機(jī)制、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建、專業(yè)隊(duì)伍建設(shè)、綜合性保障4個(gè)角度提出了對(duì)應(yīng)的解決方案[24]；SUN等通過洪水危害、地鐵出行暴露和人口脆弱性來(lái)評(píng)估了地鐵水害的風(fēng)險(xiǎn)，研究發(fā)現(xiàn)地鐵水害風(fēng)險(xiǎn)隨著降雨重現(xiàn)期的增加而增加，特別是極端降雨情況下，地鐵水害風(fēng)險(xiǎn)會(huì)顯著增加[25]。

綜上所述，當(dāng)前研究多是依據(jù)事故案例，通過調(diào)查分析法對(duì)事故原因進(jìn)行整理研究，缺乏事故過程模擬，不能動(dòng)態(tài)反映事故過程中各環(huán)境參數(shù)響應(yīng)規(guī)律。此外，以往的研究多針對(duì)單一災(zāi)害進(jìn)行事故分析，未統(tǒng)一地鐵空間多類型災(zāi)變之間的聯(lián)系，不利于地鐵空間多災(zāi)害綜合防控。盡管地鐵空間各種動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生條件不同，但其引起的結(jié)果是相似的，災(zāi)害發(fā)生后，均導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)狀態(tài)（風(fēng)速、風(fēng)壓等）及溫度場(chǎng)發(fā)生變化，因此有必要對(duì)通風(fēng)參數(shù)進(jìn)行研究?；诖?，文中擬利用Fluent數(shù)值模擬軟件，以坍塌、火災(zāi)、水災(zāi)等典型災(zāi)變類型為研究對(duì)象，建立地鐵空間災(zāi)變數(shù)值模型，研究地鐵空間多災(zāi)變條件下的壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、風(fēng)速場(chǎng)的響應(yīng)規(guī)律，揭示不同災(zāi)變類型對(duì)地鐵空間物理場(chǎng)影響的差異性，為地鐵災(zāi)害防控提供理論依據(jù)。

1 地鐵空間典型災(zāi)種分析

城市地鐵空間抵御災(zāi)害的能力相對(duì)較強(qiáng)，但發(fā)生坍塌、火災(zāi)、水災(zāi)等災(zāi)害所造成的危害又遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過地面。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，近十年國(guó)內(nèi)外地鐵運(yùn)營(yíng)事故如圖1所示。

圖1所展示的多種地鐵運(yùn)營(yíng)事故中，塌陷、火災(zāi)、水災(zāi)均與自然條件的變化有關(guān)，一般為自然災(zāi)害。上述3種自然災(zāi)害均有可能引起地鐵通風(fēng)系統(tǒng)的變化，例如，坍塌可能會(huì)增加通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)阻，火災(zāi)事故可能導(dǎo)致風(fēng)壓變化，而水災(zāi)淹沒地鐵則會(huì)改變環(huán)境溫度。踩踏事故、自殺事故以及國(guó)外發(fā)生的地鐵恐怖襲擊事故，一般是社會(huì)因素和人為因素引起的。列車脫軌、列車相撞等常常是由設(shè)備設(shè)施故障導(dǎo)致的，而且常發(fā)生在地鐵空間之外。這些事故與塌陷、火災(zāi)和水災(zāi)事故的影響因素及發(fā)生條件不同。因此，基于地鐵空間危險(xiǎn)因素的共性，主要對(duì)自然條件引起的事故進(jìn)行研究，重點(diǎn)分析地鐵空間坍塌、火災(zāi)、水災(zāi)等3類事故的災(zāi)變規(guī)律。

各種災(zāi)變環(huán)境的示意如圖2所示。地鐵火災(zāi)發(fā)生時(shí)主要集中在候車區(qū)上或者是地鐵內(nèi)部，進(jìn)而對(duì)乘客安全造成影響。坍塌除了在掉落過程中容易造成人員受傷外，還易造成空間的減小，引發(fā)通風(fēng)不暢。火災(zāi)由低至高擴(kuò)散，造成空間的減小，超過人員呼吸帶，易造成乘客的窒息。水災(zāi)導(dǎo)致地鐵空間受到擠壓，人員面臨窒息風(fēng)險(xiǎn)。因此，研究坍塌、火災(zāi)、水災(zāi)等條件下地鐵有限空間物理場(chǎng)演化特征，對(duì)地鐵綜合災(zāi)變防治具有指導(dǎo)意義。

1.1 地鐵空間坍塌

對(duì)于具有巖溶地質(zhì)的城市，在地鐵基坑建設(shè)和后續(xù)使用中容易造成地鐵空間坍塌，地鐵站在運(yùn)營(yíng)中發(fā)生爆炸、火災(zāi)、地震等災(zāi)害也易誘發(fā)坍塌。建設(shè)地鐵的工程中，施工過程中采取基底滲漏水通道封堵為主、墻底滲漏水通道封堵為輔的處理措施可有效治理坍塌問題。

坍塌材質(zhì)掉落于地鐵空間內(nèi)，對(duì)乘客的生命安全造成威脅，且坍塌物質(zhì)的堆疊堵塞通風(fēng)通道，在救援過程中引起人員通行不暢、空氣流動(dòng)受阻。塌陷對(duì)地鐵空間的影響主要有兩方面：一方面是對(duì)人員通道的影響；另一方面會(huì)改變地鐵空間的通風(fēng)狀況，改變行人體感與舒適度。以上影響主要通過改變地鐵空間與通風(fēng)相關(guān)的物理場(chǎng)引起的，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)此研究相對(duì)較少。為提高模擬結(jié)果的通用性，文中采用坍塌區(qū)域劃分的方法進(jìn)行通風(fēng)狀況模擬，數(shù)值模型依據(jù)如圖3所示的坍塌環(huán)境下地鐵空間示意圖而建立，在地鐵空間上方設(shè)置塌陷區(qū)域，塊體掉落與地鐵空間地板上，利用有限元軟件計(jì)算塌陷災(zāi)害發(fā)生之后的通風(fēng)狀態(tài)。

1.2 地鐵火災(zāi)

地鐵發(fā)生火災(zāi)的原因有漏電、短路、過載等眾多因素，也有可能是人為縱火（例如2003年韓國(guó)大邱地鐵火災(zāi)事故）。為降低地鐵火災(zāi)事故致災(zāi)嚴(yán)重程度，前人對(duì)地鐵火災(zāi)進(jìn)行了較多的模擬疏散研究。目前主流的地鐵火災(zāi)應(yīng)急策略研究主要通過3D建模技術(shù)最大程度的還原地鐵場(chǎng)景，內(nèi)部設(shè)置火源，利用煙氣和疏散模擬軟件進(jìn)行研究[26]，對(duì)于火災(zāi)發(fā)生后地鐵空間內(nèi)的溫度場(chǎng)、風(fēng)速場(chǎng)響應(yīng)研究不足。

盡管火災(zāi)的發(fā)生條件不同，但其引起火災(zāi)的結(jié)果是相似的，火災(zāi)發(fā)生后，均導(dǎo)致定點(diǎn)的高溫火源擴(kuò)散，并可能造成通風(fēng)系統(tǒng)狀態(tài)（風(fēng)速、風(fēng)壓等）及溫度場(chǎng)發(fā)生變化，對(duì)周圍人群產(chǎn)生危害。因此，有必要研究地鐵火災(zāi)發(fā)生后溫度場(chǎng)、風(fēng)速場(chǎng)、壓力場(chǎng)的響應(yīng)規(guī)律，為地鐵火災(zāi)的防治提供依據(jù)。數(shù)值模型依據(jù)圖4所示的地鐵空間火災(zāi)環(huán)境示意圖而建立，對(duì)火災(zāi)發(fā)生后的通風(fēng)狀態(tài)進(jìn)行研究。為使研究結(jié)果具有通用性，簡(jiǎn)化了火源具體的誘發(fā)原因，將火源設(shè)置為圓形連續(xù)高溫區(qū)域，不設(shè)置其他特殊條件，重點(diǎn)模擬定點(diǎn)火源發(fā)生后的各物理場(chǎng)變化。

1.3 地鐵水災(zāi)

地鐵水災(zāi)主要是由于暴雨天氣、地下水管破裂等引發(fā)的出水超過地鐵排水能力造成的。城市地鐵在建設(shè)之初的防水設(shè)計(jì)一般使地鐵入口高于地面。但近年來(lái)極端天氣有所增加，暴雨天氣地表積水位超過地鐵入口高度時(shí)會(huì)倒灌進(jìn)地鐵。例如，2021年鄭州暴雨災(zāi)害導(dǎo)致的城市內(nèi)澇使地鐵系統(tǒng)大規(guī)模被淹，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。

由于地鐵站內(nèi)系統(tǒng)多低于地平線，對(duì)突發(fā)性暴雨災(zāi)害抵抗能力較弱。當(dāng)?shù)乇硭构嗳氲罔F之后，會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)超過候車區(qū)，使得地鐵空間橫截面積降低，引起通風(fēng)異常。當(dāng)洪水超過人的呼吸高度后會(huì)引起乘客的窒息風(fēng)險(xiǎn)。水的溫度一般較低，且積水也會(huì)影響地鐵通風(fēng)，進(jìn)而引起了各物理場(chǎng)的變化。為提升地鐵系統(tǒng)對(duì)突發(fā)水災(zāi)的應(yīng)急能力，需對(duì)發(fā)生水災(zāi)時(shí)風(fēng)速、溫度深入分析，提出應(yīng)急救援新建議，降低事故影響。數(shù)值模型依據(jù)圖5所示的地鐵空間水災(zāi)環(huán)境示意圖而建立，對(duì)水災(zāi)發(fā)生后的通風(fēng)狀態(tài)進(jìn)行研究。

2 災(zāi)變場(chǎng)景數(shù)值模擬

為滿足模擬需求，以Space Claim 2020建立某地鐵站場(chǎng)景模型，并導(dǎo)入Fluent軟件，場(chǎng)景模型如圖6所示。場(chǎng)景模型一為無(wú)災(zāi)變環(huán)境，模型為100 m×20 m（長(zhǎng)×寬），環(huán)境溫度298.15 K；場(chǎng)景模型二在無(wú)災(zāi)變條件基礎(chǔ)上添加10 m×15 m×1.5 m坍塌區(qū)域；場(chǎng)景模型三在無(wú)災(zāi)變條件基礎(chǔ)上添加直徑為2 m圓形區(qū)域火源，設(shè)置40 m處火源溫度為1 273.15 K；場(chǎng)景模型四在無(wú)災(zāi)變條件基礎(chǔ)上添加深0.5 m、283.15 K積水。模型的右側(cè)為風(fēng)流入口，左側(cè)為風(fēng)流出口，入口風(fēng)速均為1.5 m/s，上述模型均不與外界進(jìn)行熱交換。

3 地鐵災(zāi)變多場(chǎng)特征數(shù)值模擬結(jié)果

模擬過程中模型各場(chǎng)不同高度存在不同變化趨勢(shì)。由于人員呼吸帶平均高度在1.5 m左右，以下云圖均采用高1.5 m截面分析各災(zāi)變環(huán)境下風(fēng)速場(chǎng)、壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)演化特征。其中風(fēng)速場(chǎng)為地鐵空間內(nèi)部風(fēng)速分布，單位為m/s，壓力場(chǎng)指風(fēng)壓的分布，單位為Pa，溫度場(chǎng)指地鐵空間內(nèi)部溫度分布，單位為K。

3.1 地鐵空間多災(zāi)變風(fēng)速場(chǎng)變化分析

3種災(zāi)變條件下氣體風(fēng)速場(chǎng)變化如圖7所示，圖7（e）為4種災(zāi)變模型共用的比色卡、比例尺與模型方向。圖7（a）為無(wú)災(zāi)變情況下風(fēng)速場(chǎng)云圖，入風(fēng)口風(fēng)速較小，在候車區(qū)位置風(fēng)速較為一致，在出風(fēng)口風(fēng)速達(dá)到最大，約為1.7 m/s；圖7（b）為坍塌條件下的風(fēng)速場(chǎng)云圖，在坍塌區(qū)域后有明顯風(fēng)速降低區(qū)域；圖7（c）為火災(zāi)條件下的風(fēng)速場(chǎng)云圖，風(fēng)速場(chǎng)數(shù)值整體略微下降；圖7（d）為水災(zāi)條件下風(fēng)速場(chǎng)云圖，相比無(wú)災(zāi)變情況風(fēng)速有所上升。在圖7中，風(fēng)速分布不均勻的位置主要位于進(jìn)風(fēng)口，這是因?yàn)椋艿竭M(jìn)風(fēng)口與地鐵空間墻壁的影響，風(fēng)流進(jìn)入到地鐵空間后風(fēng)流截面瞬間增加，在2個(gè)入風(fēng)口中間的墻壁位置形成渦流，造成了風(fēng)速的不均勻分布。

未發(fā)生災(zāi)變模型的風(fēng)速場(chǎng)高速區(qū)主要在出風(fēng)口位置，這與其他幾種情況一致，且4種情況下的出風(fēng)口風(fēng)速均高于入風(fēng)口。相較無(wú)災(zāi)變條件，坍塌條件下坍塌處風(fēng)速為0，由于風(fēng)流受到坍塌物阻礙，坍塌處后方出現(xiàn)低風(fēng)速區(qū)域；火災(zāi)與水災(zāi)風(fēng)速演化趨勢(shì)基本一致，但水災(zāi)受到斷面尺寸變小的影響，使得風(fēng)速值增加。

3.2 地鐵空間多災(zāi)變壓力場(chǎng)變化分析

3種災(zāi)變條件下氣體壓力場(chǎng)變化如圖8所示。圖8（a）為無(wú)災(zāi)變情況下的壓力場(chǎng)云圖，可以看出云圖總體較為穩(wěn)定，入口處壓力較大，出口處壓力較小，而在地鐵候車區(qū)左邊壓力較大，分布在1～1.45 Pa；圖8（b）為坍塌條件下的壓力場(chǎng)云圖，可以看出入風(fēng)口和出風(fēng)口變化不大，中間區(qū)域風(fēng)壓降低，約為0.5 Pa左右；圖8（c）為火災(zāi)條件下的壓力場(chǎng)變化情況，其趨勢(shì)與無(wú)災(zāi)變狀況一致，但總體數(shù)值有所減??；圖8（d）為水災(zāi)條件下的壓力場(chǎng)變化情況，其總體壓力顯著增加，約為1.6 Pa以上。

未發(fā)生災(zāi)變模型的壓力場(chǎng)分布均勻，且4種情況下的入風(fēng)口壓力均高于出風(fēng)口，這表明各災(zāi)變情況下通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流均未發(fā)生反轉(zhuǎn)。相較于無(wú)災(zāi)變條件，坍塌條件下坍塌處壓力明顯提升，未坍塌處壓力變小，這是由于風(fēng)流受到坍塌物的阻礙，在坍塌處前方壓力增大；火災(zāi)中，壓力場(chǎng)數(shù)值整體有所減小，說(shuō)明火災(zāi)發(fā)生時(shí)地鐵站內(nèi)空氣稀薄，導(dǎo)致含氧量急劇下降；水災(zāi)中，積水導(dǎo)致站內(nèi)溫度降低，空氣密度增大，使得壓力場(chǎng)數(shù)值整體大幅度提升。

3.3 地鐵空間多災(zāi)變溫度場(chǎng)變化分析

3種災(zāi)變條件下地鐵站內(nèi)空氣溫度場(chǎng)變化如圖9所示。圖9（a）為無(wú)災(zāi)變情況下溫度場(chǎng)云圖，可以看出云圖總體較為穩(wěn)定，各區(qū)域溫度較為一致，均在300 K左右，溫度場(chǎng)分別均勻。圖9（b）為坍塌條件下溫度場(chǎng)云圖，坍塌中，塌陷區(qū)域溫度為材料的初始溫度，由于坍塌處溫度代表巖土溫度，災(zāi)變處溫度相較于周圍地鐵空間環(huán)境溫度較低，但總體變化不大。圖9（c）為火災(zāi)條件下的溫度場(chǎng)變化情況，火災(zāi)中溫度場(chǎng)變化顯著，在著火點(diǎn)后方出現(xiàn)高溫區(qū)域，高溫區(qū)域受到風(fēng)流的影響。火災(zāi)中地下空間的溫度場(chǎng)異常區(qū)呈線條形，且數(shù)值從入風(fēng)口至出風(fēng)口逐步下降。圖9（d）為水災(zāi)條件下溫度場(chǎng)變化情況，發(fā)生水災(zāi)之后，由于水溫低于環(huán)境溫度，導(dǎo)致地下空間的溫度發(fā)生變化，越靠近出風(fēng)口，溫度降低越嚴(yán)重。

相對(duì)于無(wú)災(zāi)變條件，坍塌發(fā)生后溫度場(chǎng)的變化較小，而火災(zāi)與水災(zāi)發(fā)生后溫度場(chǎng)變化較大。火災(zāi)發(fā)生后，高溫區(qū)域從火源處隨風(fēng)流延伸至后方較長(zhǎng)區(qū)域，發(fā)生溫度顯著的變化的區(qū)域呈不規(guī)則線條狀，距離火源越近，溫度升高越顯著。水災(zāi)使地下空間整體溫度降低，并在入風(fēng)口附近的溫度呈不均勻分布，越靠近出風(fēng)口，溫度越低，分布也越均勻。在進(jìn)行地鐵空間火災(zāi)和水災(zāi)救援時(shí)，應(yīng)考慮環(huán)境溫度的變化。

4 地鐵空間多災(zāi)變各場(chǎng)對(duì)比分析

排除模型的地鐵出入口，沿地鐵中軸線，以地鐵空間左右側(cè)的中心點(diǎn)為起始點(diǎn)和終止點(diǎn)，以入風(fēng)口一側(cè)為起始點(diǎn)，以出風(fēng)口一側(cè)為終止點(diǎn)，分析地鐵空間內(nèi)20～100 m范圍內(nèi)中間區(qū)域不同高度各場(chǎng)變化。

4.1 多災(zāi)變對(duì)風(fēng)速的影響分析

設(shè)置無(wú)災(zāi)變情況下各處風(fēng)速為對(duì)照組，以高度1 m、1.5 m、2 m處的風(fēng)速進(jìn)行對(duì)比，繪制風(fēng)速隨距離變化圖，如圖10所示。

20 m和100 m處的風(fēng)速均為0，這是因?yàn)轱L(fēng)流入口和風(fēng)流出口距離地鐵地下空間的距離為20 m，這2處分別為圖6處的地鐵空間進(jìn)風(fēng)側(cè)和出風(fēng)側(cè)的墻壁，這個(gè)結(jié)果也表明，墻壁附近的風(fēng)速較低。從圖10（a）可以看出，災(zāi)變后1 m水平風(fēng)速均發(fā)生明顯變化。其中，水災(zāi)情況下整體風(fēng)速有大幅上升，最高風(fēng)速提升約0.2 m/s；坍塌情況下風(fēng)速受距離影響最大，0～50 m區(qū)，風(fēng)速與變化趨勢(shì)基本與對(duì)照組一致，50～70 m處風(fēng)速為0 m/s，70～100 m中風(fēng)速整體上均有所下降，但先增后減的變化趨勢(shì)與對(duì)照組一致；火災(zāi)情況下整體風(fēng)速變化趨勢(shì)紊亂，0～50 m區(qū)，出現(xiàn)4次極大值，且風(fēng)速整體有所提升，火災(zāi)區(qū)60 m處，內(nèi)部風(fēng)速也與對(duì)照組差異較大，在火災(zāi)中心區(qū)風(fēng)速最小，70～100 m中則與對(duì)照組無(wú)明顯差異。從圖10（b）可以看出，1.5 m水平風(fēng)速災(zāi)變后均發(fā)生明顯變化。圖10（b）、（c）分別為1.5 m與2 m處的各災(zāi)變風(fēng)速變化圖。從圖中可以看出在各區(qū)域位置風(fēng)速變化基本一致，水災(zāi)情況下風(fēng)速最高，約為0.6 m/s以上，坍塌情況下風(fēng)速最小，均小于0.3 m/s。而火災(zāi)在入口位置風(fēng)速與無(wú)災(zāi)變情況一致，在著火點(diǎn)以后顯著突變。

綜上，3個(gè)水平中各災(zāi)變條件下風(fēng)速變化有以下規(guī)律：無(wú)災(zāi)變情況下，風(fēng)速自20 m處進(jìn)入，在接近40 m處由于支柱的影響導(dǎo)致風(fēng)速下降，后穩(wěn)定上升；坍塌災(zāi)變中，1 m、1.5 m水平中風(fēng)速在災(zāi)變處發(fā)生大幅度下降，50 m后整體風(fēng)速下降，但變化趨勢(shì)未發(fā)生大幅改變。2 m水平中風(fēng)速在遇到災(zāi)變處急劇上升，后程階梯狀緩慢下降。在出口處3種水平風(fēng)速均恢復(fù)正常。這是由于坍塌導(dǎo)致災(zāi)變處通風(fēng)截面變小，從而引起2 m水平的風(fēng)速變大，而下部低水平則因?yàn)樘癸L(fēng)流受堵進(jìn)而導(dǎo)致風(fēng)速下降。故坍塌災(zāi)變將導(dǎo)致內(nèi)部風(fēng)速出現(xiàn)低水平無(wú)風(fēng)、少風(fēng)，高水平風(fēng)速變大，說(shuō)明地鐵坍塌時(shí)，對(duì)于內(nèi)部通風(fēng)應(yīng)多關(guān)注低水平的通風(fēng)情況；火災(zāi)中，1 m水平火源點(diǎn)位置風(fēng)速低于對(duì)照組，這是由于火源可燃物導(dǎo)致此處通風(fēng)受堵，1.5 m、2 m水平風(fēng)速整體有所上升，整體變化趨勢(shì)未發(fā)生大改變。故火災(zāi)將導(dǎo)致內(nèi)部空氣流動(dòng)加速，并在火源位置低水平位置風(fēng)速變小，說(shuō)明地鐵發(fā)生火災(zāi)時(shí)風(fēng)速紊亂，應(yīng)謹(jǐn)慎調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)；水災(zāi)中，風(fēng)速整體略微上升，變化趨勢(shì)未發(fā)生明顯改變，這是由于通風(fēng)截面變小所導(dǎo)致，故0.5 m深度的水淹災(zāi)害對(duì)地鐵內(nèi)部風(fēng)速影響不大，說(shuō)明地鐵發(fā)生水災(zāi)時(shí)可少關(guān)注內(nèi)部通風(fēng)系統(tǒng)的調(diào)整。

4.2 多災(zāi)變對(duì)壓力場(chǎng)的影響分析

設(shè)置無(wú)災(zāi)變情況下風(fēng)壓為對(duì)照組，以高度1 m、1.5 m、2 m水平的壓力進(jìn)行對(duì)比分析，并繪制流場(chǎng)壓力隨距離變化圖，如圖11所示。

從圖11（a）可以看出，1 m水平氣體流場(chǎng)壓力災(zāi)變條件下均發(fā)生明顯變化。水災(zāi)情況下，自入口30 m至出口壓力整體上升0.2 Pa，30 m之前則與對(duì)照組一致。坍塌情況下，20～50 m、70～100 m內(nèi)流場(chǎng)壓力與對(duì)照組保持一致，但在坍塌區(qū)50～70 m內(nèi)變?yōu)? Pa?；馂?zāi)情況下，20～40 m內(nèi)壓力明顯低于對(duì)照組0.4 Pa，并在40 m處追平，40～100 m內(nèi)氣體流場(chǎng)壓力整體減少0.2 Pa。從圖11（b）、（c）可以看出，1.5 m水平、2 m水平氣體流場(chǎng)壓力災(zāi)變條件下均發(fā)生明顯變化，且變化規(guī)律基本一致。水災(zāi)和火災(zāi)情況下與1 m水平變化規(guī)律一致。坍塌情況下，坍塌區(qū)50～70 m內(nèi)壓力降低至1.2 Pa，0～50 m、70～100 m內(nèi)流場(chǎng)壓力與對(duì)照組保持一致。

綜上，3個(gè)水平中各災(zāi)變條件下氣體流場(chǎng)壓力變化發(fā)現(xiàn)，火災(zāi)對(duì)流場(chǎng)壓力影響最大，氣體流場(chǎng)壓力在3個(gè)水平中整體降低，但變化趨勢(shì)未發(fā)生大幅改變，這是由于火源導(dǎo)致空間內(nèi)部溫度上升，使空氣受熱、密度略微下降，導(dǎo)致壓力變低。坍塌中，對(duì)流場(chǎng)壓力變化趨勢(shì)影響最大。坍塌區(qū)流場(chǎng)壓力降低明顯，但均低于火災(zāi)。在1 m水平中，災(zāi)變處流場(chǎng)壓力降低到0 Pa，未坍塌空間的流場(chǎng)壓力與無(wú)災(zāi)變情況保持一致。這是由于坍塌區(qū)無(wú)空氣導(dǎo)致。水災(zāi)情況下，流場(chǎng)壓力整體有所上升，但變化趨勢(shì)未發(fā)生改變。這是由于水災(zāi)導(dǎo)致空間截面面積變小，在通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量未調(diào)整的情況下，導(dǎo)致通風(fēng)風(fēng)壓增加。

4.3 多災(zāi)變對(duì)溫度場(chǎng)的影響分析

設(shè)置無(wú)災(zāi)變情況下各處溫度為對(duì)照組，以高度1，1.5，2 m處的溫度進(jìn)行對(duì)比分析，并繪制溫度隨距離變化圖，如圖12所示。

從圖12（a）可以看出，3種災(zāi)變條件下，1 m高度的溫度均發(fā)生變化。坍塌處主要由于坍塌材料的溫度較低引起的，在坍塌范圍外，溫度基本沒有變化?；馂?zāi)情況下60 m前與對(duì)照組溫度基本保持在298 K，60 m火源處溫度急劇上升至365 K，后在60～70 m內(nèi)急劇下降至308 K，但仍高于環(huán)境溫度10 K，直到出風(fēng)口處仍略高于環(huán)境溫度，表明在火災(zāi)條件對(duì)地鐵內(nèi)氣溫影響顯著，下風(fēng)口受火災(zāi)影響較大，越靠近火源影響越顯著。水災(zāi)情況下，入風(fēng)口20 m處和100 m處的溫度顯著降低，這是由于這2處位于地鐵空間邊界，空氣流通性較差，地面積水溫度持續(xù)對(duì)空氣降溫導(dǎo)致的。在遠(yuǎn)離邊界的位置，氣溫隨著入風(fēng)口距離的增加呈逐漸降低的趨勢(shì)，從入風(fēng)口299 K降低到297 K，降低量達(dá)2 K。從圖12（b）可以看出，1.5 m水平溫度場(chǎng)火災(zāi)、坍塌條件下的變化規(guī)律與1 m水平的溫度變化保持一致，但火災(zāi)情況下60 m位置溫度最高峰降低至314 K。水災(zāi)從298 K降低到296.4 K，降低量為1.6 K。從圖12（c）可以看出，坍塌情況下，除了坍塌區(qū)域的溫度開始與環(huán)境溫度保持一致之外，其他位置的溫度與前2個(gè)高度基本一致?；馂?zāi)變化趨勢(shì)與前2個(gè)高度不同，在火源后溫度呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，這是因?yàn)樨Q向上溫度逐漸散失，在水平方向上由于熱空氣在風(fēng)流作用下逐漸擴(kuò)散，通風(fēng)導(dǎo)致火焰產(chǎn)生的高溫氣體向斜上方流動(dòng)最終匯集于頂部，引起后方溫度逐漸升高。水災(zāi)的變化規(guī)律與前2個(gè)高度相對(duì)，但水災(zāi)從298 K降低到296.4 K，降低量為1.6 K，有所降低。

綜上，3個(gè)水平中各災(zāi)變條件下溫度變化有以下規(guī)律：坍塌災(zāi)害對(duì)于地鐵地下空間的溫度影響不大，事故處理時(shí)可忽略溫度的影響；火災(zāi)對(duì)地鐵內(nèi)氣溫影響顯著，下風(fēng)口受火災(zāi)影響較大，在靠近底板的位置，越靠近火源影響越顯著，火災(zāi)顯著影響范圍超過10 m，在2 m高度的位置，越靠近出風(fēng)口，溫度越高。地鐵火災(zāi)處置時(shí)應(yīng)重點(diǎn)應(yīng)對(duì)災(zāi)后部位溫度升高，防止火災(zāi)事故的進(jìn)一步擴(kuò)大。水災(zāi)對(duì)地鐵空間溫度影響顯著，地鐵空間邊界空氣流通性差，溫度接近水溫。在遠(yuǎn)離邊界的位置，豎向上越靠近底板，溫度越低，水平方向上，氣溫隨著入風(fēng)口距離的增加呈逐漸降低的趨勢(shì)。地鐵水災(zāi)救援時(shí)，除了排水之外，還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注地鐵邊界及出風(fēng)口附近的溫度降低的問題。

5 結(jié) 論

1）地鐵空間發(fā)生災(zāi)變后，各物理場(chǎng)變化顯著。坍塌發(fā)生后風(fēng)速和風(fēng)壓減小，溫度基本不變；火災(zāi)發(fā)生后，風(fēng)速和壓力顯著下降，而溫度急劇上升，升溫區(qū)主要發(fā)生在下風(fēng)向，可引起氣溫升高10 K以上的區(qū)域半徑超過10 m；水災(zāi)發(fā)生后，地鐵空間風(fēng)速和風(fēng)壓增加，溫度降低，地鐵空間邊界降溫最嚴(yán)重可達(dá)15 K，邊界之外的區(qū)域，越靠近出風(fēng)口，溫度越低，降溫達(dá)2 K。

2）地鐵空間災(zāi)變多場(chǎng)差異性響應(yīng)機(jī)制。坍塌導(dǎo)致地鐵空間發(fā)生堵塞，進(jìn)而對(duì)通風(fēng)起到堵塞作用；火災(zāi)發(fā)生后氣體發(fā)熱膨脹，使得氣體流場(chǎng)整體流速、壓力降低，但下風(fēng)向分布很不均勻；水災(zāi)水流積聚使得地鐵空間總體減小，導(dǎo)致風(fēng)速、壓力增加，水的低溫特性及風(fēng)流作用導(dǎo)致環(huán)境氣溫出現(xiàn)不同的降低幅度。

3）對(duì)于坍塌事故，需要及時(shí)清理塌陷區(qū)域，減少通風(fēng)阻力；對(duì)于水災(zāi)事故，在排水時(shí)不可忽視水災(zāi)對(duì)風(fēng)壓和風(fēng)速的影響，并考慮水流及風(fēng)向的降溫作用；對(duì)于火災(zāi)事故，應(yīng)重點(diǎn)控制高溫區(qū)域的蔓延，防止火災(zāi)區(qū)域的進(jìn)一步擴(kuò)大。

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（責(zé)任編輯：楊泉林）

收稿日期：2023-06-15

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52004016）；2021年度貴州省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（〔2021〕515）

通信作者：邱黎明，男，河南周口人，副教授，碩士生導(dǎo)師，E－mail：qiulm@ustb.edu.cn