地鐵站臺火災中排煙口對煙氣排放及人員疏散影響的數值模擬研究

摘要：地鐵站臺作為人員密集區域，一旦發生火災，燃燒產生的煙氣和熱量會在短時間內大量積聚，難以迅速排出，對人員疏散構成嚴重威脅。采用PyroSim軟件，分析了浙江省金華市某地鐵站臺火災煙氣蔓延過程中能見度、溫度場及CO濃度等關鍵參數，研究了不同排煙口數量和列車門開啟狀態工況對火災煙氣流動和人員疏散的影響規律。研究結果表明，僅開啟火源附近4個排煙口時，排煙效果最佳，最有利于人員疏散，在火災熱釋放速率為1000kW的情況下，開啟4個排煙口時，疏散允許時間約為240s。此外，相比列車不開門和僅開單邊門的工況，開啟兩邊列車門能夠有效提高火災現場的能見度，延長站臺內人員疏散允許時間。

關鍵詞：地鐵火災；火災煙氣；排煙口；數值模擬

中圖分類號：D631.6" " " 文獻標識碼：A" " " "文章編號：2096-1227（2025）06-0001-03

0 引言

地鐵具有運量大、速度快、安全、舒適等特點，已逐漸成為城市立體交通網絡的核心動脈。地鐵站臺區域空間狹長且相對封閉，一旦發生火災，由于燃燒產生的煙氣及熱量難以在短時間內排出，將對人民群眾生命安全造成巨大危害。因此，研究地鐵火災中煙氣的發展規律和對人員的疏散影響十分必要[1]。火災分析的傳統研究方法包括實驗研究和理論研究[2]，隨著計算機模擬能力的增強，計算流體力學（CFD）憑借其研究成本低和流場信息豐富的優點被廣泛應用在地鐵火災研究領域[3]。本文以浙江省金華市某地鐵站臺為研究對象，采用PyroSim軟件對不同排煙條件下的火災煙氣蔓延規律開展數值模擬，為地鐵火災中人員逃生提供理論依據。

1 地鐵站臺概況

項目研究對象是浙江省金華市某地鐵站臺，站臺排煙口布局在站臺的南側頂部，一共有8個。每個排煙口的尺寸和風量分別為800mm×630mm和9908m3/h。8個排風口互相串聯為兩個獨立系統，左右兩側各4個，每側均有排煙管連通4個排風口，排煙管截面尺寸為1300mm×850mm。左側4個排煙口具有回排風的作用，作為回排風口使用時，單個回排風量為3 912m3/h。

2 數值模型的建立

2.1" 地鐵站臺模型

根據站臺布置信息，在PyroSim軟件中搭建站臺模型，見圖1。通過敏感性分析，綜合考慮計算精確度和所需時間成本，本文采用并行網格進行計算，火源附近采用小網格（邊長0.125m），距火源較近的區域采用中網格（邊長0.25m），距火源較遠的區域采用大網格（邊長0.5m）。最終將整個地鐵站臺層分為七組并行網格，網格設置具體信息見表1、圖1。

表1" 網格劃分詳情

名稱 Mesh01 Mesh02 Mesh03 Mesh04 Mesh05 Mesh06 Mesh07

網格邊長

尺寸/m 0.25 0.125 0.125 0.125 0.125 0.25 0.5

圖1" 站臺層網格分布圖

根據地鐵火災燃燒特點，選擇t2超快速火，該非穩態火災的熱釋放速率增長函數為

Q=at2 （1）

式中：Q——火源熱釋放速率，kW；

a——火災發展系數，表征火災蔓延的快慢，kW/s2；

t——火災的發展時間，s。

基于表2選擇此次火災發展系數為0.19，火源的熱釋放速率設置為1000kW（考慮較大規模火災）。根據公式1，計算可得，在起火73s后火源熱釋放速率達到設定值（1000kW）。初始環境溫度設置為20℃，所有地鐵站臺內的固體表面光滑絕熱，模擬火災時間為15min。

表2" 火災增長系數

火災增長

類型 a/（kW/s2） 起火場所舉例 可燃材料示例

慢速 0.003 垃圾簍

中速 0.012 公寓 木棉制品/電視機

快速 0.047 賓館、養老院 塑料泡沫/堆積的木板

超快速 0.19 購物中心、娛樂場所 液體甲醇/軟墊座椅沙發

2.2" 模擬工況表

綜合排煙口開啟數量和列車門開啟狀態兩種因素的影響，共設置表3的5組模擬工況。其中排煙口開啟數量為4時，僅開啟距火源較近的4個排煙口。排煙口開啟數量為8時，開啟站臺所有8個排煙口。

表3" 工況表

工況序號 排煙口開啟數量 列車門開啟狀態

1 0 不開門

2 4 不開門

3 8 不開門

4 8 僅開一邊門

5 8 兩邊門都開

3 人員安全疏散評價標準

本文參考世界道路協會（PIARC）發布的《Fireand SmokeControlinRoadTunnels》報告、《深中通道沉管隧道通風、消防及防災救援關鍵技術研究》報告等資料，選取人眼特征高度2m處的溫度、能見度及CO濃度作為判斷人員安全疏散狀況的指標，相關臨界值見表4[4-5]。當超出表中各臨界值時，人員安全疏散會產生熱傷害、視線受阻和呼吸不適等影響。

表4" 火災人員疏散影響因素臨界值

指標 空氣溫度/℃ 能見度/m CO體積分數/%

臨界值 60 10 0.022 5

4 模擬結果分析

4.1" 排煙口數量的影響

通過對比工況1、2、3，分析排煙口數量對地鐵站臺火災煙氣排煙和人員疏散的影響規律。火災發生240s后，站臺內煙氣蔓延程度見圖2。可以發現不開啟排煙口時，煙氣迅速蔓延至整個站臺。當開啟火源附近的4個排煙口時，煙氣僅覆蓋站臺的中部和右側區域，未完全蔓延至左側。但當開啟所有的8個排煙口時，由于新增排煙口處的氣流卷吸作用，與開啟4個排煙口的工況相比，煙氣覆蓋范圍反而增加。圖3為同一時刻（火災發生240s）人眼高度2m處的煙氣能見度切面分布云圖，以10m能見度為臨界值，可以發現開啟4個排煙口時，人員能夠安全疏散的區域范圍最大，開啟8個排煙口時次之，不開啟排煙口時最小。對于1000kW的火災規模，開啟4個排煙口時的疏散允許時間最長，站臺內人員在240s內必須完全疏散至安全區域。

a" 不開啟排煙口（工況1）

b" 開啟4個排煙口（工況2）

c" 開啟8個排煙口（工況3）

圖2" 不同排煙口開啟數量下煙氣蔓延模擬結果圖（t=240s）

圖3" 不同排煙口開啟數量下煙氣能見度模擬結果圖（t=240s）

圖4為火災發生240s后不同排煙口開啟數量下人眼高度2m處的CO濃度切面分布云圖，可見火源附近1m范圍外CO濃度值均在0.0225%臨界值以下。

圖4" 不同排煙口開啟數量下煙氣CO濃度模擬結果圖（t=240s）

4.2" 列車門開啟狀態的影響

通過對比工況3、4、5，分析列車門開啟狀態對地鐵站臺火災煙氣排煙和人員疏散的影響規律。火災發生240s后，站臺內煙氣的蔓延程度見圖5。可以發現列車門全部關閉時，煙氣未擴散至站臺層外部，蔓延至第十五號門附近。當僅開啟單邊列車門時，已有部分煙氣開始擴散到站臺層外部，蔓延至設備間附近。當開啟全部列車門時，相較于僅開啟單邊列車門，煙氣向站臺層外擴散的范圍明顯增大，煙氣蔓延至設備間附近。

圖6為同一時刻（火災發生240s）人眼高度2m處的煙氣能見度切面分布云圖，以10m能見度為臨界值，可以發現列車門全部開啟時，站臺內左側、中部和右側的3座疏散樓梯均滿足能見度疏散條件，僅開啟一邊列車門時中部和右側的2座疏散樓梯滿足能見度疏散條件，列車門全部關閉時無疏散樓梯滿足能見度疏散條件。因此，列車門開啟狀態下火場煙氣能見度和火場環境得到顯著改善，疏散允許時間增加。

a" 列車門全部關閉（工況3）

b" 僅開啟一邊列車門（工況4）

c" 列車門全部開啟（工況5）

圖5" 不同列車門開啟情況下煙氣模擬結果圖（t=240s）

圖6" 不同列車門開啟情況下煙氣能見度模擬結果圖（t=240s）

5 結論

本文以浙江省金華市某地鐵站臺為對象，運用PyroSim軟件進行各個場景火災數值模擬，深入探究了排煙口數量和列車門開啟狀態對火災煙氣流動與人員疏散的影響，得出的主要結論如下：①排煙口開啟數量對地鐵站臺層的煙氣蔓延范圍、煙氣溫度和能見度均有顯著影響，相同火源功率和列車開門狀態下，僅開啟火源附近4個排煙口時排煙效果最佳，疏散允許時間最長，開啟全部8個排煙口次之，不開啟排煙口最差。對于1000kW的火災規模，開啟4個排煙口時的疏散允許時間約為240s。②列車門開啟狀態對火災煙氣的蔓延和人員疏散具有顯著影響，相比列車門不開和僅開單邊門情況，開啟兩邊門能夠更有效地排放煙氣和熱量，提高火場能見度和降低溫度，站臺內人員疏散允許時間得以增加。

參考文獻

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