地下雙層島式中庭挑空地鐵站火災(zāi)人員疏散實(shí)驗(yàn)研究

摘要 文章為了研究在中庭挑空這類異形結(jié)構(gòu)地鐵站發(fā)生火災(zāi)時(shí)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(duì)象，采用了小工況全尺寸實(shí)驗(yàn)的方法。全面實(shí)驗(yàn)中在站廳和站臺(tái)層分別設(shè)計(jì)了三種火災(zāi)場(chǎng)景，在公共區(qū)域放置了一系列的實(shí)驗(yàn)儀器，通過(guò)數(shù)據(jù)分析危險(xiǎn)高度處的煙氣溫度。結(jié)果表明，火源功率與危險(xiǎn)高度處溫度溫升成正相關(guān)。通過(guò)危險(xiǎn)高度處的溫升，可以提前判斷在不同位置與工況下發(fā)生火災(zāi)后的危險(xiǎn)程度，為乘客提供無(wú)煙逃生路線。

關(guān)鍵詞 火災(zāi)場(chǎng)景；熱煙實(shí)驗(yàn)；危險(xiǎn)高度溫度；疏散路徑

中圖分類號(hào) TU998.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2023）08-0174-03

0 引言

截至2022年底，中國(guó)內(nèi)地累計(jì)有55個(gè)城市投運(yùn)城市軌道交通，運(yùn)營(yíng)線路達(dá)10 291.95 km，其中地鐵8 012.85 km，占比77.85%。2022新增的運(yùn)營(yíng)車(chē)站有622座，這些換乘車(chē)站的形式包括平行車(chē)站、“T”形車(chē)站、“L”形車(chē)站等。雖然城市軌道交通在我國(guó)發(fā)展勢(shì)頭較快，并且在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間將繼續(xù)保持迅猛的發(fā)展速度，但是從目前來(lái)看，全國(guó)很多車(chē)站都存在嚴(yán)重的消防安全隱患。地鐵火災(zāi)事故發(fā)生頻率較高，并且災(zāi)情十分嚴(yán)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(xiǎn)煙霧，而不是火災(zāi)事故中燃燒的火焰。這是由于位于地下的地鐵站客運(yùn)量大、空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜且具有密閉性，一旦發(fā)生火災(zāi)，其引起的煙霧會(huì)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(jiàn)度降低，使人逃生困難被困于火災(zāi)區(qū)。因此，對(duì)火災(zāi)發(fā)生后的煙氣控制進(jìn)行研究，分析最佳人員逃生路線具有重要意義。

1 地鐵火災(zāi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)地鐵的火災(zāi)煙氣控制進(jìn)行了許多研究。其研究方法包括全尺寸實(shí)驗(yàn)、縮尺模型、數(shù)值模擬。雖然縮尺模型與數(shù)值模擬的方法都具有節(jié)省費(fèi)用的優(yōu)點(diǎn)，但是其數(shù)據(jù)未在最真實(shí)情況下得出，而全尺寸實(shí)驗(yàn)可以被假定為真實(shí)狀態(tài)情況，因此它可以提供這三種方法中最為有效的數(shù)據(jù)。Gutiérrez-Montes[1]通過(guò)全尺寸與FDS模擬的方法研究了排氣扇的壓降和進(jìn)氣口的氣流對(duì)壁溫測(cè)量值的影響，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行比較，顯示出良好的一致性。Weng[2]等通過(guò)全尺寸與FDS模擬的方法進(jìn)行具有開(kāi)口的地鐵隧道煙霧運(yùn)動(dòng)和煙霧控制的三種不同工況火災(zāi)試驗(yàn)，得出FDS仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果中隧道天花板下沿縱向溫度分布相對(duì)一致。

為了給地鐵火災(zāi)事故中的乘客疏散提供全面準(zhǔn)確的技術(shù)支持，通過(guò)全尺寸實(shí)驗(yàn)，分別獲得了站廳和站臺(tái)層不同火焰功率下危險(xiǎn)高度處溫度的火災(zāi)參數(shù)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析后得出乘客的最佳疏散路線。這項(xiàng)工作將為具有中庭設(shè)計(jì)的雙層島式地鐵站在火災(zāi)發(fā)生時(shí)疏散乘客提供全面、客觀、準(zhǔn)確的技術(shù)支持。

2 全尺寸熱煙實(shí)驗(yàn)

2.1 地鐵站概況

圖1說(shuō)明了地鐵站的布局。全長(zhǎng)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(chē)站采用雙層島式設(shè)計(jì)，基本功能單元為2個(gè)出入口、2個(gè)安全出口。中庭區(qū)域?yàn)殚_(kāi)敞空間，自上而下總高度為11 m。平臺(tái)寬10 m，有效平臺(tái)長(zhǎng)150 m，全封閉屏蔽門(mén)長(zhǎng)144 m。圖1（a）中紅色線條表示站廳頂棚設(shè)置4條排煙風(fēng)道。每個(gè)風(fēng)管下方有6個(gè)通風(fēng)口，共24個(gè)，用紅色矩形框表示。另外6條送風(fēng)風(fēng)道布置在（火災(zāi)時(shí)切換為排煙通風(fēng)管道）列，其中4條設(shè)計(jì)有14個(gè)新風(fēng)口，共計(jì)56個(gè)。后2個(gè)風(fēng)管下方各有20個(gè)新風(fēng)口，共計(jì)40個(gè)。如圖1（b）所示，平臺(tái)層頂棚內(nèi)有2個(gè)送風(fēng)風(fēng)道（火災(zāi)時(shí)切換為排煙通風(fēng)管道），每個(gè)風(fēng)道下有16個(gè)新風(fēng)口，共計(jì)32個(gè)。圖1（a）和（b）中，新風(fēng)管和新風(fēng)出口分別用綠色和黑色標(biāo)記。實(shí)驗(yàn)采用兩種排煙模式：站廳排煙和西站臺(tái)排煙。站廳層的排煙為開(kāi)啟站廳層兩側(cè)的排煙風(fēng)機(jī)和反向送風(fēng)風(fēng)機(jī)，西側(cè)站臺(tái)層的排煙為開(kāi)啟站臺(tái)層西側(cè)的排煙風(fēng)機(jī)和反向送風(fēng)風(fēng)機(jī)。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

全尺寸實(shí)驗(yàn)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(duì)較低的火源功率是為了不損壞地鐵站，不危及實(shí)驗(yàn)人員的安全。火源設(shè)置在3個(gè)不同位置，分別對(duì)應(yīng)編號(hào)A-1、B-1、C-1。相對(duì)較小的火源功率是為了不破壞建筑物和內(nèi)部設(shè)施設(shè)備以及不會(huì)危及實(shí)驗(yàn)人員的安全。火源被設(shè)置在三個(gè)不同的位置，分別標(biāo)記為火源A、B、C，如圖1所示。火源A總高度位于站臺(tái)層中庭中心，距頂部垂直距離為11 m，距兩側(cè)立柱水平距離為4 m，距玻璃屏蔽門(mén)水平距離為5 m。火源B位于同層西側(cè)，距地面4.7 m，距天花板3 m，每側(cè)柱距水平距離2 m，距玻璃屏蔽門(mén)5 m。火源C位于站廳層西側(cè)的開(kāi)放出入口區(qū)域中心，水平距離周邊立柱5 m。點(diǎn)火后30 s開(kāi)啟排煙模式。

由于燃燒酒精產(chǎn)生的煙霧幾乎是不可見(jiàn)的，因此采用標(biāo)準(zhǔn)的煙霧發(fā)生實(shí)驗(yàn)裝置，參照GA/T 999—2012（防排煙系統(tǒng)性能現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證方法熱煙試驗(yàn)方法）[3]。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在火源上方搭建鋼架和石膏板（6 m×6 m），防止高溫對(duì)火源附近的設(shè)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(pán)下方用石膏板等保溫材料保護(hù)。

熱電偶用于測(cè)量各種火災(zāi)條件下的溫度分布，如圖1所示。站廳內(nèi)設(shè)置10組熱電偶束，標(biāo)記為圖1（a）中的B1-T1～B1-T10。每個(gè)束上布置8個(gè)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(tái)上，如圖1（b）所示。每個(gè)熱電偶束上的8個(gè)測(cè)量點(diǎn)在垂直方向上等間距布置，測(cè)量不同垂直高度處的溫度，在圖2（c）中標(biāo)記為B1-T2-1～B1-T2-8的兩個(gè)相鄰測(cè)點(diǎn)之間的距離為0.5 m。熱電偶通過(guò)無(wú)線傳輸將采集到的數(shù)據(jù)上傳至采集系統(tǒng)，完整的測(cè)量系統(tǒng)采用集成模塊化設(shè)計(jì)。

3 結(jié)果與討論

3.1 危險(xiǎn)高度處煙氣溫度

地鐵發(fā)生火災(zāi)時(shí)，最危險(xiǎn)的逃生障礙是火源處的煙氣。這是因?yàn)橐坏煔飧叨瘸^(guò)一定的閾值，能見(jiàn)度降低與一氧化碳濃度增加，為人員疏散增加困難，導(dǎo)致人員恐慌和踩踏事故的發(fā)生。《建筑防排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中將一定的閾值定義為“最小凈高”[4]。危險(xiǎn)高度可按下式計(jì)算：

式中，Hq——危險(xiǎn)高度（m）；H——建筑物樓層的垂直高度（m）。站廳和站臺(tái)的H分別為5.7 m和4.7 m，對(duì)應(yīng)的Hq分別為2.17 m和2.07 m。

圖3（a）給出了圖1中標(biāo)記為B1-T1～B1-T10和B2-T1～B2-T4危險(xiǎn)高度處各區(qū)域的溫度變化曲線。該結(jié)果與中庭火源A的情況相對(duì)應(yīng)。B1-T3、B1-T4和B1-T8區(qū)域溫度上升明顯，說(shuō)明在600 s內(nèi)該區(qū)域煙氣向下沉降至危險(xiǎn)高度以下。其余區(qū)域B1-T1、B1-T2、B1-T5～B1-T7均在26～27.5 ℃的環(huán)境溫度范圍內(nèi)波動(dòng)。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(fā)生火災(zāi)時(shí)，最好的逃生路線是通過(guò)中庭兩側(cè)的扶梯或西側(cè)的樓梯到達(dá)站廳層，再通過(guò)最近的出口逃生。站廳南北兩側(cè)的人行道不利于疏散。

圖3（b）給出了工況C情況下危險(xiǎn)高度處的溫度變化曲線。只有B1-T10區(qū)域表現(xiàn)出明顯的溫升，表明煙氣在600 s內(nèi)向下沉降至危險(xiǎn)高度以下。其余區(qū)域均在25.5～26.5 ℃范圍內(nèi)波動(dòng)。因此，當(dāng)站廳發(fā)生火災(zāi)時(shí)，最佳的逃生路線是通過(guò)中庭西側(cè)的扶梯或樓梯到達(dá)站廳層，然后立即通過(guò)北側(cè)人行道逃生至B出口，因?yàn)锳出口和站廳南側(cè)人行道均不利于人員疏散。

圖3（c）給出了工況B危險(xiǎn)高度處的溫度變化曲線。B2-T1和B2-T2區(qū)域在200 s后表現(xiàn)出明顯的溫度升高，表明在危險(xiǎn)高度以下煙氣向下沉降。這是由于在開(kāi)啟排煙時(shí)，西側(cè)平臺(tái)的樓梯成為補(bǔ)風(fēng)口，B2-T1和B2-T2區(qū)域距離西側(cè)樓梯較近，樓梯間向下的補(bǔ)風(fēng)進(jìn)入阻礙了煙氣的流動(dòng)，造成湍流，形成不規(guī)則擴(kuò)散。其余高度的溫度分布在26～27 ℃內(nèi)波動(dòng)。因此，當(dāng)站廳西側(cè)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，乘客到達(dá)站廳的最佳疏散路徑是通過(guò)中庭東側(cè)的扶梯，其次通過(guò)B出口逃生。

通過(guò)分析三種火災(zāi)情況下不同區(qū)域危險(xiǎn)高度處的溫度分布，除個(gè)別區(qū)域存在明顯的溫度升高外，大部分區(qū)域并未表現(xiàn)出明顯的溫度波動(dòng)。

4 結(jié)論

該文對(duì)帶中庭的雙層島式地鐵車(chē)站進(jìn)行了全尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，針對(duì)三種不同的火災(zāi)場(chǎng)景，分析和討論了重要的火災(zāi)參數(shù)——危險(xiǎn)高度處的煙氣溫度。研究的主要結(jié)論如下：

（1）在中庭發(fā)生火災(zāi)時(shí)，最好的逃生路線是通過(guò)中庭兩側(cè)的扶梯或西側(cè)的樓梯到達(dá)站廳層，再通過(guò)最近的出口逃生。站廳南北兩側(cè)的人行道不利于疏散。

（2）當(dāng)站廳發(fā)生火災(zāi)時(shí)，最佳的逃生路線是通過(guò)中庭西側(cè)的扶梯或樓梯到達(dá)站廳層，然后立即通過(guò)北側(cè)人行道逃生至B出口，因?yàn)锳出口和站廳南側(cè)人行道均不利于人員疏散。

（3）當(dāng)站廳西側(cè)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，乘客到達(dá)站廳的最佳疏散路徑是通過(guò)中庭東側(cè)的扶梯，其次通過(guò)B出口逃生。

參考文獻(xiàn)

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