地鐵同站臺高架換乘車站火災全尺寸實驗研究—(3)站臺火災*

鐘茂華，肖 衍，胡家鵬，張 磊，胥兵周，郝曉琨

(1.清華大學 工程物理系 公共安全研究院，北京，100084；2.北京市軌道交通設計研究院有限公司，北京，100068； 3.北京市軌道交通建設管理有限公司，北京，100068；4.中鐵一局集團建筑安裝工程有限公司，陜西 西安 710054)

0 引言

地鐵同站臺換乘車站一般為線路之間終點和起點的樞紐站點，該類型車站站臺的結構特點為斷面跨度大，頂棚高度隨斷面位置發生變化，在運營過程中，兩側站臺停靠列車中的所有乘客均會下車，在站臺進行換乘或通過站廳出站，因此站臺公共區的客流密度較大，此類大跨度站臺自然排煙措施對其火災安全性具有重要影響。

國內外相關學者對地鐵單線運營和兩線換乘的地下車站站臺火災防排煙措施開展了一系列研究。Manabu等[1]針對韓國大邱地鐵火災構建了站臺列車火災數值計算模型，對火災過程中各層樓扶梯處的煙氣溫度、毒性氣體濃度進行分析，從車站結構設計的角度提出了人員疏散措施；Jae等[2]開展了站臺隧道列車火災和人員疏散模擬研究，分析了屏蔽門形式和通風方式對車站內火災危險性的影響；孟娜[3]搭建了1∶10地鐵車站火災實驗模型，通過開展一系列實驗研究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的影響，以及站臺隧道火災時煙氣在隧道和站臺空間內的流動特性；張茜等[4]采用FDS軟件對某地鐵車站站臺火災的三維煙氣流場進行模擬，分析了機械排煙和擋煙設施共同作用下的煙氣控制效果；何開遠等[5]構建了北京地鐵某島側混合式地鐵站臺的火災數值計算模型，對煙氣和空氣的傳熱傳質過程、樓扶梯處的煙囪效應和煙氣擴散情況進行分析；陳靜等[6]對某地下三層換乘車站的火災防排煙模式進行數值模擬研究，重點分析了站臺樓梯口防煙空氣幕對煙氣控制效果的影響;石郎君等[7]采用FDS軟件對不同密度人員空間分布情況下火災煙氣擴散情況進行了數值模擬，分析了人員密度對補風量、煙氣層高度的影響。針對大空間建筑火災，張南燕等[8]構建了建筑面積1 000 m2，高度6 m的數值計算模型，分析了自然排煙作用下不同火源位置下的煙氣溫度和煙氣層高度；羅娜[9]構建了西安地鐵二號線行政中心站大空間中庭結構的火災數值計算模型，提出了利用自然通風和機械通風的不同組合模式進行煙氣控制的方法，并對通風口布置、風量等參數進行了優化研究；周志望等[10]利用FDS對尺寸為22.4 m×11.9 m×27 m(長×寬×高)的大空間建筑自然排煙和機械排煙條件下的豎直溫度分布和煙氣層高度進行對比，分析了不同排煙量下的排煙效率；顏艷等[11]在某大空間建筑內采用木垛開展了5 MW和10 MW的實體火災實驗，對煙氣豎向和橫向溫度進行了研究；毛少華[12]利用尺寸為22.4 m×12 m×27 m(長×寬×高)的大空間試驗廳對火災煙氣層高度進行全尺寸實驗研究，火源分別放置于試驗廳中央和側墻附近的小室內，結果表明，火源位置對煙氣溫度和煙氣層高度的發展過程影響較大，火源位于小室情況下的煙氣層高度明顯高于試驗廳中央位置火災；劉方[13]通過設計搭建1∶8中庭火災實驗模型，開展了自然通風和機械排煙作用下的煙氣填充實驗，發現火源靠近側壁時的煙氣沉降速度低于火源位于中庭中央位置的情況，相比于自然排煙，開啟機械排煙后煙氣層高度有所升高，且受排煙口布置方式的影響。針對狹長型空間的火災煙氣擴散時間，Li等[14]通過理論和實驗數據分析指出火源功率越大，煙氣擴散速度越快；Hu等[15]利用長88 m的地下狹長空間開展了0.8 MW和1.5 MW的火災實驗，采用能見度和溫度對煙氣前鋒擴散時間進行測量，通過觀察該實驗數據可發現煙氣擴散時間隨縱向距離近似呈線性增長，且煙氣擴散速度隨火源功率的增加而升高。

本文通過在某地鐵同站臺高架換乘車站的大空間站臺層區域開展全尺寸火災實驗，對不同火災功率下的煙氣擴散和沉降作用進行分析，研究結果可為此類結構站臺火災情況下自然排煙措施的優化、人員疏散和應急救援提供經驗模型和實體數據支撐。

1 實驗概況

該實驗在某高架換乘車站的站臺層開展，圖1為站臺的結構形式，站臺層包括兩平行布置的站臺公共區，有效長度118 m，寬度10 m，每側站臺通過2部樓扶梯與站廳層連通，頂部均設置有自然排煙窗，在日常運營中處于開啟狀態。

站臺層發生火災時，乘客和站務人員需通過樓扶梯疏散至站廳，再由站廳安全出口撤離車站。因此在實驗過程中將火源設置在南側站臺的西端樓扶梯處，模擬站臺部分疏散路徑被火災封堵的情況，在該位置共進行3組不同火災規模為0.25～1 MW的實驗，表1為站臺層實驗工況， 圖2為各組實驗的現場開展情況。站臺層實驗測試裝置布置平面圖見實驗設計[16]。

圖1 實驗站臺結構示意Fig.1 Sketch of experimental station platform

工況編號單個油盤尺寸/m油盤數量燃料厚度/mm列車運行模式通風方式第1組第2組第3組0.84×0.59×0.112420通過不停車通過不停車站內停靠的列車立即駛離車站自然通風

圖2 站臺層實驗現場情況Fig.2 Physical map of fire source in platform

2 實驗結果與分析

2.1 頂棚煙氣溫度

站臺層的橫斷面為大跨度空間結構，縱向長度為寬度的3.28倍，頂棚高度隨橫向位置發生變化，某一側站臺發生火災時，火羽流撞擊頂棚后在浮力的作用下繼續沿橫向運動至最高頂棚位置處，一部分煙氣通過排煙窗排出，另一部分煙氣形成橫向和縱向的頂棚射流，因此在不同橫向位置處的煙氣溫度縱向分布特征有所差異。

煙氣在縱向運動的過程中，通過對流換熱、熱輻射和空氣卷吸向頂棚壁面和下部空氣層損失熱量，其最高溫度分布一般為指數函數，表達式如式(1)所示[17]。

(1)

式中：ΔTmax和ΔT分別為火源附近和距火源縱向距離x處的最高溫度，℃；a,b和k為常數。

圖3～5分別為起火站臺8 m頂棚、6 m頂棚高度和未起火站臺8 m頂棚高度的溫度縱向分布，可見不同頂棚位置的煙氣溫度均能較好地采用指數函數表示，但溫度衰減速度特征和隨火源功率的變化情況有所不同。在起火站臺和未起火站臺的8 m頂棚高處，溫度縱向衰減速度隨火源功率的增加而減小，這與Hu[18]和Liu[19]在狹長形空間內的實驗研究結果一致。站臺排煙窗位于6 m頂棚高度的上方，在起火站臺6 m頂棚下方，未排出車站的煙氣沉降至該高度時已接近環境溫度，火源功率對該高度處溫度分布差異性的影響較小，如圖5所示，不同火源功率下該高度處溫度變化趨勢差異較小。表2為起火站臺8 m頂棚、6 m頂棚高度和未起火站臺8 m頂棚高度處的煙氣最高溫度經驗模型參數值。

表2 不同高度頂棚下方煙氣溫度分布經驗模型參數Table 2 Empirical model coefficients of smoke temperature with different ceiling height

圖3 起火站臺8 m頂棚下方煙氣溫度Fig.3 Temperature beneath 8 m ceiling in fire platform

圖4 未起火站臺8 m頂棚下方煙氣溫度Fig.4 Temperature beneath 8 m ceiling in another platform

圖5 起火站臺6 m頂棚下方煙氣溫度Fig.5 Temperature beneath 6 m ceiling in fire platform

2.2 煙氣層高度

在火災情況下，煙氣在擴散過程中會形成上部熱煙氣層和下部新鮮空氣層，煙氣層高度是表示煙氣沉降情況及其危險性的重要參數。圖6為站臺火災煙氣沉降情況，受空氣摻混、建筑結構的影響，煙氣層和下部空氣層之間往往存在過渡區域，其邊界難以通過現場觀察的方法確定。

針對煙氣分層情況分析，NFPA-92B[20]建議通過測量豎直方向溫度數據，采用百分比法確定煙氣層高度，計算方法如下式，本文中Cn取0.8。

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，一般取0.8～0.9。

圖7和圖8分別為1 MW火災規模時，起火站臺和未起火站臺8 m高度頂棚下方的豎直溫度分布，其中X=0 m為火源斷面處的豎直溫度分布，X>0 m和X<0 m分別表示火源斷面東側和西側區域。由于靠近頂棚部位的煙氣通過對流換熱損失了部分能量，因此最高溫度未處于最高熱電偶位置處，這與Zhong[21]和Yasushi[22]在狹長空間內的火災實驗研究結論一致。在煙氣擴散區域，隨著高度的下降，煙氣溫度逐漸下降，而在火源區域，如圖7中的X=0 m所示，由于在下部空間受到火焰熱輻射的影響，在高度3 m以下煙氣溫度呈現上升趨勢。通過提取Cn=0.8處溫度的所在高度可得1 MW火災規模時起火站臺煙氣層高度為7～7.45 m，未起火站臺的煙氣層高度為6.6～7.45 m。

圖6 站臺火災煙氣沉降情況(0.5 MW火源)Fig.6 Fire smoke descendent in platform(HRR=0.5 MW)

采用式(1)中的計算方法對0.25 MW和0.5 MW規模火源的煙氣層高度進行計算，圖9為站臺層煙氣層高度縱向分布情況，煙氣層高度受火源功率的影響較小，在火源斷面處煙氣層高度為7.5 m左右，隨著縱向距離的增加，煙氣層高度呈現下降的趨勢。這是由于火源斷面處煙氣溫度較高，且下部區域受到火焰熱輻射，導致煙氣浮力作用較為明顯，難以向下部區域沉降，煙氣在縱向擴散過程中不斷損失能量并卷吸空氣，溫度不斷降低，浮力作用不斷減弱，煙氣沉降作用逐漸加強。

圖10為未起火站臺煙氣層高度，該區域煙氣層縱向變化情況與起火站臺有所差異，火源斷面處的煙氣層高度較低，而火源斷面東側和西側的煙氣層高度呈現上升的趨勢。這是由于在火災過程中，火源斷面處由起火站臺橫向擴散至未起火站臺的煙氣質量流量較大，而在火源斷面東側和西側區域，起火站臺的煙氣浮力作用減弱，向未起火站臺橫向擴散的質量流量減小，同時部分煙氣在未起火站臺上方的自然排煙口排出，導致未起火站臺遠離火源斷面區域的煙氣質量流量降低，煙氣層高度較高，在防排煙設計中應考慮在溫度較高的區域降低煙氣流量，一方面可限制煙氣縱向擴散范圍，另一方面可減弱擴散一定距離后煙氣的沉降作用，因此在車站建筑和裝修條件允許的條件下應盡可能增大頂部排煙口面積實現這一排煙優化措施。

圖7 起火站臺8 m頂棚高度下方煙氣溫度豎直分布(4個油盤)Fig.7 Vertical temperature profile beneath 8 m ceiling in fire platform( 4 fuel pans)

圖8 未起火站臺8 m頂棚高度下方煙氣溫度豎直分布(4個油盤)Fig.8 Vertical temperature profile beneath 8 m ceiling in another platform( 4 fuel pans)

圖9 起火站臺煙氣層高度Fig.9 Smoke layer height in fire platform

圖10 未起火站臺煙氣層高度Fig.10 Smoke layer height in another platform

2.3 煙氣蔓延時間

在實驗過程中，通過記錄煙氣溫度出現溫升的時刻可對站臺不同部位的煙氣蔓延時間進行分析。圖11和圖12分別為起火站臺和未起火站臺煙氣蔓延時間，可見該參數隨縱向距離的增加呈線性升高趨勢，這與史聰靈等[23]在地鐵區間隧道開展的全尺寸火災實驗結果一致，在起火站臺和未起火站臺，隨著火源功率由0.25 MW增加至1 MW，煙氣縱向蔓延時間均為減小趨勢，煙氣蔓延速度增加，站臺層0.25 MW規模火災的煙氣蔓延速度為0.33～0.4 m/s，0.5 MW規模火災的煙氣蔓延速度為0.41～0.43 m/s，1 MW規模火災的煙氣蔓延速度為0.45～0.81 m/s，表3為不同火災規模和頂棚位置的煙氣蔓延時間經驗公式。

圖11 起火站臺煙氣擴散時間Fig.11 Smoke spread time in fire platform

圖12 未起火站臺煙氣擴散時間Fig.12 Smoke spread time in another platform

頂棚位置油盤數量經驗公式煙氣蔓延速度/(m·s-1)起火站臺8 m高度頂棚1t=3.01x0.332t=2.31x0.434t=2.22x0.45未起火站臺8 m高度頂棚1t=2.52x0.42t=2.42x0.414t=1.23x0.81

3 結論

1)同站臺高架換乘車站的大跨度站臺層發生火災時，頂棚煙氣溫度的縱向衰減速率隨著火源功率的增加而降低，起火站臺和未起火站臺不同頂棚高度下的煙氣最高溫度均呈指數分布特征。

2)站臺層不同部位的煙氣層高度受火源位置、頂棚結構和自然排煙的影響，起火站臺火源附近煙氣浮力作用較強，煙氣層高度較高，隨著縱向距離的增加，煙氣溫度逐漸降低，煙氣層高度逐漸下降, 火災危險性逐漸升高；未起火站臺火源斷面處的煙氣質量流量較大, 煙氣層高度低于起火站臺，火災危險性高于起火站臺，隨著縱向距離的增加，煙氣質量流量逐漸降低，煙氣層高度逐漸升高。站臺防排煙設計中,在建筑和裝修條件允許的范圍內應盡可能提高頂部排煙口總面積以降低火場中火源附近及縱向擴散的煙氣流量，從而最大程度地保障下部空間人員安全疏散。

3)在0.25～1 MW規模的火災場景下，站臺層煙氣擴散時間與縱向距離呈線性升高趨勢，起火站臺和未起火站臺的煙氣擴散速度為0.33～0.81 m/s。

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