地下雙層島式中庭挑空地鐵站火災人員疏散實驗研究

摘要 文章為了研究在中庭挑空這類異形結構地鐵站發生火災時人員疏散的路徑，以地下雙層島式中庭挑空地鐵站為研究對象，采用了小工況全尺寸實驗的方法。全面實驗中在站廳和站臺層分別設計了三種火災場景，在公共區域放置了一系列的實驗儀器，通過數據分析危險高度處的煙氣溫度。結果表明，火源功率與危險高度處溫度溫升成正相關。通過危險高度處的溫升，可以提前判斷在不同位置與工況下發生火災后的危險程度，為乘客提供無煙逃生路線。

關鍵詞 火災場景；熱煙實驗；危險高度溫度；疏散路徑

中圖分類號 TU998.1 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）08-0174-03

0 引言

截至2022年底，中國內地累計有55個城市投運城市軌道交通，運營線路達10 291.95 km，其中地鐵8 012.85 km，占比77.85%。2022新增的運營車站有622座，這些換乘車站的形式包括平行車站、“T”形車站、“L”形車站等。雖然城市軌道交通在我國發展勢頭較快，并且在未來很長一段時間將繼續保持迅猛的發展速度，但是從目前來看，全國很多車站都存在嚴重的消防安全隱患。地鐵火災事故發生頻率較高，并且災情十分嚴重，容易造成重大人員傷亡。造成人員傷亡的通常是吸入危險煙霧，而不是火災事故中燃燒的火焰。這是由于位于地下的地鐵站客運量大、空間結構復雜且具有密閉性，一旦發生火災，其引起的煙霧會聚集成高濃度的有毒氣體或缺氧使人直接中毒或窒息，而且因煙霧的遮光作用使能見度降低，使人逃生困難被困于火災區。因此，對火災發生后的煙氣控制進行研究，分析最佳人員逃生路線具有重要意義。

1 地鐵火災研究現狀

國內外學者對地鐵的火災煙氣控制進行了許多研究。其研究方法包括全尺寸實驗、縮尺模型、數值模擬。雖然縮尺模型與數值模擬的方法都具有節省費用的優點，但是其數據未在最真實情況下得出，而全尺寸實驗可以被假定為真實狀態情況，因此它可以提供這三種方法中最為有效的數據。Gutiérrez-Montes[1]通過全尺寸與FDS模擬的方法研究了排氣扇的壓降和進氣口的氣流對壁溫測量值的影響，并將實驗結果與模擬結果進行比較，顯示出良好的一致性。Weng[2]等通過全尺寸與FDS模擬的方法進行具有開口的地鐵隧道煙霧運動和煙霧控制的三種不同工況火災試驗，得出FDS仿真結果和實驗結果中隧道天花板下沿縱向溫度分布相對一致。

為了給地鐵火災事故中的乘客疏散提供全面準確的技術支持，通過全尺寸實驗，分別獲得了站廳和站臺層不同火焰功率下危險高度處溫度的火災參數，并對實驗數據分析后得出乘客的最佳疏散路線。這項工作將為具有中庭設計的雙層島式地鐵站在火災發生時疏散乘客提供全面、客觀、準確的技術支持。

2 全尺寸熱煙實驗

2.1 地鐵站概況

圖1說明了地鐵站的布局。全長219.1 m。地下第一層（B1）和第二層（B2）寬度分別為28.9 m和20.9 m。車站采用雙層島式設計，基本功能單元為2個出入口、2個安全出口。中庭區域為開敞空間，自上而下總高度為11 m。平臺寬10 m，有效平臺長150 m，全封閉屏蔽門長144 m。圖1（a）中紅色線條表示站廳頂棚設置4條排煙風道。每個風管下方有6個通風口，共24個，用紅色矩形框表示。另外6條送風風道布置在（火災時切換為排煙通風管道）列，其中4條設計有14個新風口，共計56個。后2個風管下方各有20個新風口，共計40個。如圖1（b）所示，平臺層頂棚內有2個送風風道（火災時切換為排煙通風管道），每個風道下有16個新風口，共計32個。圖1（a）和（b）中，新風管和新風出口分別用綠色和黑色標記。實驗采用兩種排煙模式：站廳排煙和西站臺排煙。站廳層的排煙為開啟站廳層兩側的排煙風機和反向送風風機，西側站臺層的排煙為開啟站臺層西側的排煙風機和反向送風風機。

2.2 實驗方法

全尺寸實驗中，采用了1.5 MW、0.34 MW和0.7 MW三種不同的火源功率，相對較低的火源功率是為了不損壞地鐵站，不危及實驗人員的安全。火源設置在3個不同位置，分別對應編號A-1、B-1、C-1。相對較小的火源功率是為了不破壞建筑物和內部設施設備以及不會危及實驗人員的安全。火源被設置在三個不同的位置，分別標記為火源A、B、C，如圖1所示。火源A總高度位于站臺層中庭中心，距頂部垂直距離為11 m，距兩側立柱水平距離為4 m，距玻璃屏蔽門水平距離為5 m。火源B位于同層西側，距地面4.7 m，距天花板3 m，每側柱距水平距離2 m，距玻璃屏蔽門5 m。火源C位于站廳層西側的開放出入口區域中心，水平距離周邊立柱5 m。點火后30 s開啟排煙模式。

由于燃燒酒精產生的煙霧幾乎是不可見的，因此采用標準的煙霧發生實驗裝置，參照GA/T 999—2012（防排煙系統性能現場驗證方法熱煙試驗方法）[3]。實驗過程中，在火源上方搭建鋼架和石膏板（6 m×6 m），防止高溫對火源附近的設施和頂棚造成破壞。此外，火源附近的立柱和玻璃幕墻被防火毯覆蓋，地板在燃燒托盤下方用石膏板等保溫材料保護。

熱電偶用于測量各種火災條件下的溫度分布，如圖1所示。站廳內設置10組熱電偶束，標記為圖1（a）中的B1-T1～B1-T10。每個束上布置8個聚四氟乙烯熱電偶（0～127 ℃，±0.112 5 ℃），如圖2（c）所示。另外4組熱電偶束分布在從B2-T1～B2-T4的平臺上，如圖1（b）所示。每個熱電偶束上的8個測量點在垂直方向上等間距布置，測量不同垂直高度處的溫度，在圖2（c）中標記為B1-T2-1～B1-T2-8的兩個相鄰測點之間的距離為0.5 m。熱電偶通過無線傳輸將采集到的數據上傳至采集系統，完整的測量系統采用集成模塊化設計。

3 結果與討論

3.1 危險高度處煙氣溫度

地鐵發生火災時，最危險的逃生障礙是火源處的煙氣。這是因為一旦煙氣高度超過一定的閾值，能見度降低與一氧化碳濃度增加，為人員疏散增加困難，導致人員恐慌和踩踏事故的發生。《建筑防排煙系統技術標準》中將一定的閾值定義為“最小凈高”[4]。危險高度可按下式計算：

式中，Hq——危險高度（m）；H——建筑物樓層的垂直高度（m）。站廳和站臺的H分別為5.7 m和4.7 m，對應的Hq分別為2.17 m和2.07 m。

圖3（a）給出了圖1中標記為B1-T1～B1-T10和B2-T1～B2-T4危險高度處各區域的溫度變化曲線。該結果與中庭火源A的情況相對應。B1-T3、B1-T4和B1-T8區域溫度上升明顯，說明在600 s內該區域煙氣向下沉降至危險高度以下。其余區域B1-T1、B1-T2、B1-T5～B1-T7均在26～27.5 ℃的環境溫度范圍內波動。溫升較小是由于上方熱煙氣的熱輻射和煙氣沉降量較小的綜合影響。因此，在中庭發生火災時，最好的逃生路線是通過中庭兩側的扶梯或西側的樓梯到達站廳層，再通過最近的出口逃生。站廳南北兩側的人行道不利于疏散。

圖3（b）給出了工況C情況下危險高度處的溫度變化曲線。只有B1-T10區域表現出明顯的溫升，表明煙氣在600 s內向下沉降至危險高度以下。其余區域均在25.5～26.5 ℃范圍內波動。因此，當站廳發生火災時，最佳的逃生路線是通過中庭西側的扶梯或樓梯到達站廳層，然后立即通過北側人行道逃生至B出口，因為A出口和站廳南側人行道均不利于人員疏散。

圖3（c）給出了工況B危險高度處的溫度變化曲線。B2-T1和B2-T2區域在200 s后表現出明顯的溫度升高，表明在危險高度以下煙氣向下沉降。這是由于在開啟排煙時，西側平臺的樓梯成為補風口，B2-T1和B2-T2區域距離西側樓梯較近，樓梯間向下的補風進入阻礙了煙氣的流動，造成湍流，形成不規則擴散。其余高度的溫度分布在26～27 ℃內波動。因此，當站廳西側發生火災時，乘客到達站廳的最佳疏散路徑是通過中庭東側的扶梯，其次通過B出口逃生。

通過分析三種火災情況下不同區域危險高度處的溫度分布，除個別區域存在明顯的溫度升高外，大部分區域并未表現出明顯的溫度波動。

4 結論

該文對帶中庭的雙層島式地鐵車站進行了全尺寸火災實驗，針對三種不同的火災場景，分析和討論了重要的火災參數——危險高度處的煙氣溫度。研究的主要結論如下：

（1）在中庭發生火災時，最好的逃生路線是通過中庭兩側的扶梯或西側的樓梯到達站廳層，再通過最近的出口逃生。站廳南北兩側的人行道不利于疏散。

（2）當站廳發生火災時，最佳的逃生路線是通過中庭西側的扶梯或樓梯到達站廳層，然后立即通過北側人行道逃生至B出口，因為A出口和站廳南側人行道均不利于人員疏散。

（3）當站廳西側發生火災時，乘客到達站廳的最佳疏散路徑是通過中庭東側的扶梯，其次通過B出口逃生。

參考文獻

[1]Gutiérrez-Montes C， Sanmiguel-Rojas E， Viedma A， et al. Experimental Data and Numerical Modelling of 1. 3 and 2. 3 MW Fires in a 20 m Cubic Atrium. Building and Environment， 2009（9）： 1827-1839. https： //doi. org/10. 1016/j. buildenv. 2008. 12. 010

[2]Weng MC， Yu LX， et al. Full-scale Experiment and CFD Simulation on Smoke Movement and Smoke Control in a Metro Tunnel with one Opening Portal. Tunnelling and Underground Space Technology， 2014（42）： 96-104. https： //doi. org/10. 1016/j. tust. 2014. 02. 007

[3]防排煙系統性能現場驗證方法熱煙試驗法： GA/T 999—2012[S]. 北京：中華人民共和國公安部， 2012.

[4]建筑防煙排煙系統技術標準： GB 51251—2017[S]. 北京：中國計劃出版社， 2017.