噴淋和排煙系統對地鐵站臺火災的影響研究

彭溢悅 秦華禮

(東北大學資源與土木工程學院 沈陽 110819)

0 引言

地鐵站普遍建于繁華區域的地下，一旦發生火災，短時間內容易造成大量煙氣聚集，同時高溫、熱輻射以及產生的有毒氣體會對人員和設備造成較大影響，尤其是火源頂部最易受到高溫和熱輻射的破壞，給災后重建和修復造成很大阻礙。地鐵滅火設施中使用較多的有自動噴水滅火系統(即噴淋系統)和排煙系統。我國《地鐵設計防火標準》中明確規定了站內排煙系統的排煙量標準；自動噴水滅火系統可以有效撲滅初期火災，因此也得到廣泛的使用。

自地下軌道投入使用以來，國內外曾發生多次地鐵事故，學者們針對地鐵火災展開了大量的研究，主要方法有小尺寸試驗和數值模擬。鐘茂華等[1-3]建立了1∶10的小尺寸試驗模型，對不同換乘形式車站進行火災場景模擬和危險參數測量；TEODOSIU C I等[4]分析了不同的通風模式對人員疏散的影響；朱常琳等[5]采用FDS數值模擬，研究了車廂內部著火時不同的排煙道高度、排煙風速、排煙口開啟個數對隧道內煙氣控制的影響，同時綜合考慮了排煙效果和挖掘成本；程學慶等[6]對地鐵屏蔽門夾人事故進行了分析，提出對紅外探測系統和警示燈進行改進以減少事故；ROH J S等[7]通過火災逃生模擬，評估了地鐵屏蔽門及通風在地鐵火災中對人員疏散的影響，在地鐵列車發生火災時，屏蔽門使乘客的逃生時間多出約350 s；王暨璇等[8]研究了地鐵站火災工況下風口相對風管位置設置和風口尺寸對地鐵站廳層火災煙氣流動的影響,得到風口位置位于風管上部的效果優于側部和下部的，通風量一定時,不同風口面積對煙氣流動影響較小;丁謝鑌等[9]通過對某場所火災中CO濃度變化情況進行數值模擬分析，對各項改進措施的改善程度進行比較，結果表明，CO濃度超標是造成人員大量傷亡的主要原因，在室內設置自動水噴淋系統也能對火災起到較好的抑制作用。在關于地鐵火災時噴淋和排煙系統等防火設施對站臺的影響方面，相關文獻較缺乏。地鐵站站臺高度一般在4～5 m，在站臺頂棚下方要布置大量的設備如排煙管道、送風管道、照明設備等，一旦地鐵站內發生火災，高溫煙氣就可能對頂棚下方的各種設備造成破壞。如果火源功率較大，火焰甚至會直接灼燒到站臺頂棚，對站臺的結構產生破壞性影響，因此研究火災時頂棚的溫度十分必要。筆者以沈陽某新建地下二層島式車站為原型，基于FDS數值模擬方法建立等比例模型，分析在不同火源位置下，噴淋和排煙系統的開啟對火災發生時站臺頂棚和2 m高度處的影響，為地鐵站防火措施及火災時人員疏散方案提供參考。

1 構建幾何模型

以沈陽某新建地鐵站為例，該站為標準地下二層島式車站，站臺層高度為4.7 m，長度為120 m，寬度為12 m，兩側隧道寬度各為4 m；站廳層高度為5.3 m，長度為120 m，寬度為20 m；站臺至站廳之間有3組樓梯，包括兩側2部上行自動扶梯、2部樓梯，中部設有1部樓梯。根據《地鐵設計防火標準》要求，火災時運行方向與人員疏散方向一致的扶梯可以兼做疏散用，且同一組扶梯和樓梯坡度相同，模擬時將扶梯簡化為樓梯；車站公共區共劃分為2個防火分區，其中站廳層和站臺層各為1個防火分區，每個防火分區劃分為2個防煙分區，站廳層至地面有4個出入口通道；站臺層公共區的樓、扶梯口周圍設有擋煙垂簾，垂簾高度為0.5 m。

2 模型設置

2.1 火源設置

根據《地鐵設計防火標準》要求，車站公共區小型火災火源功率為1.0～2.5 MW，如行李或小型商鋪的火災，模擬場景考慮燃燒物主要為乘客行李，由木材、尼龍、泡沫塑料等組成，考慮有乘客攜帶較多或較大行李的情況，火源功率取2.5 MW；站臺火災較站廳火災危險性更大、人員逃生更困難，火源位置分別取距站臺左側端部15 m處和中部樓梯與右側樓梯的中點處，如圖1所示，火源范圍為1 m×1 m，反應為聚氨酯燃燒反應[10]。

圖1 模型示意

2.2 網格設置

網格是FDS的最小計算單位，網格的大小決定了模擬的精度和時間，網格劃分按照FDS用戶指導手冊中的計算方法得到火災特征直徑，再根據火災特征直徑選定網格大小，計算得到火源特征直徑為1.38 m。研究表明，火災特征直徑與網格尺寸的比值建議在4～16。參考WENG M C等[11]對網格精度驗證計算的結果，采用多網格劃分方法，火源周圍網格尺寸取0.2 m×0.2 m×0.2 m，其余部分網格尺寸取0.5 m×0.5 m×0.5 m。

式中，D*為火災特征直徑，m；Q為火源熱釋放速率，kW；CP為環境空氣比熱容，1.014 kJ/(kg·K)；ρ∞為環境空氣密度，1.2 kg/m3；T為環境溫度，293 K；g為重力加速度，9.8 m/s2。

2.3 其他條件設置

根據《建筑防煙排煙系統技術標準》[12]要求，建筑空間凈高≤6 m的場所，其排煙量應按不小于60 m3/(h·m2)設置，因此車站總排煙量取4 800 m3/min，站臺層和站廳層頂部分布兩排排煙口，每個排煙口相距6 m，排煙口面積設為1 m×1 m。根據《自動噴水滅火系統設計規范》[13]要求，自動噴水滅火系統的噴頭啟動溫度為74 ℃，噴頭之間按邊長為3 m的正方形布置。

2.4 模擬工況設計

模擬火災發生時，隧道軌頂排煙關閉，開啟站廳層排煙，出入口和樓梯口設置自然通風，考慮在不同火災位置下，噴淋系統有效和失效、站臺排煙系統開啟和關閉8種不同組合的工況，具體設計如表1所示，模擬時間為6 min。

表1 工況設置

3 模擬結果分析

3.1 溫度場分析

不同工況下測得的溫度和距離的關系如圖2、圖3所示。由圖可知，隨著與火源距離的增加，溫度降低，在近火源側溫度下降迅速，遠火源側溫度下降緩慢。噴淋系統對頂棚處的降溫效果最好，可降低近100 ℃，樓梯口4.7 m高處溫度明顯低于周圍，這是由于樓梯口處存在向下氣流，且不易聚集煙氣，導致溫度較周圍的低。頂棚處的溫度總是高于2 m高度處的，原因是火災發生時，向上的火羽流受到頂棚阻擋后會向水平方向流動，同時向四周擴散。火源在位置1時，站臺層最高溫度為180 ℃；火源在位置2時，站臺層最高溫度接近350 ℃。

圖2 火源在位置1時站臺層溫度分布

圖3 火源在位置2時站臺層溫度分布

3.2 CO濃度分析

不同工況下測得CO體積分數與火源距離的關系如圖4、圖5所示。由圖可知，樓梯口處CO體積分數波動比較明顯，普遍較周圍的低，原因是在樓梯口位置有站廳層補風，且煙氣易擴散至站廳層難以聚集，從而導致CO體積分數比非樓梯口處的低。火源在中部時產生的CO體積分數最高接近0.15%，在端部時產生的CO體積分數最高接近0.09%。在排煙系統開啟時CO濃度較低，這是因為排煙系統在排出煙氣的同時帶走了CO，對減少CO濃度起到主要作用，而噴淋系統對改善CO濃度效果不明顯。

圖4 火源在位置1時站臺層CO體積分數分布

圖5 火源在位置2時站臺層CO體積分數分布

3.3 熱輻射通量分析

火災產生的強烈熱輻射會對周圍人員和設備造成損害，研究不同情況下的熱輻射通量變化，可為減少災害造成的損壞提供參考。熱輻射對人員和設備造成傷害的準則如表2所示[14]。

表2 熱輻射傷害準則

不同工況下，火源正上方高處熱通量差異較大，熱通量與火源距離關系如圖6、圖7所示。由圖可知，火源在位置1時，工況4熱通量最高；火源在位置2時，工況8熱通量最高，工況5熱通量最低。熱通量相差較大的原因是受不同位置周圍的影響，煙氣的運動和聚積方式不同而形成差異。

3.4 能見度分析

各工況火源所在縱剖面能見度如圖8、圖9所示。360 s時在4種工況下，火源周圍的能見度都為0 m。樓梯在一定程度上可以阻礙煙氣的擴散，離火源較近的一側能見度明顯小于另一側。排煙口開啟對能見度的改善效果較好，噴淋對能見度的影響不明顯。火源在位置2時煙氣擴散范圍比在位置1時更廣。

圖6 熱輻射通量與火源距離關系(工況1～4)

圖7 熱輻射通量與火源距離關系(工況5～8)

圖8 火源在位置1時站臺層能見度分布

圖9 火源在位置2時站臺層能見度分布

4 結論

(1)站臺層不同位置發生火災時，煙氣分布存在差異，火源位于中部時，煙氣更易擴散，影響范圍更廣。

(2)綜合考慮火災危險性，對比分析噴淋和排煙系統對CO濃度、溫度等的影響發現，在降低危險性方面，排煙系統的效果好于噴淋系統。

(3)距火源5 m內，頂棚的熱通量比2 m高度處的低；但距火源5 m外，頂棚的熱通量比2 m高度處的高。在噴淋和排煙系統的耦合下，最高可將火源正上方熱通量降低約10 kW/m2，將距火源較遠處熱通量降低0.02～0.04 kW/m2。

(4)不同工況下，火源周圍的能見度都為零或接近零，開啟排煙系統能在很大程度上改善整體能見度。