鐘茂華，陳俊灃，陳嘉誠(chéng)，仇培云，溫曉虎

(1.清華大學(xué) 工程物理系 公共安全研究院，北京 100084；2.廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510330)

0 引言

隨著地鐵客運(yùn)量的快速增長(zhǎng)，8A編組列車在新建線路中使用愈加廣泛。8A編組地鐵的十字換乘車站側(cè)式站臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受換乘結(jié)構(gòu)的影響，站臺(tái)沿縱向斷面面積明顯變化，站臺(tái)空間結(jié)構(gòu)對(duì)煙氣擴(kuò)散的影響值得關(guān)注。同時(shí)，站臺(tái)層防排煙措施的有效性對(duì)站臺(tái)乘客的安全疏散具有顯著影響。因此，開展8A編組地鐵的十字換乘車站側(cè)式站臺(tái)火災(zāi)全尺寸實(shí)驗(yàn)具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

目前，諸多學(xué)者采用數(shù)值模擬[1-6]、模型實(shí)驗(yàn)[7]及全尺寸實(shí)驗(yàn)[8-11]方法對(duì)地鐵站臺(tái)火災(zāi)煙氣擴(kuò)散特性和通風(fēng)排煙模式[12-13]展開了研究，其中單線地鐵車站火災(zāi)研究較多。在數(shù)值模擬方面，張茜等[1]通過數(shù)值模擬，分析了單線車站站臺(tái)火災(zāi)情景下煙氣蔓延情況和通風(fēng)排煙系統(tǒng)對(duì)煙氣的控制效果；何開遠(yuǎn)等[2]對(duì)安設(shè)屏蔽門系統(tǒng)的三維島側(cè)混合地鐵站臺(tái)進(jìn)行了火災(zāi)數(shù)值模型，分析了樓扶梯口的煙囪效應(yīng)和屏蔽門對(duì)煙氣擴(kuò)散的阻隔作用；程奉梅等[3]對(duì)某側(cè)式地鐵站臺(tái)火災(zāi)通風(fēng)排煙模式進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過改變火源位置和排煙模式，分析了煙氣運(yùn)動(dòng)機(jī)理，得到了通風(fēng)排煙的優(yōu)化模式；石郎君等[4]構(gòu)建了4種人員分布的站臺(tái)火災(zāi)場(chǎng)景，分析了人員密度對(duì)樓梯口補(bǔ)風(fēng)量、煙氣層厚度2個(gè)參數(shù)的影響。對(duì)于換乘車站，郝鑫鵬[5]針對(duì)某地鐵換乘車站開展了模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，分析了不同防煙分區(qū)內(nèi)煙氣的擴(kuò)散規(guī)律，并提出了通風(fēng)排煙優(yōu)化模式；陳靜等[6]研究了某多層地鐵換乘車站的火災(zāi)防排煙模式，分析了防煙空氣幕的柔性阻隔作用對(duì)煙氣控制效果的影響。在模型試驗(yàn)方面，孟娜[7]通過搭建1:10地鐵車站火災(zāi)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ烷_展了站臺(tái)火災(zāi)情況下?lián)鯚煷贡谠O(shè)置方式對(duì)頂棚煙氣溫度分布影響的實(shí)驗(yàn)研究，分析了站臺(tái)隧道火災(zāi)時(shí)隧道和站臺(tái)空間內(nèi)煙氣的流動(dòng)特性。在全尺寸實(shí)驗(yàn)方面，史聰靈等[8]開展了4節(jié)編組地下島式車站全尺寸熱煙測(cè)試實(shí)驗(yàn)，研究了煙氣擴(kuò)散特點(diǎn)、樓扶梯開口向下流速、有效疏散時(shí)間，分析了排煙量的非對(duì)稱性設(shè)計(jì)導(dǎo)致的煙氣非對(duì)稱流動(dòng)特點(diǎn)；鐘委等[9]在某地鐵站側(cè)式站臺(tái)進(jìn)行了熱煙試驗(yàn)，并采用FDS對(duì)站臺(tái)排煙進(jìn)行了數(shù)值模擬，提出了補(bǔ)風(fēng)方式的改進(jìn)意見；鐘茂華等[10-11]在高架換乘車站開展了全尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，對(duì)煙氣擴(kuò)散規(guī)律及控制方法進(jìn)行了研究。

綜上所述，目前對(duì)于地下?lián)Q乘車站全尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)的研究較少。本文通過在某8A編組地鐵十字換乘側(cè)式站臺(tái)公共區(qū)開展全尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，分析了不同通風(fēng)模式下的煙氣擴(kuò)散速率、煙氣沉降高度、煙氣擴(kuò)散范圍的變化規(guī)律，分析結(jié)果可為此類車站站臺(tái)防排煙設(shè)計(jì)及站臺(tái)乘客疏散策略提供技術(shù)支撐。

1 站臺(tái)概況

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為某地下兩線換乘車站[14]。該車站分為A線和B線，其中A線呈南北走向，B線呈東西走向，換乘形式為十字形側(cè)島換乘。地下2層為A線站臺(tái)層和B線中間層，A線站臺(tái)為側(cè)式站臺(tái)，站臺(tái)有效長(zhǎng)度186 m，由于換乘結(jié)構(gòu)需要，站臺(tái)沿南北方向分為3個(gè)區(qū)域，如圖1所示，Ⅰ區(qū)站臺(tái)寬度為10 m，Ⅱ區(qū)站臺(tái)寬度為4 m，Ⅲ區(qū)站臺(tái)寬度為14 m，A線站臺(tái)與B線中間層在Ⅱ區(qū)內(nèi)通過甲級(jí)防火門分隔。

在A線站臺(tái)Ⅲ區(qū)，布置有3部扶梯、1部樓梯，共2組樓扶梯，分別編為1#樓扶梯和2#樓扶梯。在站臺(tái)南門兩端分別設(shè)有端門，實(shí)驗(yàn)時(shí)端門處于開啟狀態(tài)。

圖1 換乘車站站臺(tái)層平面Fig.1 Planar graph of platform floor in transfer station

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

實(shí)驗(yàn)主要測(cè)量煙氣溫度和風(fēng)速，如圖1所示?；鹪次挥谡九_(tái)Ⅲ區(qū)東西向中心面上。在火源東側(cè)5 m處，即1#樓扶梯和2#樓扶梯所在截面布置1組測(cè)溫電纜，共計(jì)12束；在火源西側(cè)5 m處，即端門所在截面布置1組測(cè)溫電纜，共計(jì)20束；每束測(cè)溫電纜上共有8個(gè)測(cè)點(diǎn)，電纜的頂端測(cè)點(diǎn)位于站臺(tái)層頂棚下方10 cm處，各測(cè)點(diǎn)沿豎直方向排列，間隔為50 cm，溫度測(cè)點(diǎn)布置的剖面圖如圖2所示。對(duì)于風(fēng)速測(cè)點(diǎn)，在南北側(cè)端門豎直中心線上選取0.5，1和1.5 m共3個(gè)不同的高度測(cè)量端門斷面風(fēng)速。

圖2 溫度測(cè)點(diǎn)剖面圖Fig.2 Profile of temperature measurement points

2.2 工況設(shè)計(jì)

本文共設(shè)計(jì)了2組不同通風(fēng)模式下的A線站臺(tái)Ⅲ區(qū)火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，研究站臺(tái)層自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)模式下的火災(zāi)煙氣擴(kuò)散規(guī)律。站臺(tái)層機(jī)械通風(fēng)為頂部排煙，排煙口以5 m間隔均勻布置在站臺(tái)公共區(qū)域。實(shí)驗(yàn)采用甲醇燃料作為火源，火源功率約為0.5 MW，實(shí)驗(yàn)工況如表1所示，圖3為實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖片。

圖4為站臺(tái)實(shí)驗(yàn)過程中不同通風(fēng)條件下南側(cè)端門和北側(cè)端門處風(fēng)速，風(fēng)速方向均為由南至北，表明A線站臺(tái)存在由南向北的自然風(fēng)。在機(jī)械通風(fēng)條件下，南北兩側(cè)端門風(fēng)速波動(dòng)顯著大于自然通風(fēng)工況。在南側(cè)端門處，自然通風(fēng)條件下風(fēng)速約為0.5 m/s，機(jī)械通風(fēng)條件下風(fēng)速顯著增大；在北側(cè)端門處，自然通風(fēng)條件下風(fēng)速約為0.4 m/s，機(jī)械通風(fēng)條件下風(fēng)速顯著減小，說明頂部排煙作用下南側(cè)端門進(jìn)入站臺(tái)區(qū)的新鮮補(bǔ)風(fēng)風(fēng)流增加，北側(cè)端門排出的風(fēng)流減少。

表1 實(shí)驗(yàn)工況Table 1 Experimental conditions

圖3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.3 Schematic diagram of field experiment

圖4 不同通風(fēng)模式下端門風(fēng)速Fig.4 Wind speeds of end door under different ventilation modes

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 煙氣擴(kuò)散速率

在全尺寸現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)過程中，常用溫升梯度法判斷煙氣擴(kuò)散位置[15]，考慮測(cè)量誤差的影響，一般以溫升持續(xù)高于2℃作為煙氣擴(kuò)散至該處的臨界判據(jù)[14]。各溫度測(cè)點(diǎn)溫升達(dá)到2℃的時(shí)間則記為煙氣前鋒到達(dá)時(shí)間。

圖5為煙氣擴(kuò)散至站臺(tái)各測(cè)點(diǎn)的時(shí)間，采用各測(cè)點(diǎn)位置頂棚溫升來表征煙氣擴(kuò)散規(guī)律，溫度上升的起始時(shí)間為煙氣前鋒擴(kuò)散至該位置的時(shí)間。煙氣向北側(cè)的擴(kuò)散速率略高于南側(cè)，說明在站臺(tái)層存在由南向北的自然風(fēng)，這與南北側(cè)端門風(fēng)速測(cè)試的結(jié)果一致。在火源西側(cè)，機(jī)械通風(fēng)條件下煙氣擴(kuò)散速率顯著低于自然通風(fēng)，在火源東側(cè)，2種通風(fēng)模式下的擴(kuò)散速率變化不大，這主要是由于火源東側(cè)兩端為實(shí)體建筑，空間相對(duì)封閉，而火源西側(cè)兩端與南北兩側(cè)端門相連，煙氣流動(dòng)相對(duì)暢通，因此通風(fēng)作用對(duì)風(fēng)流的影響更加明顯。在火源西側(cè)，煙氣向北端的擴(kuò)散距離為51.1 m，向南端的擴(kuò)散距離為58.5 m；在火源東側(cè)，煙氣向北端的擴(kuò)散距離約為42.1 m，向南同樣擴(kuò)散至58.5 m。擴(kuò)散范圍均位于站臺(tái)Ⅲ區(qū)之內(nèi)，未影響到站臺(tái)Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)，即煙氣未擴(kuò)散至B線路站臺(tái)中間層。

3.2 煙氣沉降高度

防排煙設(shè)計(jì)中以最小清晰高度作為安全高度，最小清晰高度一般按GB51251-2017《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[16]規(guī)定的公式計(jì)算，如式(1)所示。

Hq=1.6+0.1H′

(1)

式中：Hq為最小清晰高度，m；H′為排煙空間的建筑凈高度，m，本文的站臺(tái)凈高度為4.3 m，根據(jù)式(1)計(jì)算可得，站臺(tái)區(qū)域的最小清晰高度為2.03 m。當(dāng)煙氣層高度高于最小清晰高度時(shí)，對(duì)于人員安全疏散影響較小。

火災(zāi)煙氣在擴(kuò)散過程中分為上下2層，分別為上部熱煙氣層和下部新鮮空氣層，煙氣層高度是表征煙氣沉降及其危險(xiǎn)性的重要參數(shù)。受空氣摻混和車站構(gòu)筑物等因素的影響，熱煙氣層和新鮮空氣層之間存在過渡區(qū)域，無顯著邊界。針對(duì)該情況，采用NFPA-92B[17]中建議的百分比法來確定煙氣層高度[11]，該方法通過測(cè)量豎直方向溫度數(shù)據(jù)，利用式(2)求得煙氣過渡邊界的溫度：

Tn=Cn(Tmax-T0)+T0

(2)

式中：Tn為煙氣層與空氣層分界面的溫度，℃；Tmax為豎直方向最高溫度，℃；T0為環(huán)境溫度，℃；Cn為百分比常數(shù)，當(dāng)Cn取值為0.8～0.9時(shí)，則該處表示熱煙氣層與過渡層的分界面，當(dāng)取值為0.1～0.2時(shí)，表示過渡層與新鮮空氣層的分界面[11]，本文中2者取值分別為0.8和0.2。

通過式(2)計(jì)算火源燃燒穩(wěn)定階段各測(cè)點(diǎn)位置的無量綱溫升(Cn)，并根據(jù)測(cè)點(diǎn)空間坐標(biāo)繪制自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)條件下各截面的無量綱溫升云圖，如圖6和圖7所示。在不同截面上，火源東側(cè)煙氣層高度(Cn=0.8)和火源西側(cè)基本持平，說明在站臺(tái)東西方向上的風(fēng)流對(duì)煙氣擴(kuò)散的影響較小。圖6中可以看出，自然通風(fēng)條件下，火源東側(cè)的煙氣層高度介于3.2～3.8 m之間，火源西側(cè)的煙氣層高度介于3.4～3.8 m之間。在機(jī)械通風(fēng)條件下，如圖7所示，火源東側(cè)的煙氣層高度介于3.1～3.8 m之間，火源南側(cè)的煙氣層高度介于3.4～3.7 m之間，說明站臺(tái)層機(jī)械通風(fēng)對(duì)于煙氣層高度的影響不明顯，且各工況下煙氣層高度均高于最小清晰高度。

圖6 自然通風(fēng)條件下無量綱溫升Fig.6 Dimensionless temperature rise under natural ventilation

圖7 機(jī)械通風(fēng)條件下無量綱溫升Fig.7 Dimensionless temperature rise under mechanical ventilation

煙氣與空氣摻混的過渡層下邊界(Cn=0.2)高度與煙氣層高度的規(guī)律類似，火源東西側(cè)不同截面下邊界高度基本相等，機(jī)械通風(fēng)對(duì)于下邊界高度影響不明顯。在遠(yuǎn)離火源區(qū)域，如圖6(a)中距火源南側(cè)35 m以外，煙氣沉降至最小清晰高度以下，這是由于煙氣在站臺(tái)頂棚擴(kuò)散過程中卷吸了大量新鮮空氣，熱損失導(dǎo)致煙氣溫度不斷降低，煙氣浮升力減小，沉降高度降低。

3.3 煙氣擴(kuò)散范圍

在3.2中使用百分比法判定煙氣層高度，由式(2)可以看出，該方法繪制的等勢(shì)線圖受豎直方向最高溫升的影響較大，在圖6(b)和圖7(b)中可以看到火源附近的無量綱溫升存在突然升高，主要由于火源附近直接受到火焰的熱輻射作用，使得該處豎直方向下部空間溫度相對(duì)頂棚溫度較高。

為了更全面地表征煙氣的沉降高度和擴(kuò)散范圍，采用各截面溫升云圖進(jìn)一步說明。圖8和圖9分別表示自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)條件下的煙氣溫升分布(南北方向)，煙氣擴(kuò)散至該處的判據(jù)為溫升高于2℃。在不同的通風(fēng)條件下，火源東側(cè)溫升略高于西側(cè)；在火源西側(cè)，煙氣在火源北側(cè)的擴(kuò)散距離約為50 m。圖8表明火源東側(cè)煙氣沉降高度低于最小清晰高度的范圍是長(zhǎng)度為53 m的空間(火源北側(cè)21 m至火源南側(cè)32 m)；火源西側(cè)該范圍約為50 m(火源北側(cè)14 m至火源南側(cè)36 m)?；鹪次鱾?cè)測(cè)溫截面位于南北側(cè)端門通風(fēng)截面上，而火源東側(cè)測(cè)溫截面兩端相對(duì)封閉，火源西側(cè)測(cè)溫截面煙氣與新鮮風(fēng)流的摻混作用高于火源東側(cè)，因此，火源西側(cè)煙氣對(duì)流換熱量高于火源東側(cè)，使得火源西側(cè)截面溫度更低，煙氣擴(kuò)散的范圍更小。

機(jī)械通風(fēng)條件下，如圖9所示，火源東側(cè)煙氣沉降高度低于最小清晰高度的范圍是長(zhǎng)度為32 m的空間(火源北側(cè)16 m至火源南側(cè)16 m)；火源西側(cè)該范圍約為26 m(火源北側(cè)12 m至火源南側(cè)14 m)。圖8和圖9表明機(jī)械通風(fēng)能夠有效控制煙氣擴(kuò)散和沉降范圍。

圖8 自然通風(fēng)條件下站臺(tái)層煙氣層溫升Fig.8 Temperature rise of smoke layer at platform floor under natural ventilation

圖9 機(jī)械通風(fēng)條件下站臺(tái)層煙氣層溫升Fig.9 Temperature rise of smoke layer at platform floor under mechanical ventilation

圖10～12分別表示自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)條件下站臺(tái)層3部樓扶梯所在截面的煙氣溫升分布。從圖中可以看出，煙氣擴(kuò)散至1#樓扶梯和2#樓扶梯處，3#樓扶梯處無溫升。機(jī)械通風(fēng)能夠有效降低樓扶梯豎直方向溫度。1#樓扶梯處溫升顯著大于2#樓扶梯，當(dāng)該位置站臺(tái)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，宜引導(dǎo)乘客從3#樓扶梯和2#樓扶梯向站廳層疏散。

圖10 1#樓扶梯處豎直方向溫升Fig.10 Temperature rise in vertical direction at 1# escalator

圖11 2#樓扶梯處豎直方向溫升Fig.11 Temperature rise in vertical direction at 2# escalator

圖12 3#樓扶梯處豎直方向溫升Fig.12 Temperature rise in vertical direction at 3# escalator

4 結(jié)論

1)A線路站臺(tái)發(fā)生0.5 MW規(guī)?；馂?zāi)時(shí)，煙氣未擴(kuò)散至B線區(qū)域，十字換乘車站站臺(tái)的斷面面積沿?zé)煔鈹U(kuò)散方向的縮小使得大部分煙氣蓄積在斷面面積較大的站臺(tái)區(qū)域，斷面面積的縮小有效抑制了煙氣的縱向擴(kuò)散。

2)綜合采用百分比法和溫升法來分析測(cè)試站臺(tái)火災(zāi)的煙氣擴(kuò)散規(guī)律。通過百分比法分析可以看出，在本文開展的0.5 MW規(guī)?；馂?zāi)實(shí)驗(yàn)中，機(jī)械通風(fēng)開啟對(duì)于煙氣層高度的影響不明顯，火源功率更大時(shí)的煙氣控制效果需進(jìn)一步研究；溫升法表明，機(jī)械通風(fēng)能夠有效控制煙氣擴(kuò)散速率、煙氣擴(kuò)散和沉降的范圍，在火源東側(cè)，機(jī)械通風(fēng)將煙氣沉降至最小清晰高度的范圍由53 m縮減至32 m，在火源西側(cè)，該范圍由50 m縮減至26 m。