自噴系統對地下三層島式換乘車站火災參數的影響

潘科，傅雪

(大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028)*

0 引言

隨著地鐵網絡化格局的形成，地鐵已成為主要的出行交通工具.截止2017年11月，大連地鐵1、2號線日均客流量已突破20萬人次，其中僅1號線的日均客流量已達到10.5萬人次，而根據大連地鐵集團客流預測，1號線二期開通后日均客流量可達18.6萬人次.在地鐵快速發展及地鐵客流量不斷增加的同時，對地鐵運營的安全也越發關注.圖1統計分析了城市軌道交通自20世紀70年代以來在火災、水災、爆炸等事故的比率[1- 2]，在所有的軌道交通事故中，火災事故約占64%.而地鐵一旦發生火災，在地鐵客流日益增加的今天，后果將及其嚴重，因此地鐵火災及其安全性研究是地鐵安全研究的重要領域.丁偉等[3]運用FDS軟件對某地鐵站臺進行仿真，計算分析了不同端門開閉模式對可用安全疏散時間等特征參數的影響，結果表明：端門開啟模式不利于煙氣的排出及人員的疏散.袁建平等[4]對開啟全部防煙分區和只開啟火源所在防煙分區兩種站廳火災排煙模式進行了研究，得出開啟站廳全部防煙分區進行排煙可以更有效地控制煙氣蔓延范圍和沉降高度.Jae S R等[5]通過火災模擬及逃生模擬，評估了屏蔽門及通風在地鐵火災中對保障乘客生命安全的作用.在地鐵列車火時，存在屏蔽門使乘客大約多350 s的逃生時間.而地鐵檢票閘機的存在，將增加人員逃生所需的時間.Shorab J等[6]通過CFAST和CFX軟件分析由火災引起的隧道中的溫度分布及速度分布得出：隧道內火源的位置對于隧道中的溫度分布及速度分布的準確性來說，是一個比較重要的因素.

圖1 地鐵事故分布圖

《地鐵安全疏散規范》(GB/T 33668—2017)首先以技術標準的形式明確了地鐵換乘車站在不同火災情況下的疏散時間要求，即“換乘車站在站臺列車火災和站臺公共區域火災的安全疏散時間應分段計算，且均需小于6 min”.火災條件下，火災煙氣的發展規律及其人員的逃生與諸多因素有關，本文通過對三層島式換乘車站發生站臺公共區域中部火進行火災數值模擬，探討地鐵車站在自動噴淋系統完好與失效情況下，火災特征參數，如火場溫度、能見度等變化情況，并探討其對人員疏散的影響.

1 地鐵火災數值模型的建立

1.1 火災模擬參數設置

1.1.1 火源設置

本文設置火災形式為站臺公共區域中部火災，假設為旅客行李著火.根據《上海市軌道交通乘客守則》第八條規定：乘客攜帶的行李重量不得超過23 kg，體積不得超過0.2 m3，長度不得超過1.7 m；北京地鐵則規定，乘客所攜帶行李長度不得超過1.8 m，寬高均不得超過0.5 m.考慮到地鐵換乘車站的特點和火災風險評價的危險最大化原則，將火源面積設定為1.8 m2.初始增長階段為t2火，火災功率曲線按450 s達到峰值考慮.

行李一般為纖維材料，設為中速增長火，CO生成率為0.038，煙氣生成率為0.075.穩定燃燒的火災功率設為2.5 MW.

1.1.2 空間網格分析

本文采用Multi-Mesh方法對火源區域、樓梯、站廳、站臺等區域進行設置空間網格.火源和樓梯區域設置邊長為0.25 m的正立方體網格，其他區域設置邊長為0.5 m的正立方體網格.

1.1.3 模擬場景設計

本文模擬2號線(地下三層)站臺公共區域行李火，設置3種火災場景，分別考慮火災自動噴淋系統全部失效、部分失效和全部啟用三種情況，如表1所示.

表1 模擬場景及參數設置

1.2 車站三維模型構建

根據大連地鐵某三層島式換乘車站的實際尺寸，采用PyroSim軟件構建其三維模型.大連地鐵各車站都采用耐火阻燃材料裝修，車站內的白色墻壁和頂棚都是A級不燃鋁板鋪設，表面是一層防滑涂層.當發生火災，鋁板不會起火.墻壁材料的熱交換屬性根據其裝修所采用的材料進行定義，該換乘站三層的數值模型如圖2所示.

(a)2號線站臺層(地下三層)(b)1號線站臺層(地下二層)(c)站廳層

圖2三層地鐵站層站臺—站廳層視圖

2 火災模擬及結果分析

2.1 火災自動噴淋系統全部正常啟用時的數值模擬分析結果

本文通過PyroSim軟件對表1中的場景分別進行模擬分析，限于篇幅，僅列出火災自動噴淋系統全部啟用情況下模擬結果.

對于2號線(地下三層)站臺公共區域中部火災，其煙氣的蔓延過程如圖3所示.100 s時火源處產生少量煙氣，同時有少量煙氣蔓延到1號線站臺層；300 s時煙氣擴散至站臺中部區域，而噴淋系統完全失效時，在該時刻煙氣已經完全覆蓋站臺中部區域；500 s時煙氣濃度增加但沒有擴大蔓延范圍，與噴淋系統完全失效相比，噴淋系統正常啟用下的煙氣擴散濃度明顯減弱，也減緩了煙氣向其他區域的蔓延.

圖3 站臺-站廳層火災煙氣蔓延過程側視圖

6 min時2號線站臺2 m高處的溫度分布和能見度情況如圖4所示.

(a)溫度分布 (b)能見度

圖4溫度分布和能見度情況

3 min時，2 m高處煙氣溫度除火羽流區外，基本保持34℃以內，能見度與溫度分布情況相似，能見度均在18.3 m以上.6 min時，2 m高處煙氣溫度除火羽流區外，基本保持40℃以內，在火源處、站臺右段處能見度已降至10 m以下.8 min時，2 m高處煙氣最高溫度為55℃，其他區域溫度均在34℃以下，站臺中部絕大部分區域能見度下降至10 m以下，站臺兩端能見度均保持在30.5 m.

2.2 三種場景下的對比分析

(1)煙氣層高度

噴淋系統全部失效時，地下三層火災煙氣層在前110 s內始終保持2 m，隨后50 s內急劇降低；地下二層火災煙氣層在前350 s內始終保持2 m，隨后150 s內火災煙氣層偶爾變化.噴淋系統部分失效和正常啟用時，地下三層煙氣層高度與全部失效相比，在110 s出急劇減低的時間較短；而部分失效時，地下二層站臺的煙氣層延緩100 s發生變化；正常啟用時，地下二層站臺煙氣層始終為2 m.

(2)火場溫度

三種場景下，地下三層的火場溫度出現明顯變化，地下二層的溫度變化更趨于平緩，限于篇幅，僅列出地下三層溫度變化圖，如圖5所示.由圖中可知，站臺層的溫度較噴淋系統失效時溫度明顯降低，噴淋系統能夠降低火場溫度.與噴淋系統失效相比，地下三層站臺的最高溫度比比噴淋系統失效時能夠下降20℃左右，而地下二層站臺的最高溫度比噴淋系統失效時能夠下降10℃左右.

(a)噴淋系統全部失效 (b)噴淋系統部分失效 (c)噴淋系統正常啟用

圖5地下三層溫度變化圖

(3)CO濃度

地下三層CO濃度最高值100×10-6，出現在場景3自動噴淋系統正常啟用時；地下二層站臺CO濃度最高值65×10-6，出現在場景1自動噴淋系統全部失效時.與自動噴淋系統失效相比，地下三層CO濃度稍有增加，這可能與可燃物的不完全燃燒程度增強有關，而地下二層樓站臺CO濃度降低了10×10-6左右，可以有效降低CO對人員疏散的影響.三種場景下地下三層CO濃度如圖6所示.

(a)噴淋系統全部失效 (b)噴淋系統部分失效 (c)噴淋系統正常啟用

圖6地下三層CO濃度圖

(4)能見度

能見度是火災中的重要參數，其數值大小直接影響人員正確逃生與否，在火災安全學中一般將10m作為危險來臨的臨界值，本文對表1中3種場景能見度變化規律的模擬結果如圖7所示，限于篇幅，僅列出噴淋系統正常啟用時的能見度圖.噴淋系統全部失效時，地下三層站臺能見度在150 s時開始下降，火災發生400 s后，能見度降到了10 m以下，進入危險狀態.地下三層站臺350 s左右開始能見度開始下降，并維持在10 m，整個火場的能見度能夠較長時間的處于安全范圍.與自動噴淋系統失效相比，地下三層的能見度提前約50 s達到10 m以下，而地下二層的能見度能長時間保持在10 m以上，便于人群安全疏散.

(a)地下三層

(b)地下二層

3 結論

(1)對于地下三層站臺公共區域的火災，自動噴淋系統能夠有效地抑制煙氣的擴散，減緩煙氣層的變化，有效較低站臺區域的溫度，提高地下二層站臺的能見度，同時降低其CO濃度，但也會增加著火層的CO濃度，降低其能見度;

(2)在地鐵的日常安全管理中，應定期對消防系統的維護，保證其處于正常狀態;

(3)在火災發生時，應盡快將人員疏散至非著火層等安全區域.