鐘茂華，劉　暢，田向亮，梅　棋，肖　衍，張　磊

(1.清華大學(xué) 工程物理系 公共安全研究院，北京 100084；2.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819；3.北京市軌道交通設(shè)計研究院有限公司，北京 100068；4.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100068)

0　引言

隨著我國城市軌道交通的快速發(fā)展，部分城市正在形成網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營格局，換乘車站比例逐漸升高，線網(wǎng)規(guī)模日益龐大[1]。與單線車站相比，換乘車站的客流密度大、結(jié)構(gòu)型式復(fù)雜，一旦發(fā)生火災(zāi)事故不僅會威脅站內(nèi)乘客的生命安全，且會影響相鄰換乘線路甚至整個線網(wǎng)的運(yùn)營安全。因此,對換乘車站火災(zāi)煙氣在多個防煙分區(qū)的擴(kuò)散及沉降特征開展深入研究，有利于提高此類車站的防排煙技術(shù)水平，對于地鐵線網(wǎng)運(yùn)營安全具有重要意義。

目前國內(nèi)外學(xué)者針對地鐵火災(zāi)安全的研究多集中于單線運(yùn)營車站，研究方法主要分為數(shù)值模擬、模型實(shí)驗(yàn)和全尺寸實(shí)驗(yàn)。Roh等[2]通過構(gòu)建地鐵站內(nèi)列車火災(zāi)場景的數(shù)值計算模型，研究了屏蔽門系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)對站臺乘客疏散時間的影響；吳振坤[3]等對某城市單線運(yùn)營車站進(jìn)行了火災(zāi)數(shù)值模擬研究，分析了空氣幕射流速度和角度對煙氣控制效果的影響；梁強(qiáng)等[4]利用FDS對某地下兩層島式車站站臺火災(zāi)進(jìn)行模擬研究，分析了站臺火災(zāi)煙氣蔓延過程和站廳樓梯口的氣流分布特性；紀(jì)杰[5]通過數(shù)值模擬和模型實(shí)驗(yàn)，對地鐵站臺不同火災(zāi)位置時的排煙口位置優(yōu)化分布進(jìn)行了研究；鐘茂華等[6-8]設(shè)計并搭建了1∶10的地鐵單線深埋車站火災(zāi)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，開展了車站隧道列車火災(zāi)和站臺公共區(qū)火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，通過分析煙氣運(yùn)動過程、煙氣溫度和流速變化情況對站內(nèi)氣流組織、煙氣蔓延規(guī)律進(jìn)行了研究；史聰靈等[9-11]設(shè)計了地鐵車站全尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并在某地下側(cè)式車站的站臺隧道和區(qū)間隧道內(nèi)開展全尺寸實(shí)驗(yàn)，通過執(zhí)行站臺隧道軌排系統(tǒng)和區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)火災(zāi)模式，對煙氣縱向和豎直方向溫度分布、蔓延速度和區(qū)間隧道氣流組織模式進(jìn)行了研究，為地鐵車站隧道和區(qū)間隧道的防排煙設(shè)計提供了實(shí)體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

針對換乘車站，Gao等[12]通過開展某中庭式十字換乘車站火災(zāi)數(shù)值模擬，研究了中庭自然排煙口面積和強(qiáng)制通風(fēng)換氣次數(shù)對站內(nèi)煙氣擴(kuò)散及控制的影響；袁建平等[13]對采用站廳換乘的某地下三層島式車站構(gòu)建數(shù)值計算模型，通過分析站內(nèi)煙氣擴(kuò)散速度和能見度等對不同排煙模式的煙氣控制效果進(jìn)行了比較；李炎峰[14]對“十字”形、“T”形和“L”形換乘車站火災(zāi)氣流組織形式、煙氣蔓延特征和通風(fēng)排煙效果進(jìn)行了模擬分析。開展地鐵換乘車站全尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，獲取煙氣擴(kuò)散過程中的危險性參數(shù)，能夠?yàn)閿?shù)值模擬、模型實(shí)驗(yàn)提供實(shí)體數(shù)據(jù)驗(yàn)證，通過全尺寸實(shí)驗(yàn)提出或修正的防排煙理論模型和技術(shù)方法能夠應(yīng)用于實(shí)際地鐵工程。本文對某同站臺高架換乘車站現(xiàn)場全尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了方案設(shè)計，后續(xù)的研究中將詳細(xì)介紹站臺層、站廳層和設(shè)備區(qū)的實(shí)驗(yàn)開展情況及典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1　實(shí)驗(yàn)車站概況

實(shí)驗(yàn)車站為高架雙島四線換乘車站，圖1為車站的結(jié)構(gòu)示意，該車站采用同站臺換乘方式，站臺東西兩側(cè)設(shè)置線路B折返線，站臺東側(cè)的兩組渡線將線路A和線路B互相連接，為遠(yuǎn)期兩線貫通預(yù)留條件。車站地上一層為站廳層和設(shè)備機(jī)房，地上二層為站臺層，站臺有效長度118 m，寬度10 m，每側(cè)站臺分別通過兩部樓扶梯與站廳相互連通。站臺層和站廳層的火災(zāi)排煙模式均為自然排煙，設(shè)備區(qū)火災(zāi)通風(fēng)模式采用機(jī)械排煙。

圖1 實(shí)驗(yàn)車站結(jié)構(gòu)示意Fig.1　Structure of experimental station

2　實(shí)驗(yàn)工況

2.1　站臺層火災(zāi)實(shí)驗(yàn)

站臺層發(fā)生火災(zāi)時，區(qū)間內(nèi)行駛的列車需執(zhí)行相應(yīng)的火災(zāi)模式與車站人員疏散相配合。實(shí)驗(yàn)車站所在線路的列車在火災(zāi)時主要執(zhí)行以下3種模式：

1)火災(zāi)發(fā)生時，尚未進(jìn)站的列車停在站外，后續(xù)列車停車；

2)火災(zāi)發(fā)生時，已經(jīng)停在站內(nèi)的列車，立即開出車站；

3)火災(zāi)發(fā)生時，若列車車頭已經(jīng)進(jìn)站，則通過不停車。

列車執(zhí)行第一種火災(zāi)模式時，由于?？吭谡就?，不會對站內(nèi)的人員密度和火災(zāi)環(huán)境造成影響；執(zhí)行第二種模式時，列車停靠期間乘客上下車會對起火后站臺客流分布造成影響，且列車在駛離站臺過程中的活塞風(fēng)也會影響火災(zāi)初期煙氣擴(kuò)散；第三種模式下列車將對站臺內(nèi)所處火災(zāi)階段的煙氣蔓延和沉降過程造成影響。因此，選取第二和第三種列車運(yùn)營模式配合開展站臺火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，表1為站臺層火災(zāi)實(shí)驗(yàn)工況。

表1　站臺層火災(zāi)實(shí)驗(yàn)工況

高架車站站臺層發(fā)生火災(zāi)時，乘客及站務(wù)人員首先通過樓扶梯疏散至地面站廳，再由站廳出入口疏散至站外。因此，在站臺層實(shí)驗(yàn)設(shè)計中，考慮較為不利的情況，將火源設(shè)置在站臺一側(cè)的樓扶梯附近，模擬部分人員疏散路徑被火災(zāi)封堵的環(huán)境。圖2為站臺實(shí)驗(yàn)火源及測試系統(tǒng)布置方式，火源位于站臺B西側(cè)自動扶梯處。通過改變火源功率和列車運(yùn)行模式，研究火災(zāi)煙氣在起火站臺、軌行區(qū)上部區(qū)域和未起火站臺的擴(kuò)散規(guī)律。

圖2　站臺層實(shí)驗(yàn)火源及測試系統(tǒng)布置Fig.2　Fire source and measurement system in platform

2.2　站廳層火災(zāi)實(shí)驗(yàn)

與普通地下車站不同，同站臺高架換乘車站的站廳位于地面層，發(fā)生火災(zāi)時不僅會威脅到站廳的建筑結(jié)構(gòu)及人員生命安全，其高溫?zé)煔庖部赡軙ㄟ^樓扶梯擴(kuò)散至站臺區(qū)域，對站臺層的人員及行車安全造成影響。

在火災(zāi)場景設(shè)計中，主要考慮起火點(diǎn)直接阻塞部分人員疏散路徑這一不利情況，在站廳層設(shè)計3個火源位置。表2為站廳層火災(zāi)實(shí)驗(yàn)工況，圖3為站廳層實(shí)驗(yàn)火源及測試系統(tǒng)布置方式，正常運(yùn)營過程中，站廳南北兩側(cè)閘機(jī)主要承擔(dān)進(jìn)站功能，中部閘機(jī)承擔(dān)出站功能，火災(zāi)情況下閘機(jī)全部開啟，用于人員緊急疏散，因此火源1設(shè)置在中部閘機(jī)處。在站廳火災(zāi)期間，針對站臺滯留人員，車站根據(jù)火災(zāi)規(guī)?？赡軙捎?種疏散模式，第一種為火災(zāi)撲救成功后撤離車站，第二種為緊急調(diào)配列車轉(zhuǎn)移站臺人員，第三種為盡快引導(dǎo)乘客疏散至站廳危險性較低的區(qū)域，再從站廳出入口撤離車站，因此在站廳樓扶梯入口、出入口處分別設(shè)置火源2和火源3，模擬疏散過程部分路徑被封堵的火災(zāi)場景。通過在站廳不同位置處設(shè)置不同的燃燒面積，模擬站廳0.25～0.75 MW規(guī)模的火災(zāi)場景。

表2　站廳層火災(zāi)實(shí)驗(yàn)工況Table 2　Fire experimental cases in station hall

圖3　站廳層實(shí)驗(yàn)火源及測試系統(tǒng)布置Fig.3　Fire source and measurement system in station hall

2.3　設(shè)備區(qū)火災(zāi)實(shí)驗(yàn)

相比于車站公共區(qū)，設(shè)備區(qū)的建筑結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，包含多個設(shè)備間、車站控制室及走廊，發(fā)生火災(zāi)后煙氣容易覆蓋走廊區(qū)域，不利于設(shè)備間和控制室內(nèi)人員疏散和外部救援力量的進(jìn)入。圖4為設(shè)備區(qū)實(shí)驗(yàn)火源及測試系統(tǒng)布置方式，針對設(shè)備區(qū)的結(jié)構(gòu)形式，選取走廊節(jié)點(diǎn)部位、走廊末端和設(shè)備間開展火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，一旦連接節(jié)點(diǎn)區(qū)域發(fā)生火災(zāi)，節(jié)點(diǎn)一側(cè)人員將無法疏散至另一側(cè)選擇多個路徑進(jìn)行撤離，具有被困的風(fēng)險，走廊末端起火時，救援人員需通過較遠(yuǎn)的距離才能抵達(dá)撲救區(qū)域，設(shè)備區(qū)房間火災(zāi)會對運(yùn)行設(shè)備和值守人員的安全造成威脅，進(jìn)而影響車站安全運(yùn)營。

設(shè)備區(qū)的事故通風(fēng)模式為機(jī)械通風(fēng)，設(shè)備房、車站控制室和走廊頂部通過通風(fēng)管道與排煙風(fēng)機(jī)相連接，實(shí)驗(yàn)過程中考慮通風(fēng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行模式和故障模式分別設(shè)計火災(zāi)工況，由于設(shè)備區(qū)空間較小，為避免損壞車站設(shè)備設(shè)施，采用相對較低的火源功率，表3為設(shè)備區(qū)實(shí)驗(yàn)工況。

表3　設(shè)備區(qū)火災(zāi)實(shí)驗(yàn)工況

圖4　設(shè)備區(qū)實(shí)驗(yàn)火源及測試系統(tǒng)布置Fig.4　Fire source and measurement system in equipment zone

3　火源發(fā)生裝置

為避免火災(zāi)煙氣對站內(nèi)設(shè)備設(shè)施造成污染，采用甲醇作為燃料，將煙餅放置于發(fā)煙箱中，煙顆粒被甲醇火焰加熱后隨頂棚射流向四周擴(kuò)散，用以直觀地觀察火災(zāi)煙氣蔓延過程。圖5和圖6為火源發(fā)生裝置的示意圖和實(shí)物圖，實(shí)驗(yàn)中根據(jù)現(xiàn)場情況采用尺寸為0.84 m×0.59 m×0.1 m(長×寬×高)，0.59 m×0.42 m×0.06 m(長×寬×高)和0.29 m×0.59 m×0.04 m(長×寬×高)的不銹鋼油盤，通過油盤數(shù)量的組合設(shè)置不同的燃燒面積，裝置底部放置防火板以保護(hù)地面，裝置頂部覆蓋一層鐵板和防火板，防止火源區(qū)域的高溫?fù)p壞車站吊頂材料，另外對裝置周圍2 m內(nèi)的設(shè)備、建筑壁面均采用防火板和防火布進(jìn)行保護(hù)。為獲得火源的熱釋放速率，在油盤下方放置精度為1 g的電子天平，對燃料的質(zhì)量損失速率進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

圖5　火源發(fā)生裝置示意Fig.5　Sketch of fire source

圖6　火源發(fā)生裝置現(xiàn)場實(shí)物Fig.6　Physical map of fire source in platform

4　實(shí)驗(yàn)測試裝置

4.1　溫度測試裝置

在大跨度站臺區(qū)域，橫斷面上存在多個頂棚高度，為獲取起火后不同高度頂棚射流的擴(kuò)散特性，在8 m高度頂棚下方和5 m高度頂棚下方沿縱向方向分別布置測溫電纜，圖7為站臺層和站廳層測溫電纜在橫斷面的分布情況。在起火站臺，距火源較近的區(qū)域測溫電纜的間隔為9～10 m，距火源較遠(yuǎn)的區(qū)域測溫電纜間隔為18～20 m，在未起火站臺，按照與起火站臺同一橫斷面位置沿縱向布置測溫電纜，用來獲取火災(zāi)煙氣在橫向方向擴(kuò)散過程的溫度參數(shù)。針對不同的頂棚高度設(shè)計了不同長度、探頭數(shù)量等規(guī)格參數(shù)的測溫電纜，圖8為不同規(guī)格測溫電纜的探頭分布情況。

站廳層空間結(jié)構(gòu)接近方形，頂棚結(jié)構(gòu)包括封閉式吊頂和柵欄式吊頂，站廳南北兩側(cè)為封閉式吊頂，吊頂高度為3 m，站廳中部為柵欄式吊頂，火災(zāi)發(fā)生時煙氣可蔓延至柵欄式吊頂上方。考慮到公共站廳不同形式的吊頂結(jié)構(gòu)，在站廳兩側(cè)封閉式吊頂下方布置規(guī)格C的測溫電纜，在站廳中部柵欄式吊頂上方的頂棚布置規(guī)格B的測溫電纜。站廳不同部位的測溫電纜布置如圖3所示，在南側(cè)封閉式吊頂下方共布置8束測溫電纜，其中第1～5束(CH#4-1～CH#4-5)的間隔為9.5～12 m，第6和第7束之間由于電梯遮擋，間隔為28 m，第7束與第8束間隔為12 m。北側(cè)封閉式吊頂下方與南側(cè)對稱地布置8束測溫電纜，站廳中部共布置5束測溫電纜，其中第1束與第2束間隔6 m，第2～5束(CH#5-2～CH#5-5)間隔為11～12 m。通過分布式溫度監(jiān)測能夠獲取站廳空間內(nèi)火災(zāi)溫度場實(shí)時變化情況以及煙氣層高度、擴(kuò)散速度和向站臺防煙分區(qū)的蔓延情況。

圖7　站臺層和站廳層測溫電纜斷面布置Fig.7　Cross sectional sketch of thermocouple cable in platform and station hall

圖8　測溫電纜不同規(guī)格測點(diǎn)布置(單位:mm)Fig.8　Probe of different type of thermocouple cable (unit:mm)

設(shè)備區(qū)包含多個相互連接的狹長通道，通道為封閉式吊頂，吊頂高度為3 m，為獲取走廊及設(shè)備房起火時煙氣向四周走廊的擴(kuò)散特征，在走廊內(nèi)相對均勻地布置了28束規(guī)格C的測溫電纜。設(shè)備區(qū)測溫電纜布置方式如圖4所示，在設(shè)備區(qū)南部走廊共布置8束電纜(CH#7-1～CH#7-7)，第3～5束間距為3.5 m，其余間距為8 m，在設(shè)備區(qū)中部靠南走廊布置8束電纜(CH#8-1～CH#8-7)，電纜間距為5～8 m不等，設(shè)備區(qū)中部靠北走廊布置6束電纜(CH#9-1～CH#9-6)，其中第1～3束間距為3 m，第3～6束間距為8 m，北部走廊共布置8束測溫電纜(CH#10-1～CH#10-8)，第3～5束間距為3.5 m，其余間距為8 m。通過分布式溫度場實(shí)時監(jiān)測，能夠獲取設(shè)備區(qū)不同部位起火時走廊內(nèi)的煙氣層高度、人眼高度煙氣溫度和煙氣擴(kuò)散速度等危險性參數(shù)。

4.2　風(fēng)速測試裝置

高架車站的站內(nèi)空間與外部空間為連通形式，火災(zāi)情況下一般采用自然通風(fēng)的模式排出煙氣，為研究自然風(fēng)對煙氣擴(kuò)散特征的影響，在站廳層、站臺層和設(shè)備區(qū)布置流速測試裝置，對自然風(fēng)以及設(shè)備區(qū)機(jī)械排煙時的風(fēng)速進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

站臺層主要測量起火站臺縱向兩側(cè)的流速，共設(shè)置4個測點(diǎn)，如圖2中的流速A，B，C和D所示，其中流速A和B測點(diǎn)位于火源西側(cè)27 m，流速C和D測點(diǎn)位于火源東側(cè)27 m。站廳層主要測量1號出入口和2號出入口處的氣流速度，如圖3所示，流速A和流速B測點(diǎn)分別位于兩出入口中部1.5 m高度處。設(shè)備區(qū)開展自然通風(fēng)和機(jī)械排煙兩種通風(fēng)條件下的實(shí)驗(yàn)，在設(shè)備區(qū)通往站廳公共區(qū)的4個通道出入口處分布設(shè)置流速測點(diǎn)，如圖4所示，在由北向南的4個出入口分布布置流速A，B，C和D 4個測點(diǎn)，圖9為流速B測點(diǎn)的現(xiàn)場實(shí)物圖。

圖9　設(shè)備區(qū)通往站廳公共區(qū)出入口流速B測點(diǎn)實(shí)物Fig.9　Flow measurement probe B between equipment zone and station hall

4.3　燃料質(zhì)量測試裝置

圖10　實(shí)驗(yàn)過程不同燃燒面積燃料質(zhì)量損失速率Fig.10　Mass loss rate of fuel during experiment with different burning area

實(shí)驗(yàn)過程采用甲醇池火作為火源，通過實(shí)時監(jiān)測燃料燃燒過程中的質(zhì)量變化能夠較為準(zhǔn)確地獲取在實(shí)驗(yàn)空間內(nèi)的火災(zāi)功率，在實(shí)驗(yàn)過程中將精度為1 g的電子天平放置在油盤底部，通過數(shù)據(jù)采集軟件實(shí)時記錄燃料的質(zhì)量變化，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場天平與油盤的布置方式如圖6所示，火源功率按照式(1)計算，圖10為實(shí)驗(yàn)過程中不同燃燒面積的燃料質(zhì)量損失速率。

Q=χ·m·ΔH

(1)

式中：Q為火源熱釋放速率， kW；χ為燃燒效率，甲醇燃料在實(shí)驗(yàn)燃燒過程中幾乎未產(chǎn)生煙顆粒物，可認(rèn)為其完全燃燒[15-16]；m為燃料的質(zhì)量損失速率，g，可通過對天平實(shí)測的燃料質(zhì)量曲線求導(dǎo)獲得；ΔH為燃料的燃燒熱，kJ/g。

5　結(jié)論

1)針對地鐵同站臺高架換乘車站的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和通風(fēng)方式，對國內(nèi)某城市的此類結(jié)構(gòu)地鐵車站站廳、站臺和設(shè)備區(qū)進(jìn)行了全尺寸火災(zāi)場景設(shè)計。

2)按照設(shè)計的火災(zāi)場景開展了一系列現(xiàn)場全尺寸實(shí)驗(yàn)，通過溫度場、煙氣流速和火源功率的實(shí)時測量，對該結(jié)構(gòu)實(shí)體車站多個火源位置和不同通風(fēng)方式下的火災(zāi)煙氣擴(kuò)散和沉降過程分析，在后續(xù)的工作中將深入研究同站臺高架換乘車站不同防煙分區(qū)的火災(zāi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

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