地鐵車站列車站臺(tái)火災(zāi)數(shù)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(zhǎng)約29.2km，擬全部采用地下線，共設(shè)地下車站24個(gè)。城市地鐵建設(shè)對(duì)于福建省來(lái)說(shuō)是一個(gè)全新的課題。有資料統(tǒng)計(jì)顯示，在地鐵運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)中，地鐵火災(zāi)事故占到地鐵各類事故總數(shù)的32％；火災(zāi)事故死亡人數(shù)占到各類事故死亡人數(shù)的67％。因此，如何避免和防范地鐵火災(zāi)事故是地鐵設(shè)計(jì)、建設(shè)、施工和運(yùn)營(yíng)的重點(diǎn)。

1 地鐵車站火災(zāi)事故的特點(diǎn)

據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，火災(zāi)事故中的傷害大部分是由火災(zāi)中產(chǎn)生的煙氣導(dǎo)致人員窒息引起的。而這種傷害在地鐵及地下車站火災(zāi)表現(xiàn)的更為突出。

地鐵火災(zāi)與地面或其它地下建筑火災(zāi)相比有其特殊性，其主要表現(xiàn)在在有限的空間內(nèi)，地鐵站臺(tái)和地鐵隧道內(nèi)燃燒產(chǎn)生的煙氣和毒害物質(zhì)的擴(kuò)散形成的人員傷亡。同時(shí)，地鐵系統(tǒng)人員密集，排除熱量困難，與外界的聯(lián)系主要為地下通道的出入口，因此比地面建筑火災(zāi)具有更大的危險(xiǎn)性，一旦發(fā)生火災(zāi)，損失往往十分嚴(yán)重。

1)地鐵車站客流量大，人員集中，一旦發(fā)生火災(zāi)，極易造成群死群傷事故。

2)地鐵系統(tǒng)內(nèi)因火災(zāi)報(bào)警及消防設(shè)施配置不完善，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)失效，電源斷電多種因素均可能在事故發(fā)生時(shí)影響撲救，造成事故擴(kuò)大。

3)地鐵系統(tǒng)內(nèi)，使用到大量的動(dòng)力電纜、通訊電纜；列車車輛下的系統(tǒng)中有電纜及電氣設(shè)備，車廂內(nèi)的車座、頂棚及裝飾材料部分為可燃性；乘客在乘坐地鐵時(shí)攜帶有可燃物，個(gè)別人員還可能攜帶有危險(xiǎn)化學(xué)物品。這些物品在燃燒時(shí)可能產(chǎn)生毒性氣體，加上地下供氧不足，燃燒不完全，煙霧濃，發(fā)煙量大；同時(shí)地鐵的出入口少，大量煙霧只能從一兩個(gè)洞口向外涌，與地面空氣對(duì)流速度慢，地下洞口的“吸風(fēng)”效應(yīng)使向外擴(kuò)散的煙霧部分又被洞口卷吸回來(lái)，容易發(fā)生地鐵內(nèi)人員窒息危險(xiǎn)。

4)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，煙氣的擴(kuò)散及人員逃生的方向均由下往上，煙氣的流動(dòng)方向與人員疏散方向相同時(shí)，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(jiàn)度下降給疏散和救援工作造成困難。

因此，本文通過(guò)對(duì)地下車站列車站臺(tái)火災(zāi)的發(fā)生、燃燒過(guò)程中煙氣的擴(kuò)散作用機(jī)制、范圍和影響進(jìn)行研究，以獲得相關(guān)事故性情況下煙氣產(chǎn)生及運(yùn)作的規(guī)律，以對(duì)車站結(jié)構(gòu)與通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行評(píng)估并指導(dǎo)車站的火災(zāi)應(yīng)急管理工作。

2 火災(zāi)數(shù)值模擬研究方法

本次火災(zāi)數(shù)值模擬分析研究將采用大渦場(chǎng)模擬軟件FDS version 5.3.0進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

FDS原理是火災(zāi)的場(chǎng)模擬計(jì)算，場(chǎng)模擬是利用計(jì)算機(jī)求解火災(zāi)過(guò)程中狀態(tài)參數(shù)的空間及其隨時(shí)間變化的模擬方式。場(chǎng)是指狀態(tài)參數(shù)如速度、溫度、各組分的濃度等空間分布。場(chǎng)模擬的理論依據(jù)是自然界普遍成立的質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒以及化學(xué)反應(yīng)的定律等。火災(zāi)過(guò)程中狀態(tài)參數(shù)的變化也遵循著這些規(guī)律，因而可以用場(chǎng)模擬方法求解火災(zāi)過(guò)程。FDS通過(guò)大渦模型對(duì)連續(xù)方程、動(dòng)量、能量方程以及壓力收斂方程進(jìn)行求解，可得到溫度、壓力、氣體成分、可見(jiàn)度等參數(shù)的空間分布。

本次火災(zāi)數(shù)值模擬分析列車在站臺(tái)區(qū)域發(fā)生火災(zāi)情況下，在規(guī)定的排煙送風(fēng)模式下，著火層內(nèi)煙氣橫向流動(dòng)和不同站層間的煙氣縱向蔓延規(guī)律，分析排煙送風(fēng)設(shè)計(jì)方案是否可以確保樓梯開(kāi)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(zāi)數(shù)值模型的建立

3.1 車站及隧道結(jié)構(gòu)模型

考慮到福州城市軌道交通1號(hào)線車站及區(qū)間的典型性，本次火災(zāi)數(shù)值模擬以二層式地下標(biāo)準(zhǔn)車站作為模擬對(duì)象。

車站為地下二層島式車站。地下一層為站廳層，設(shè)4個(gè)出入口直通地面：地下二層為站臺(tái)層，中部為站臺(tái)層公共區(qū)，兩端為設(shè)備管理用房。站臺(tái)至站廳布置2組樓、扶梯和1臺(tái)垂直電梯，每組樓扶梯開(kāi)口面積約50 m²。樓梯口設(shè)置擋煙垂壁。站廳至地面設(shè)置4個(gè)出入口和1臺(tái)垂直電梯。站廳層公共區(qū)及站臺(tái)公共區(qū)裝修后有效凈高均為3m，有效站臺(tái)長(zhǎng)度120m，島式站臺(tái)寬12m，站臺(tái)面距軌道頂面高度1.05m。

站臺(tái)中間設(shè)有800x800mm的立柱，車站沿站臺(tái)邊緣設(shè)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(jié)構(gòu)，屏蔽門的總長(zhǎng)度為113.1m。

列車按照6輛編組，全長(zhǎng)約為118m，寬度為2.8m，高度為3.8m。

地下車站模擬俯視圖見(jiàn)圖1。

3.2 通風(fēng)排煙系統(tǒng)模型

車站公共區(qū)設(shè)有通風(fēng)排煙系統(tǒng)，站臺(tái)及站廳排煙風(fēng)量均分別按60m³／m²·h計(jì)算；通風(fēng)口尺寸600x400mm，風(fēng)口數(shù)量全站臺(tái)總計(jì)約80個(gè)，風(fēng)口間距2.5m。車站兩端隧道通風(fēng)系統(tǒng)，每端配置有相互備用的隧道風(fēng)機(jī)兩臺(tái)，每臺(tái)流量60m³／s，風(fēng)道面積20m²；

車站隧道通風(fēng)系統(tǒng)包括軌頂及站臺(tái)下排風(fēng)系統(tǒng)，每單側(cè)軌頂排風(fēng)量24m³／s、站臺(tái)下排風(fēng)量16m³／s，排風(fēng)口布置長(zhǎng)度與列車長(zhǎng)度相同。

3.3 列車站臺(tái)火災(zāi)工況模型

計(jì)算時(shí)列車火災(zāi)模擬按每輛車5MW，一次列車火災(zāi)規(guī)模按每小時(shí)燒毀1.5輛車計(jì)算，因此，計(jì)算的火災(zāi)規(guī)模為7.5MW。長(zhǎng)度范圍約為30m，火災(zāi)曲線按10min達(dá)到峰值考慮(見(jiàn)圖2)。模擬計(jì)算列車中部位置處發(fā)生火災(zāi)，一定范圍的屏蔽門破裂，假設(shè)為1.5輛車廂長(zhǎng)度。

起火列車停在車站時(shí)，開(kāi)啟區(qū)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(tái)下排煙(1 6m³／S)。由于人員疏散需要，起火側(cè)屏蔽門打開(kāi)，同時(shí)考慮列車火災(zāi)會(huì)導(dǎo)致屏蔽門破裂(假定為著火車廂長(zhǎng)度)，因此需打開(kāi)站臺(tái)排煙風(fēng)機(jī)(24m³／S)，同時(shí)關(guān)閉站廳排煙，關(guān)閉空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)。計(jì)算區(qū)域網(wǎng)絡(luò)為368640。采用局部網(wǎng)格加密。

3.4 研究方向

1)研究現(xiàn)有排煙量和運(yùn)行模式下，車站列車火災(zāi)、站臺(tái)行車火災(zāi)時(shí)，是否有煙氣向站廳蔓延，以便對(duì)原排煙方案進(jìn)行優(yōu)化。

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

3)分析現(xiàn)有排煙量和運(yùn)行模式下，站臺(tái)火災(zāi)時(shí)煙氣是否沉降到危險(xiǎn)高度。

4)按照《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》第19.1.19條要求，出口樓梯和疏散通道的寬度，應(yīng)保證在遠(yuǎn)期高峰小時(shí)客流量時(shí)發(fā)生火災(zāi)的情況下，6min內(nèi)將一列車乘客和站臺(tái)上候車的乘客及工作人員全部撤離站臺(tái)。

4 模擬分析結(jié)果

1)從列車站臺(tái)火災(zāi)模擬結(jié)果來(lái)看，區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)起組織氣流作用，軌頂排煙對(duì)車站隧道煙氣起主要排煙作用。

2)列車火災(zāi)分析站臺(tái)危險(xiǎn)高度處的煙氣特征參數(shù)變化，可以看出：6分鐘內(nèi)，煙氣基本被軌頂排煙和站臺(tái)下排煙排出，列車火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣在380s左右開(kāi)始進(jìn)入站臺(tái)區(qū)，故火災(zāi)情況應(yīng)確保人員在此之前疏散到安全區(qū)域。

3)車站列車火災(zāi)和站臺(tái)火災(zāi)發(fā)生后，由于通風(fēng)排煙系統(tǒng)的抽排，樓(扶)梯開(kāi)口處的流速不小于1.5m／s，可滿足《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求。