轨道交通火灾烟气蔓延规律的数据仿真与报警响应研究

一、引言

城市轨道交通具有运量大、速度快、准时等优点，已成为现代城市交通的重要组成部分。然而，由于其空间相对封闭、人员密集，一旦发生火灾，火灾烟气将迅速蔓延，产生高温、有毒气体和低能见度环境，严重阻碍人员疏散和消防救援，极易造成重大人员伤亡和财产损失。例如 1987 年英国伦敦地铁君王十字车站火灾，造成 30 人死亡、180 人严重烧伤。因此深入研究轨道交通火灾烟气蔓延规律，提高报警系统响应性能，对保障轨道交通运营安全至关重要。

二、火灾烟气蔓延影响因素

轨道交通火灾烟气蔓延受火源特性、通风条件与空间结构多因素影响。火源特性方面，功率越大，火灾发展越迅猛，产热产烟量剧增，如地铁车厢内火源功率从7.5MW 升至10.5MW，火焰面积与烟气蔓延速度显著增加；且火源类型决定有毒气体成分与浓度。通风条件上，自然通风易受外界风力、风向干扰，机械通风虽能调控烟气，但风速过大反而加速火焰和烟气在隧道内蔓延。空间结构中，车厢、站台等复杂构造改变烟气路径，建筑结构阻碍或引导烟气流动，车厢出入口多则使烟气蔓延路径复杂，速率或降低。

三、火灾烟气蔓延数据仿真

3.1 仿真模型建立

本文采用 FDS（Fire Dynamics Simulator）火灾动力学模拟软件进行火灾烟气蔓延仿真。以某典型地铁车站及区间隧道为研究对象，根据实际尺寸建立三维模型。模型中考虑车厢、站台、隧道等空间结构，设置不同位置和功率的火源。火源功率增长模型选择常用的 t2 模型，根据火源功率大小确定达到稳定功率所需时间。模型中布置温度、能见度、 CO 浓度等测量切片，位于隧道和车厢纵向轴线位置，用于监测火灾过程中各参数的变化。

3.2 仿真工况设置

考虑不同火源功率、通风条件等因素，设置多种仿真工况。例如，火源功率分别设置为 7.5MW、9.0MW、10.5MW ；通风条件分为自然通风、机械通风（不同风速）等情况。在每个工况下，设定火源位置（如车厢中部、站台角落等），模拟火灾发生后的烟气蔓延过程。综合考虑计算机算力，设置总模拟时间，如400s，在模拟过程中按设定时间开启车厢门窗等。

3.3 仿真结果分析

3.3.1 烟气蔓延过程

通过仿真结果可以直观地看到烟气在不同时刻的蔓延情况。在火灾初期，烟气首先在火源附近积聚，随着时间推移，在浮力和通风作用下向周围空间扩散。在地铁车厢火灾中，火焰和烟气率先在车厢内蔓延，当车厢窗子打开后，更多空气被卷吸进入车厢，支持燃烧，烟气蔓延速度加快。在 150s 左右，火焰从靠近火源的窗子溢出，形成车厢火焰溢流；250s 左右烟气层下降到隧道截面的一半左右。随着火源功率增大，烟气蔓延速度明显加快。

3.3.2 温度分布

火灾烟气高温区域在燃烧初期主要集中在火源附近及车厢内部。随着燃烧进行，高温烟气逐渐向隧道顶棚等区域扩散。在典型工况（9.0MW 火源功率）下，50s 时靠近火源附近窗子打开，车厢内部燃烧加强，温度升高；100s 其余窗子打开后，火源燃烧更剧烈，车厢内集聚大量热烟气；200s 左右车厢溢出的高温烟气在隧道顶棚下方大量集聚；250-400s 燃烧逐渐稳定，车厢内部高温烟气进一步溢出至隧道空间，隧道顶棚附近存在较大面积高温区域，这对隧道结构可能造成热损伤。不同火源功率工况下，车厢内温度变化趋势类似，但火源功率越大，车厢内及隧道内的最高温度越高。

3.3.3 能见度变化

随着火灾发展，烟气浓度增加，能见度迅速降低。在火源附近区域，能见度下降最为明显。例如在站台火灾仿真中，距离火源较近的区域，能见度在短时间内可降至极低水平，严重影响人员视线，阻碍人员疏散。且随着烟气向周围蔓延，能见度受影响区域逐渐扩大。

3.3.4CO 浓度扩散

CO 是火灾烟气中的主要有毒气体之一，对人员生命安全危害极大。仿真结果显示，CO 浓度在火源附近较高，并随着烟气蔓延向周围扩散。在不同工况下， CO 浓度分布与烟气蔓延路径和通风条件密切相关。若通风不良， CO 容易在局部区域积聚，达到危险浓度，对人员造成中毒威胁。

四、报警响应研究

4.1 报警系统组成与工作原理

轨道交通报警系统主要由火灾探测器（如烟雾探测器、温度探测器等）、报警控制器和信号传输线路等组成。火灾探测器实时监测环境参数，当检测到烟雾浓度、温度等超过设定阈值时，将信号传输给报警控制器。报警控制器对接收到的信号进行分析处理，若确认发生火灾，则发出报警信号，同时启动相关联动设备，如通风排烟系统、应急照明系统等。

4.2 报警响应时间分析

报警响应时间包括探测器响应时间、信号传输时间和报警控制器处理时间。探测器响应时间与探测器类型和火灾发展速度有关，例如烟雾探测器对缓慢发展的火灾响应时间相对较长，而对快速发展的火灾响应时间较短。信号传输时间取决于传输线路的长度和传输速度，现代报警系统多采用高速通信技术，信号传输时间较短。报警控制器处理时间一般较短，但当系统接收到大量报警信号时，可能会出现处理延迟。在实际应用中应综合考虑各种因素，优化报警系统设计，尽量缩短报警响应时间。

4.3 报警准确性评估

报警准确性是衡量报警系统性能的重要指标。误报会导致不必要的恐慌和资源浪费，漏报则会延误火灾扑救和人员疏散时机。报警准确性受探测器安装位置、环境干扰等因素影响。探测器安装位置不合理，可能无法及时检测到火灾信号；环境中的灰尘、水汽等干扰因素可能导致探测器误报警。为提高报警准确性，可采用多种类型探测器组合、优化探测器安装位置，并对报警系统进行定期维护和校准。

4.4 报警响应与人员疏散和火灾扑救的关系

及时准确的报警能够为人员疏散和火灾扑救争取宝贵时间。当报警系统发出报警信号后，车站工作人员可迅速组织乘客疏散，引导乘客按照预定疏散路线有序撤离。同时消防部门可根据报警信息，提前做好灭火救援准备，快速到达火灾现场展开扑救工作。报警响应时间越短、准确性越高，人员疏散越安全，火灾扑救越有效，可大大降低火灾造成的损失。

五、结论

本文经数据仿真与理论剖析，明确了轨道交通火灾烟气蔓延规律及报警响应机制。研究发现，火源功率、通风条件和空间结构显著影响烟气蔓延，大功率火源加速蔓延，合理通风利于控烟，复杂空间改变烟气路径；报警系统响应时间与准确性关乎人员疏散和火灾扑救，优化设计可提升安全水平。未来研究可纳入人员行为等复杂因素，结合物联网、大数据实现智能预警，开展多场景大规模仿真，为完善火灾安全标准和应急预案提供依据。

参考文献：

[1] 苗妤. 城市轨道交通单洞双线隧道火灾烟气控制技术适应性探讨[J].暖通空调 ,2025,55(S1):358-360.

[2] 李宇辉 , 费瑞振 , 李芳 . 城市轨道交通超长隧道双车追踪模式下火灾烟气控制与人员安全疏散研究 [J]. 城市轨道交通研究 ,2024,27(08):100-107+112.

[3] 刘亚儒 . 城市轨道交通车辆段火灾探测系统研究 [D]. 安徽省 : 中国科学技术大学 ,2016.