地鐵車站列車站臺火災數值模擬分析研究

福州市擬修建該市的第一條城市軌道交通線路，全長約29.2km，擬全部采用地下線，共設地下車站24個。城市地鐵建設對于福建省來說是一個全新的課題。有資料統計顯示，在地鐵運營風險中，地鐵火災事故占到地鐵各類事故總數的32％；火災事故死亡人數占到各類事故死亡人數的67％。因此，如何避免和防范地鐵火災事故是地鐵設計、建設、施工和運營的重點。

1 地鐵車站火災事故的特點

據統計資料顯示，火災事故中的傷害大部分是由火災中產生的煙氣導致人員窒息引起的。而這種傷害在地鐵及地下車站火災表現的更為突出。

地鐵火災與地面或其它地下建筑火災相比有其特殊性，其主要表現在在有限的空間內，地鐵站臺和地鐵隧道內燃燒產生的煙氣和毒害物質的擴散形成的人員傷亡。同時，地鐵系統人員密集，排除熱量困難，與外界的聯系主要為地下通道的出入口，因此比地面建筑火災具有更大的危險性，一旦發生火災，損失往往十分嚴重。

1)地鐵車站客流量大，人員集中，一旦發生火災，極易造成群死群傷事故。

2)地鐵系統內因火災報警及消防設施配置不完善，通風空調系統失效，電源斷電多種因素均可能在事故發生時影響撲救，造成事故擴大。

3)地鐵系統內，使用到大量的動力電纜、通訊電纜；列車車輛下的系統中有電纜及電氣設備，車廂內的車座、頂棚及裝飾材料部分為可燃性；乘客在乘坐地鐵時攜帶有可燃物，個別人員還可能攜帶有危險化學物品。這些物品在燃燒時可能產生毒性氣體，加上地下供氧不足，燃燒不完全，煙霧濃，發煙量大；同時地鐵的出入口少，大量煙霧只能從一兩個洞口向外涌，與地面空氣對流速度慢，地下洞口的“吸風”效應使向外擴散的煙霧部分又被洞口卷吸回來，容易發生地鐵內人員窒息危險。

4)火災發生時，煙氣的擴散及人員逃生的方向均由下往上，煙氣的流動方向與人員疏散方向相同時，極易造成局部空間缺氧或被有毒的煙氣彌漫，大量有毒煙霧和能見度下降給疏散和救援工作造成困難。

因此，本文通過對地下車站列車站臺火災的發生、燃燒過程中煙氣的擴散作用機制、范圍和影響進行研究，以獲得相關事故性情況下煙氣產生及運作的規律，以對車站結構與通風系統設計的合理性進行評估并指導車站的火災應急管理工作。

2 火災數值模擬研究方法

本次火災數值模擬分析研究將采用大渦場模擬軟件FDS version 5.3.0進行數值模擬分析。

FDS原理是火災的場模擬計算，場模擬是利用計算機求解火災過程中狀態參數的空間及其隨時間變化的模擬方式。場是指狀態參數如速度、溫度、各組分的濃度等空間分布。場模擬的理論依據是自然界普遍成立的質量守恒、動量守恒、能量守恒以及化學反應的定律等。火災過程中狀態參數的變化也遵循著這些規律，因而可以用場模擬方法求解火災過程。FDS通過大渦模型對連續方程、動量、能量方程以及壓力收斂方程進行求解，可得到溫度、壓力、氣體成分、可見度等參數的空間分布。

本次火災數值模擬分析列車在站臺區域發生火災情況下，在規定的排煙送風模式下，著火層內煙氣橫向流動和不同站層間的煙氣縱向蔓延規律，分析排煙送風設計方案是否可以確保樓梯開口形成臨界向下空氣流速，阻止煙氣向上層站廳蔓延。

3 火災數值模型的建立

3.1 車站及隧道結構模型

考慮到福州城市軌道交通1號線車站及區間的典型性，本次火災數值模擬以二層式地下標準車站作為模擬對象。

車站為地下二層島式車站。地下一層為站廳層，設4個出入口直通地面：地下二層為站臺層，中部為站臺層公共區，兩端為設備管理用房。站臺至站廳布置2組樓、扶梯和1臺垂直電梯，每組樓扶梯開口面積約50 m²。樓梯口設置擋煙垂壁。站廳至地面設置4個出入口和1臺垂直電梯。站廳層公共區及站臺公共區裝修后有效凈高均為3m，有效站臺長度120m，島式站臺寬12m，站臺面距軌道頂面高度1.05m。

站臺中間設有800x800mm的立柱，車站沿站臺邊緣設有屏蔽門，屏蔽門總高度為3m，其中玻璃部分高度為2.2m，上部0.8m為鋼結構，屏蔽門的總長度為113.1m。

列車按照6輛編組，全長約為118m，寬度為2.8m，高度為3.8m。

地下車站模擬俯視圖見圖1。

3.2 通風排煙系統模型

車站公共區設有通風排煙系統，站臺及站廳排煙風量均分別按60m³／m²·h計算；通風口尺寸600x400mm，風口數量全站臺總計約80個，風口間距2.5m。車站兩端隧道通風系統，每端配置有相互備用的隧道風機兩臺，每臺流量60m³／s，風道面積20m²；

車站隧道通風系統包括軌頂及站臺下排風系統，每單側軌頂排風量24m³／s、站臺下排風量16m³／s，排風口布置長度與列車長度相同。

3.3 列車站臺火災工況模型

計算時列車火災模擬按每輛車5MW，一次列車火災規模按每小時燒毀1.5輛車計算，因此，計算的火災規模為7.5MW。長度范圍約為30m，火災曲線按10min達到峰值考慮(見圖2)。模擬計算列車中部位置處發生火災，一定范圍的屏蔽門破裂，假設為1.5輛車廂長度。

起火列車停在車站時，開啟區間隧道排煙(60 m³／s)、車站隧道排煙(40 m³／S)，其中軌頂排煙(24m³／s)、站臺下排煙(1 6m³／S)。由于人員疏散需要，起火側屏蔽門打開，同時考慮列車火災會導致屏蔽門破裂(假定為著火車廂長度)，因此需打開站臺排煙風機(24m³／S)，同時關閉站廳排煙，關閉空調送風系統。計算區域網絡為368640。采用局部網格加密。

3.4 研究方向

1)研究現有排煙量和運行模式下，車站列車火災、站臺行車火災時，是否有煙氣向站廳蔓延，以便對原排煙方案進行優化。

2)研究排煙設計方案和排煙量是否足夠，保證站廳到站臺的樓梯和扶梯口處具有≥1.5m／s的向下氣流。

3)分析現有排煙量和運行模式下，站臺火災時煙氣是否沉降到危險高度。

4)按照《地鐵設計規范》第19.1.19條要求，出口樓梯和疏散通道的寬度，應保證在遠期高峰小時客流量時發生火災的情況下，6min內將一列車乘客和站臺上候車的乘客及工作人員全部撤離站臺。

4 模擬分析結果

1)從列車站臺火災模擬結果來看，區間隧道通風系統起組織氣流作用，軌頂排煙對車站隧道煙氣起主要排煙作用。

2)列車火災分析站臺危險高度處的煙氣特征參數變化，可以看出：6分鐘內，煙氣基本被軌頂排煙和站臺下排煙排出，列車火災產生的煙氣在380s左右開始進入站臺區，故火災情況應確保人員在此之前疏散到安全區域。

3)車站列車火災和站臺火災發生后，由于通風排煙系統的抽排，樓(扶)梯開口處的流速不小于1.5m／s，可滿足《地鐵設計規范》的要求。