地鐵站火災煙氣運動及控制方法研究

孫鵬飛

(徐州市消防救援支隊，江蘇 徐州 221000)

0 引言

地鐵建設是緩解城市交通壓力、節約城市土地資源的有效手段，但同時也給消防工作帶來了一定的挑戰。地鐵站屬于人員密集場所，可燃物種類多、隨機因素復雜，一旦發生火災，人員疏散難度大，依據《地鐵設計規范》的相關要求，在遇到事故時人員在6 min內要全部疏散到安全區域，這就要求地鐵站防火設計需要盡可能地減緩煙氣下降的速度，以保證人員安全疏散。本文主要針對屏蔽門及扶梯開口處的風速對火災煙氣的影響進行研究。

1 研究方法

目前，FDS軟件是研究火災煙氣的重要手段，是由美國國家標準局(NIST)的防火實驗室開發，已經得到了國內外許多全尺寸火災實驗的驗證。FDS是基于場模擬的計算軟件，場模擬利用偏微分方程求解狀態參數的空間分布和隨時間的變化，模擬將研究區域劃分為若干個控制體，分別對其進行微分方程組的迭代求解，可較精確地預計出火災發生時的火場壓力、溫度、速度與煙流流動等火災物理數據。

為了使研究成果直觀表述，采用PyroSim軟件進行建模，該軟件可以直接導入DXF文件來創建3D模型，模型建立完成后可以直接在Pyrosim軟件界面上運行FDS，使用方便。

2 典型火災場景設定

本文假定火災發生在某車站站臺層，選取的火災形式為站臺行李火災，出于安全考慮，假設發生火災時2個行李箱同時著火，最大火源功率為721 kW。火源位于站臺層2部電動扶梯開口之間，如圖1所示。為了對地鐵站站臺火災的煙氣蔓延進行研究，本文共設計了3個計算場景，如表1所示，排煙量根據上一節的計算確定為1.2×105m3/h，共18個排煙口，站廳層自然補風。

圖1 層中部火源位置示意圖

表1 臺中部火災模擬場景及參數設置

3 模擬結果分析與研究

通過FDS模擬計算上述火災場景下煙氣層高度、豎向溫度分布及扶梯口處風速可以直接判斷人員的疏散條件是否可靠，具體分析如下。

3.1 煙氣層高度影響分析

圖2為各場景煙氣層高度隨時間的變化曲線，可以看出，發生火災初期煙氣層迅速下降，無論屏蔽門是否開啟，煙氣層下降速率基本相同。隨著火源的持續燃燒，火災場景1中，即站臺屏蔽門均關閉時，煙氣層高度下降至離地面3 m左右；火災場景2中，即開啟一側屏蔽門時，站臺的煙氣層高度下降至離地面3.3 m左右；火災場景3中，即站臺屏蔽門均開啟時，煙氣層下降至離地面3.5 m左右。可見，開啟站臺屏蔽門可以有效降低站臺火災時煙氣層的厚度。此外，從圖2可以看出，屏蔽門開啟越多，煙氣層高度的波動越大，這是由于開啟屏蔽門后，隧道和軌頂排煙系統開啟后引起煙氣層界面的擾動，在一定程度上破壞了煙氣層的層化現象，但總的來講，開啟屏蔽門可以有效降低煙氣層的厚度。

圖2 站臺中部火災屏蔽門開啟數量對煙氣層高度的影響

3.2 豎向溫度分布影響分析

圖3為煙氣層穩定時各場景火源正上方的煙氣溫度分布曲線，觀察可得起變化規律基本一致，均為隨著距地面高度的增加，煙氣溫度逐漸降低。在距地面0.5 m時，火源上方的煙氣溫度，即火羽流溫度，火災場景2的最高，火災場景3最低。可見，站臺發生火災時，打開一側屏蔽門會使火羽流的溫度升高，說明火源燃燒更加充分；當打開兩側屏蔽門時，火羽流溫度比不打開屏蔽門低很多，對人員疏散更有利。

圖3 火源正上方豎向煙氣溫度分布

3.3 扶梯口處風速影響分析

模擬時間內，各場景扶梯口處風速變化曲線如圖4所示，FT1開口處的風速均向下，說明站廳到站臺一直有向下的風速阻止煙氣向站廳蔓延，同時，可以發現開啟屏蔽門數量越多，穩定階段扶梯口風速越小；FT2開口處的風速，在火災初期階段均向下，由于其靠近火源位置，隨著火災的發展，煙氣溫度逐漸升高，扶梯口的風速逐漸轉變為向上，火災場景1在45 s時風速變向，火災場景2在96 s時風速變向，火災場景3在152 s時風速變向，風速變向后，可能會攜帶站臺火災產生的煙氣蔓延到站廳，影響人員的安全疏散；FT3開口同樣靠近火源位置，火災場景1和2也會出現風速變向的現象，但是當同時打開兩側屏蔽門時，樓梯口風速一直向下，對安全疏散有利；FT4開口處風速一直向下，但開啟屏蔽門后會減小風速的大小。因此，當站臺著火時，靠近火源位置的扶梯開口處的風速會改變方向，可能會攜帶煙氣向站廳蔓延，但開啟屏蔽門后，會增加變向的時間，開啟數量越多，風速變向所需時間越長，對人員疏散越有利；遠離火源位置的扶梯開口處形成的風速一直向下，開啟屏蔽門后，會減小風速的大小，屏蔽門開啟越多，向下的風速越小。但通過煙氣蔓延過程分析可以看出，雖然扶梯口處向下的風速變小，但煙氣層蔓延到站廳層的時間卻變長，因此開啟屏蔽門后可減小控制煙氣向站廳蔓延的臨界風速。

圖4 屏蔽門開啟數量對扶梯口風速的影響

4 結論

本文通過應用FDS模擬屏蔽門開啟數量對機械排煙效果的影響表明，當火源位于站臺中部時，開啟站臺屏蔽門后，降低了扶梯開口處向下的空氣流速，但是依然能延長煙氣向站廳蔓延的時間，還能有效降低煙氣層高度；但當僅開啟一側屏蔽門時，由于造成站臺氣流不平衡，火源上方的煙氣發生了一定的傾斜，造成火災煙氣在站臺一側聚集，從而導致該側的頂棚煙氣溫度和豎向煙氣溫度比不打開屏蔽門時還高；而開啟兩側屏蔽門時，就不會出現這樣的現象，屏蔽門均關閉時，既能降低頂棚煙氣溫度，又能降低豎向煙氣溫度，排煙效果較好，對人員疏散有利。