地鐵十字換乘車站全尺寸實驗研究:Ⅱ.站臺火災*

鐘茂華，陳俊灃，陳嘉誠，仇培云，溫曉虎

(1.清華大學 工程物理系 公共安全研究院，北京 100084；2.廣州地鐵集團有限公司，廣東 廣州 510330)

0 引言

隨著地鐵客運量的快速增長，8A編組列車在新建線路中使用愈加廣泛。8A編組地鐵的十字換乘車站側式站臺結構復雜，受換乘結構的影響，站臺沿縱向斷面面積明顯變化，站臺空間結構對煙氣擴散的影響值得關注。同時，站臺層防排煙措施的有效性對站臺乘客的安全疏散具有顯著影響。因此，開展8A編組地鐵的十字換乘車站側式站臺火災全尺寸實驗具有較高的應用價值。

目前，諸多學者采用數值模擬[1-6]、模型實驗[7]及全尺寸實驗[8-11]方法對地鐵站臺火災煙氣擴散特性和通風排煙模式[12-13]展開了研究，其中單線地鐵車站火災研究較多。在數值模擬方面，張茜等[1]通過數值模擬，分析了單線車站站臺火災情景下煙氣蔓延情況和通風排煙系統對煙氣的控制效果；何開遠等[2]對安設屏蔽門系統的三維島側混合地鐵站臺進行了火災數值模型，分析了樓扶梯口的煙囪效應和屏蔽門對煙氣擴散的阻隔作用；程奉梅等[3]對某側式地鐵站臺火災通風排煙模式進行了數值模擬，通過改變火源位置和排煙模式，分析了煙氣運動機理，得到了通風排煙的優化模式；石郎君等[4]構建了4種人員分布的站臺火災場景，分析了人員密度對樓梯口補風量、煙氣層厚度2個參數的影響。對于換乘車站，郝鑫鵬[5]針對某地鐵換乘車站開展了模型實驗和數值模擬研究，分析了不同防煙分區內煙氣的擴散規律，并提出了通風排煙優化模式；陳靜等[6]研究了某多層地鐵換乘車站的火災防排煙模式，分析了防煙空氣幕的柔性阻隔作用對煙氣控制效果的影響。在模型試驗方面，孟娜[7]通過搭建1:10地鐵車站火災實驗模型開展了站臺火災情況下擋煙垂壁設置方式對頂棚煙氣溫度分布影響的實驗研究，分析了站臺隧道火災時隧道和站臺空間內煙氣的流動特性。在全尺寸實驗方面，史聰靈等[8]開展了4節編組地下島式車站全尺寸熱煙測試實驗，研究了煙氣擴散特點、樓扶梯開口向下流速、有效疏散時間，分析了排煙量的非對稱性設計導致的煙氣非對稱流動特點；鐘委等[9]在某地鐵站側式站臺進行了熱煙試驗，并采用FDS對站臺排煙進行了數值模擬，提出了補風方式的改進意見；鐘茂華等[10-11]在高架換乘車站開展了全尺寸火災實驗，對煙氣擴散規律及控制方法進行了研究。

綜上所述，目前對于地下換乘車站全尺寸火災實驗的研究較少。本文通過在某8A編組地鐵十字換乘側式站臺公共區開展全尺寸火災實驗，分析了不同通風模式下的煙氣擴散速率、煙氣沉降高度、煙氣擴散范圍的變化規律，分析結果可為此類車站站臺防排煙設計及站臺乘客疏散策略提供技術支撐。

1 站臺概況

實驗地點為某地下兩線換乘車站[14]。該車站分為A線和B線，其中A線呈南北走向，B線呈東西走向，換乘形式為十字形側島換乘。地下2層為A線站臺層和B線中間層，A線站臺為側式站臺，站臺有效長度186 m，由于換乘結構需要，站臺沿南北方向分為3個區域，如圖1所示，Ⅰ區站臺寬度為10 m，Ⅱ區站臺寬度為4 m，Ⅲ區站臺寬度為14 m，A線站臺與B線中間層在Ⅱ區內通過甲級防火門分隔。

在A線站臺Ⅲ區，布置有3部扶梯、1部樓梯，共2組樓扶梯，分別編為1#樓扶梯和2#樓扶梯。在站臺南門兩端分別設有端門，實驗時端門處于開啟狀態。

圖1 換乘車站站臺層平面Fig.1 Planar graph of platform floor in transfer station

2 實驗設計

2.1 測點布置

實驗主要測量煙氣溫度和風速，如圖1所示。火源位于站臺Ⅲ區東西向中心面上。在火源東側5 m處，即1#樓扶梯和2#樓扶梯所在截面布置1組測溫電纜，共計12束；在火源西側5 m處，即端門所在截面布置1組測溫電纜，共計20束；每束測溫電纜上共有8個測點，電纜的頂端測點位于站臺層頂棚下方10 cm處，各測點沿豎直方向排列，間隔為50 cm，溫度測點布置的剖面圖如圖2所示。對于風速測點，在南北側端門豎直中心線上選取0.5，1和1.5 m共3個不同的高度測量端門斷面風速。

圖2 溫度測點剖面圖Fig.2 Profile of temperature measurement points

2.2 工況設計

本文共設計了2組不同通風模式下的A線站臺Ⅲ區火災實驗，研究站臺層自然通風和機械通風模式下的火災煙氣擴散規律。站臺層機械通風為頂部排煙，排煙口以5 m間隔均勻布置在站臺公共區域。實驗采用甲醇燃料作為火源，火源功率約為0.5 MW，實驗工況如表1所示，圖3為實驗現場圖片。

圖4為站臺實驗過程中不同通風條件下南側端門和北側端門處風速，風速方向均為由南至北，表明A線站臺存在由南向北的自然風。在機械通風條件下，南北兩側端門風速波動顯著大于自然通風工況。在南側端門處，自然通風條件下風速約為0.5 m/s，機械通風條件下風速顯著增大；在北側端門處，自然通風條件下風速約為0.4 m/s，機械通風條件下風速顯著減小，說明頂部排煙作用下南側端門進入站臺區的新鮮補風風流增加，北側端門排出的風流減少。

表1 實驗工況Table 1 Experimental conditions

圖3 現場實驗示意圖Fig.3 Schematic diagram of field experiment

圖4 不同通風模式下端門風速Fig.4 Wind speeds of end door under different ventilation modes

3 實驗結果與分析

3.1 煙氣擴散速率

在全尺寸現場實驗過程中，常用溫升梯度法判斷煙氣擴散位置[15]，考慮測量誤差的影響，一般以溫升持續高于2℃作為煙氣擴散至該處的臨界判據[14]。各溫度測點溫升達到2℃的時間則記為煙氣前鋒到達時間。

圖5為煙氣擴散至站臺各測點的時間，采用各測點位置頂棚溫升來表征煙氣擴散規律，溫度上升的起始時間為煙氣前鋒擴散至該位置的時間。煙氣向北側的擴散速率略高于南側，說明在站臺層存在由南向北的自然風，這與南北側端門風速測試的結果一致。在火源西側，機械通風條件下煙氣擴散速率顯著低于自然通風，在火源東側，2種通風模式下的擴散速率變化不大，這主要是由于火源東側兩端為實體建筑，空間相對封閉，而火源西側兩端與南北兩側端門相連，煙氣流動相對暢通，因此通風作用對風流的影響更加明顯。在火源西側，煙氣向北端的擴散距離為51.1 m，向南端的擴散距離為58.5 m；在火源東側，煙氣向北端的擴散距離約為42.1 m，向南同樣擴散至58.5 m。擴散范圍均位于站臺Ⅲ區之內，未影響到站臺Ⅰ區和Ⅱ區，即煙氣未擴散至B線路站臺中間層。

3.2 煙氣沉降高度

防排煙設計中以最小清晰高度作為安全高度，最小清晰高度一般按GB51251-2017《建筑防煙排煙系統技術標準》[16]規定的公式計算，如式(1)所示。

Hq=1.6+0.1H′

(1)

式中：Hq為最小清晰高度，m；H′為排煙空間的建筑凈高度，m，本文的站臺凈高度為4.3 m，根據式(1)計算可得，站臺區域的最小清晰高度為2.03 m。當煙氣層高度高于最小清晰高度時，對于人員安全疏散影響較小。

火災煙氣在擴散過程中分為上下2層，分別為上部熱煙氣層和下部新鮮空氣層，煙氣層高度是表征煙氣沉降及其危險性的重要參數。受空氣摻混和車站構筑物等因素的影響，熱煙氣層和新鮮空氣層之間存在過渡區域，無顯著邊界。針對該情況，采用NFPA-92B[17]中建議的百分比法來確定煙氣層高度[11]，該方法通過測量豎直方向溫度數據，利用式(2)求得煙氣過渡邊界的溫度：

Tn=Cn(Tmax-T0)+T0

(2)

式中：Tn為煙氣層與空氣層分界面的溫度，℃；Tmax為豎直方向最高溫度，℃；T0為環境溫度，℃；Cn為百分比常數，當Cn取值為0.8～0.9時，則該處表示熱煙氣層與過渡層的分界面，當取值為0.1～0.2時，表示過渡層與新鮮空氣層的分界面[11]，本文中2者取值分別為0.8和0.2。

通過式(2)計算火源燃燒穩定階段各測點位置的無量綱溫升(Cn)，并根據測點空間坐標繪制自然通風和機械通風條件下各截面的無量綱溫升云圖，如圖6和圖7所示。在不同截面上，火源東側煙氣層高度(Cn=0.8)和火源西側基本持平，說明在站臺東西方向上的風流對煙氣擴散的影響較小。圖6中可以看出，自然通風條件下，火源東側的煙氣層高度介于3.2～3.8 m之間，火源西側的煙氣層高度介于3.4～3.8 m之間。在機械通風條件下，如圖7所示，火源東側的煙氣層高度介于3.1～3.8 m之間，火源南側的煙氣層高度介于3.4～3.7 m之間，說明站臺層機械通風對于煙氣層高度的影響不明顯，且各工況下煙氣層高度均高于最小清晰高度。

圖6 自然通風條件下無量綱溫升Fig.6 Dimensionless temperature rise under natural ventilation

圖7 機械通風條件下無量綱溫升Fig.7 Dimensionless temperature rise under mechanical ventilation

煙氣與空氣摻混的過渡層下邊界(Cn=0.2)高度與煙氣層高度的規律類似，火源東西側不同截面下邊界高度基本相等，機械通風對于下邊界高度影響不明顯。在遠離火源區域，如圖6(a)中距火源南側35 m以外，煙氣沉降至最小清晰高度以下，這是由于煙氣在站臺頂棚擴散過程中卷吸了大量新鮮空氣，熱損失導致煙氣溫度不斷降低，煙氣浮升力減小，沉降高度降低。

3.3 煙氣擴散范圍

在3.2中使用百分比法判定煙氣層高度，由式(2)可以看出，該方法繪制的等勢線圖受豎直方向最高溫升的影響較大，在圖6(b)和圖7(b)中可以看到火源附近的無量綱溫升存在突然升高，主要由于火源附近直接受到火焰的熱輻射作用，使得該處豎直方向下部空間溫度相對頂棚溫度較高。

為了更全面地表征煙氣的沉降高度和擴散范圍，采用各截面溫升云圖進一步說明。圖8和圖9分別表示自然通風和機械通風條件下的煙氣溫升分布(南北方向)，煙氣擴散至該處的判據為溫升高于2℃。在不同的通風條件下，火源東側溫升略高于西側；在火源西側，煙氣在火源北側的擴散距離約為50 m。圖8表明火源東側煙氣沉降高度低于最小清晰高度的范圍是長度為53 m的空間(火源北側21 m至火源南側32 m)；火源西側該范圍約為50 m(火源北側14 m至火源南側36 m)。火源西側測溫截面位于南北側端門通風截面上，而火源東側測溫截面兩端相對封閉，火源西側測溫截面煙氣與新鮮風流的摻混作用高于火源東側，因此，火源西側煙氣對流換熱量高于火源東側，使得火源西側截面溫度更低，煙氣擴散的范圍更小。

機械通風條件下，如圖9所示，火源東側煙氣沉降高度低于最小清晰高度的范圍是長度為32 m的空間(火源北側16 m至火源南側16 m)；火源西側該范圍約為26 m(火源北側12 m至火源南側14 m)。圖8和圖9表明機械通風能夠有效控制煙氣擴散和沉降范圍。

圖8 自然通風條件下站臺層煙氣層溫升Fig.8 Temperature rise of smoke layer at platform floor under natural ventilation

圖9 機械通風條件下站臺層煙氣層溫升Fig.9 Temperature rise of smoke layer at platform floor under mechanical ventilation

圖10～12分別表示自然通風和機械通風條件下站臺層3部樓扶梯所在截面的煙氣溫升分布。從圖中可以看出，煙氣擴散至1#樓扶梯和2#樓扶梯處，3#樓扶梯處無溫升。機械通風能夠有效降低樓扶梯豎直方向溫度。1#樓扶梯處溫升顯著大于2#樓扶梯，當該位置站臺火災發生時，宜引導乘客從3#樓扶梯和2#樓扶梯向站廳層疏散。

圖10 1#樓扶梯處豎直方向溫升Fig.10 Temperature rise in vertical direction at 1# escalator

圖11 2#樓扶梯處豎直方向溫升Fig.11 Temperature rise in vertical direction at 2# escalator

圖12 3#樓扶梯處豎直方向溫升Fig.12 Temperature rise in vertical direction at 3# escalator

4 結論

1)A線路站臺發生0.5 MW規模火災時，煙氣未擴散至B線區域，十字換乘車站站臺的斷面面積沿煙氣擴散方向的縮小使得大部分煙氣蓄積在斷面面積較大的站臺區域，斷面面積的縮小有效抑制了煙氣的縱向擴散。

2)綜合采用百分比法和溫升法來分析測試站臺火災的煙氣擴散規律。通過百分比法分析可以看出，在本文開展的0.5 MW規模火災實驗中，機械通風開啟對于煙氣層高度的影響不明顯，火源功率更大時的煙氣控制效果需進一步研究；溫升法表明，機械通風能夠有效控制煙氣擴散速率、煙氣擴散和沉降的范圍，在火源東側，機械通風將煙氣沉降至最小清晰高度的范圍由53 m縮減至32 m，在火源西側，該范圍由50 m縮減至26 m。