重慶某地鐵車站防災系統全尺寸熱煙測試分析

陳怡樺 張 悅 杜 靈 王 勇

（1.重慶大學土木工程學院 重慶 400045；2.重慶市沙坪壩區消防救援支隊 重慶 400045；3.重慶重大建設工程質量檢測有限公司 重慶 400045）

0 引言

隨著地鐵的高速發展，地鐵防災系統的安全性越來越受到重視。為了分析和評估地鐵車站防災系統的安全性能，國內學者及研究機構紛紛開展了各種研究。史聰靈，鐘茂華，涂旭煒等人進行了模型試驗以及數值模擬的研究[1-3]。中國安全生產科學研究院在北京，廣州，深圳，成都，西安，哈爾濱和鄭州等城市對地鐵的防災系統進行了大量的全尺寸實驗[4,5]。田向亮，鐘茂華，陳俊灃等人對地鐵十字換乘車站開展了火災全尺寸實驗[6,7]。龍增等人對含階梯式地鐵島式車站開展了全尺寸實驗[8]。相較于模型試驗及數值模擬，地鐵全尺寸實驗更能獲得有價值參考數據，且可反映地鐵火災實況。配合獲得的地鐵防災系統聯動測試數據，更能為地鐵防災系統的安全性能做出分析與評估。目前國內所開展的全尺寸熱煙試驗，主要研究分析實驗的煙氣溫度、沉降高度等數據參數[1-8]。而實際發生火災時影響人員疏散的危險因素還有CO2、CO濃度[4,9]，而這方面實驗分析還較少。

重慶市軌道交通運營里程329 公里，重慶市城市快速軌道交通第三期建設規劃，全是軌道交通通車車程將超過500 公里[11]。為檢驗重慶市軌道交通防災系統安全性，相關單位在多條通車線路上進行了熱煙試驗，獲得了一定的數據。本文以重慶某地下暗挖島式地鐵車站站臺、站廳開展的防災系統為研究對象，進行了熱煙測試，獲得了煙氣溫度，CO2、CO 濃度、沉降高度等特征測試結果可為類似暗挖島式地鐵車站的防災設計提供參考。

1 車站和實驗系統設備

1.1 車站概況

車站總建筑面積20380.33m2，車站外包總高度21.15m，頂板覆土厚度55m，站臺長度203.64m，寬25m，高5.7m；站廳長度203.64m，高9.4m。地下2 層（局部3 層），地下一層為站廳層，地下一層小里程端設站廳層上夾層，地下二層為站臺層即降壓變電所，屬于軌道交通地下暗挖式車站。主要功能平面圖如圖2 和圖3 所示。

圖3 站臺測點布置圖（圓圈處為測點）Fig.3 Arrangement of measuring points on the platform(the circle is the measuring point)

1.2 車站防災系統

本站站臺站廳公共區為一個防火分區，站廳層右側設備管理區為一個防火分區，站臺層右側設備區為一個防火分區。站臺層扶梯開口四周設從結構板底下垂至吊頂面一下0.5m 的擋煙垂壁。站廳公共區和站臺公共區分別為一個防煙分區，面積為1567m2和1086m2。

該工程主要系統包括FAS 系統、BAS 系統綜合監控、系統、通風排煙系統、疏散指示系統、閘機（AFC）、屏蔽門、PIS 系統、應急照明、供電切非等。工程主要防災系統功能描述為：①當有一個感煙探測器或感溫探測器報警后，火災自動報警聯動控制器接收到第一個報警信號，當火災自動報警聯動控制器接收到第二個報警信號后，火災自動報警（FAS）系統直接啟動專用消防設備如消防防排煙風機、防煙和防火閥等（站廳層）；對于站臺層，同時啟動兼用風機，即軌行區排熱（OTE）風機和風機房內隧道（TVF）風機。同時由火災自動報警系統自動下達火災模式控制指令給環境與設備監控系統（BAS 系統）和綜合監控系統（ISCS），環境與設備監控系統自動進入模式控制程序，并將火災模式指令執行信息反饋給綜合監控系統。②供電切非、警鈴、電梯、消防泵、門禁系統、防火卷簾門等由FAS 系統直接聯動。③平時用于送、排風的通風系統與暖通空調系統共用設備（隧道通風空調系統、車站通風空調系統、風閥、照明系統、自動扶梯等），由BAS 控制。④綜合監控系統集成電力監控系統（PSCADA）、環境與設備監控系統（BAS）、站臺門系統（PSD），互聯廣播（PA）、閉路電視監控系統（CCTV）、門禁系統（ACS）、乘客信息顯示系統（PIS）、自動售檢票系統（AFC）、火災自動報警系統（FAS）、時鐘系統（CLK）、列車監視系統（ATS）、集中告警系統（ALM）等由綜合監控系統聯動或提示緊急后備操作盤（IBP）手動操作。

1.3 測試系統

全尺寸火災實驗系統主要包括火源系統、測量系統。火源系統用于產生預設火災功率的熱煙氣，包括燃燒器、煙氣發生器和煙氣發生箱和保護裝置，主體結構如圖1 所示。燃燒器包括由鋼板焊接形成、根據預設火災功率改變數量組合及擺放方式的燃燒油盤組成。油盤尺寸為0.841m（內部長）×0.595m（內部寬）×0.13m（內部高），油盤鋼板焊接而成，在燃燒油盤短邊的外部盤壁用0.1m 直徑的鋼焊接兩個把手[13]。該火源功率如表1 所示。

表1 燃料量和模擬火源功率Table 1 Fuel quantity and simulated fire power

圖1 火源系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of fire source system

測量系統用于獲得現場熱煙測試的指標參數，主要測量單元包括溫度測量單元、氣體濃度測量單元、氣流速度測量單元、圖像信息采集和顯示單元、熱像測量單元、煙層高度指示單元。所用測試儀器如表2 所示。

表2 測試儀器Table 2 Test instruments

1.4 測點布置

熱煙測試的目的是對車站各系統進行安全性評價。因此，火源布置在站廳和站臺的最不利位置，該點對人員的疏散最為不利，對站內人員的危險威脅最大。站廳站臺層的火源布置點位置如圖2 所示。通過布置在人員疏散的通道以及排煙口處的測試點獲得的測試數據，以便獲得相關危險性指標的分布。

圖2 火源位置剖面示意圖Fig.2 Schematic diagram of fire source location section

1.4.1 站臺測點布置

測點位置說明：測點位置1、2 為排煙風管排煙口處；測點位置3 為OTS 風機控制的排煙口處；測點位置5 與6 為端頭屏蔽門通道處；測點位置7與8 為端頭屏蔽門處。

1.4.2 站廳測點布置

圖4 站廳測點布置圖（圓圈處為測點）Fig.4 Arrangement of measuring points in station Hall(the circle is the measuring point)

測點位置說明：測點位置9、10 為排煙風管排煙口處；測點位置11 為疏散通道處；測點位置12為站廳、站臺樓梯處；測點位置14 與15 為設備區門處。

2 實驗結果與分析

2.1 站廳溫度分布分析

2.1.1 溫度測試數據

由于在地鐵站進行7.5MW 火災功率的全尺寸熱煙試驗比較危險且難以控制，所以本次實驗的火源功率設為1.5MW。為了得到預期7.5MW 功率下的溫度，根據公式（1）比例關系以及1.5MW 實驗工況下的溫升，從而計算出預期煙氣溫升。

其中，T g、T0為煙氣層溫度和環境空氣溫度，AT為頂棚和側壁總面積（扣除通風面積），A0為通風口面積，ρ0為空氣密度，H 為頂棚高度，g為加速度。Q為火災功率，cp為空氣比熱，C為常數。若其他參數不變的狀況下，可以得出煙氣溫升ΔTg與火災功率成正比。

從圖5 可以看出，不同位置處的溫度有不同程度的溫升（室內初始溫度為15～16℃）。溫度變化代表煙氣的擴散范圍和影響。從豎向的溫度看，煙氣隨時間推移，煙氣逐步擴散到頂部。從圖5（a）可以看出，疏散通道處0～30s 內煙氣層達到最高，30s 后開始溫度下降，說明該處存在負壓。從圖5（b）可以看出，該處溫度溫升較高，此處為排煙量較大的排煙口，說明排煙系統有效。而圖5（d）位置的煙氣溫度最高，說明煙氣迅速擴散到該處，且存在貼附現象，說明有穩定的煙氣流動，而此處無任何排煙口，說明此處存在一定的封堵問題。從圖5（c）可以看出，閘機的溫度變化相對較小，而此處為人員疏散的主要通道，對人員的疏散安全影響較小。

圖5 站廳層不同位置溫度分布圖Fig.5 Temperature distribution at different locations in the station hall

根據圖5 中的實驗最大溫升，由公式（1）算得預期7.5MW 火源功率下的最大溫升為41℃，最高溫度為57℃。由于各位置煙氣溫度均未超過60℃，總體的煙氣擴散在6min 的時間內均沒有下降到人員疏散高度，對人員安全威脅較小。

2.1.2 熱成像測試數據

在疏散時間內的相對溫度分布如圖6 所示。熱成像儀相對固體表面而言，氣體溫度分布存在一定偏差，但仍能夠較好的反映火災過程中的熱煙溫度分布。通過溫度的分布，可以較好的與溫度測定進行對應分析，從而為人員的疏散提供依據。

從圖6 的熱成像分析看，火源功率在110s 時達到峰值，與實際火災發展的規律一致。疏散口的溫升小，與溫度巡檢儀測得數據一致，煙氣在疏散時間內均沒有下降到人員疏散區，能夠保證人員的疏散。

圖6 站廳層不同位置熱成像圖Fig.6 Thermal imaging of different positions in the station hall

2.2 站臺溫度分布分析

2.2.1 溫度測試數據

從圖7（a）與7（b）看出，兩個位置的排煙口溫度分布不同，說明其排煙量不同（與煙氣量的測試結果一致）。而且，圖7（b）出現了逆溫現象。通過風管布置可以看出，位置10 的排煙口位置處于送風口附近。當排煙系統啟動后，送風系統開始聯動補風，而補風貼附吊頂與煙氣混合，導致排煙口處溫度下降。圖7（c）所示為樓梯疏散口，出現了正常的溫度分層現象，但是溫升不明顯，說明該處疏散口相對安全。從圖7（d）可以看出，該處有較大的溫升，說明為煙氣的主要流動方向。而該處為端部屏蔽門通風道處，火災時端部屏蔽門打開，隧道風機啟動，該通道成為主要的煙氣流動通道。

圖7 站臺層不同位置溫度分布圖Fig.7 Temperature distribution at different locations on the platform

根據圖7 中的實驗最大溫升，由公式（1）算得到預期7.5MW 火源功率下的最大溫升為35℃，最高溫度為53℃。由于各位置預期煙氣溫度均未超過60℃，故有利于火災工況下人員的安全疏散。2.2.2 熱成像儀測試數據

圖8（a）、（b）顯示火災擴散以及不同位置點的溫度分布情況。

圖8 站廳層不同位置熱成像圖Fig.8 Thermal imaging of different positions in the station hall

從圖8（a）可以看出，0～30s 內火源溫度上升極快。從圖8（b）可以看出，扶梯出口處，沒有出現煙氣層下降情況，溫升不顯著，人員疏散安全。

2.3 站廳CO 濃度分布分析

從圖9（a）可以看出，該處為疏散樓梯處的一氧化碳分布出現0～0.1PPM 的區間跳躍變化。說明該處的一氧化碳分布不明顯，即該位置相對安全。而圖9（b）的位置為壁面處，火災煙氣貼附擴散到該處。當熱煙層降到2m 以下時，對于大空間其能見度臨界指標為10m，在可接受的能見度范圍內，毒性都很低，不會對人造成影響，且1.5m高人呼吸區總體的CO 體積分數在35ppm 以內，此濃度范圍對人體影響極小[14]，因此對人員安全疏散影響較小。

圖9 站廳層不同位置一氧化碳濃度分布圖Fig.9 Carbon monoxide concentration distribution at different locations on the station floor

2.4 站臺CO 濃度分布分析

從圖10（a）可以看出，該處的一氧化碳分布處于上升趨勢，該位置處為排煙口處。圖10（b）為屏蔽門通道處一氧化碳的分布，濃度變化恒定。同站廳的CO 濃度分析，站臺總體的CO 濃度在35ppm 安全范圍內[14]，對人員疏散毫無影響。

圖10 站臺層不同位置一氧化碳濃度分布圖Fig.10 Carbon monoxide concentration distribution at different locations on the platform floor

2.5 煙氣層下降情況

煙氣層下降對人員的疏散不利。在火災過程中，主要觀察主要的人員疏散區的煙氣下降情況。當煙氣下降到1.8 米處，處于人員的疏散空間內，該高度設定為不利高度。

從圖11 可以看出，站臺的主要疏散樓梯口處，煙氣層沒有下降，說明該處處于安全地帶，有利人員的疏散。其他位置達到疏散空間的位置均為屏蔽門通道處。

圖11 站臺層煙氣下降情況Fig.11 Smoke drop of platform floor

從圖12 可以看出，站廳的主要疏散樓梯口處（位置12），煙氣層沒有下降，說明該處處于安全地帶，有利人員的疏散。但疏散通道處（位置11）煙氣層下降，說明該處的風幕機沒有起到阻隔作用，或未在相應時間啟動。位置10 處的排煙口的排煙量過小，因此造成僅1分15秒煙氣就達到1.8m高處。結果可為設備系統的復檢提供依據。

圖12 站廳層煙氣下降情況Fig.12 Smoke drop in the concourse of station

2.6 FAS 與BAS 動作情況

站臺及站廳火災檢測表明，FAS 系統中涉及的煙感、切非、應急照明、門禁、閘機、聲光報警、專用排煙機、強切、電梯，以及BAS 系統涉及的OTE 風機、TVF 風機、廣播系統均能正常啟動。2.7 排煙系統及樓梯開口速度

2.7.1 排煙系統風量

根據測試的數據與消防檢測第三方單位的檢測數據進行了對比，兩者一致。總的排煙量達到要求。

2.7.2 樓梯開口流速

站臺層火災期間，樓梯開口流速測定為2.5m/s，大于《地鐵設計規范》規定的1.5m/s 的要求[15]，實測數據滿足規范要求。

3 結論

本文針對重慶某地下暗挖島式地鐵車站開展了全尺寸火災煙氣實驗，獲得了各系統在火災狀況下的動態測試數據。主要結論如下：

（1）對地鐵車站開展全尺寸火災煙氣實驗是必要的，獲得的測試數據可為該地鐵防災系統的安全性能進行整體性安全評價。

（2）通過熱煙實驗的數據分析結果，可以為設計、施工存在的問題提供整改依據。

（3）不同的車站，由于工程系統設計不同，其熱煙測試的結果不同。因此，類似地下暗挖島式地鐵車站出現的普適性問題尚待收集相關數據進行對比分析。