陳怡樺 張 悅 杜 靈 王 勇

（1.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400045；2.重慶市沙坪壩區(qū)消防救援支隊 重慶 400045；3.重慶重大建設(shè)工程質(zhì)量檢測有限公司 重慶 400045）

0 引言

隨著地鐵的高速發(fā)展，地鐵防災(zāi)系統(tǒng)的安全性越來越受到重視。為了分析和評估地鐵車站防災(zāi)系統(tǒng)的安全性能，國內(nèi)學(xué)者及研究機構(gòu)紛紛開展了各種研究。史聰靈，鐘茂華，涂旭煒等人進(jìn)行了模型試驗以及數(shù)值模擬的研究[1-3]。中國安全生產(chǎn)科學(xué)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(zāi)系統(tǒng)進(jìn)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(zāi)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(shù)值模擬，地鐵全尺寸實驗更能獲得有價值參考數(shù)據(jù)，且可反映地鐵火災(zāi)實況。配合獲得的地鐵防災(zāi)系統(tǒng)聯(lián)動測試數(shù)據(jù)，更能為地鐵防災(zāi)系統(tǒng)的安全性能做出分析與評估。目前國內(nèi)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(shù)據(jù)參數(shù)[1-8]。而實際發(fā)生火災(zāi)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(shè)規(guī)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(zāi)系統(tǒng)安全性，相關(guān)單位在多條通車線路上進(jìn)行了熱煙試驗，獲得了一定的數(shù)據(jù)。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(zāi)系統(tǒng)為研究對象，進(jìn)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(jié)果可為類似暗挖島式地鐵車站的防災(zāi)設(shè)計提供參考。

1 車站和實驗系統(tǒng)設(shè)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(shè)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(zāi)系統(tǒng)

本站站臺站廳公共區(qū)為一個防火分區(qū)，站廳層右側(cè)設(shè)備管理區(qū)為一個防火分區(qū)，站臺層右側(cè)設(shè)備區(qū)為一個防火分區(qū)。站臺層扶梯開口四周設(shè)從結(jié)構(gòu)板底下垂至吊頂面一下0.5m 的擋煙垂壁。站廳公共區(qū)和站臺公共區(qū)分別為一個防煙分區(qū)，面積為1567m2和1086m2。

該工程主要系統(tǒng)包括FAS 系統(tǒng)、BAS 系統(tǒng)綜合監(jiān)控、系統(tǒng)、通風(fēng)排煙系統(tǒng)、疏散指示系統(tǒng)、閘機（AFC）、屏蔽門、PIS 系統(tǒng)、應(yīng)急照明、供電切非等。工程主要防災(zāi)系統(tǒng)功能描述為：①當(dāng)有一個感煙探測器或感溫探測器報警后，火災(zāi)自動報警聯(lián)動控制器接收到第一個報警信號，當(dāng)火災(zāi)自動報警聯(lián)動控制器接收到第二個報警信號后，火災(zāi)自動報警（FAS）系統(tǒng)直接啟動專用消防設(shè)備如消防防排煙風(fēng)機、防煙和防火閥等（站廳層）；對于站臺層，同時啟動兼用風(fēng)機，即軌行區(qū)排熱（OTE）風(fēng)機和風(fēng)機房內(nèi)隧道（TVF）風(fēng)機。同時由火災(zāi)自動報警系統(tǒng)自動下達(dá)火災(zāi)模式控制指令給環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS 系統(tǒng)）和綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS），環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)自動進(jìn)入模式控制程序，并將火災(zāi)模式指令執(zhí)行信息反饋給綜合監(jiān)控系統(tǒng)。②供電切非、警鈴、電梯、消防泵、門禁系統(tǒng)、防火卷簾門等由FAS 系統(tǒng)直接聯(lián)動。③平時用于送、排風(fēng)的通風(fēng)系統(tǒng)與暖通空調(diào)系統(tǒng)共用設(shè)備（隧道通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、風(fēng)閥、照明系統(tǒng)、自動扶梯等），由BAS 控制。④綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成電力監(jiān)控系統(tǒng)（PSCADA）、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）、站臺門系統(tǒng)（PSD），互聯(lián)廣播（PA）、閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)（CCTV）、門禁系統(tǒng)（ACS）、乘客信息顯示系統(tǒng)（PIS）、自動售檢票系統(tǒng)（AFC）、火災(zāi)自動報警系統(tǒng)（FAS）、時鐘系統(tǒng)（CLK）、列車監(jiān)視系統(tǒng)（ATS）、集中告警系統(tǒng)（ALM）等由綜合監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動或提示緊急后備操作盤（IBP）手動操作。

1.3 測試系統(tǒng)

全尺寸火災(zāi)實驗系統(tǒng)主要包括火源系統(tǒng)、測量系統(tǒng)?；鹪聪到y(tǒng)用于產(chǎn)生預(yù)設(shè)火災(zāi)功率的熱煙氣，包括燃燒器、煙氣發(fā)生器和煙氣發(fā)生箱和保護裝置，主體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。燃燒器包括由鋼板焊接形成、根據(jù)預(yù)設(shè)火災(zāi)功率改變數(shù)量組合及擺放方式的燃燒油盤組成。油盤尺寸為0.841m（內(nèi)部長）×0.595m（內(nèi)部寬）×0.13m（內(nèi)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(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of fire source system

測量系統(tǒng)用于獲得現(xiàn)場熱煙測試的指標(biāo)參數(shù)，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(tǒng)進(jìn)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(nèi)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(shù)據(jù)，以便獲得相關(guān)危險性指標(biāo)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(fēng)管排煙口處；測點位置3 為OTS 風(fēng)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(fēng)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(shè)備區(qū)門處。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 站廳溫度分布分析

2.1.1 溫度測試數(shù)據(jù)

由于在地鐵站進(jìn)行7.5MW 火災(zāi)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(shè)為1.5MW。為了得到預(yù)期7.5MW 功率下的溫度，根據(jù)公式（1）比例關(guān)系以及1.5MW 實驗工況下的溫升，從而計算出預(yù)期煙氣溫升。

其中，T g、T0為煙氣層溫度和環(huán)境空氣溫度，AT為頂棚和側(cè)壁總面積（扣除通風(fēng)面積），A0為通風(fēng)口面積，ρ0為空氣密度，H 為頂棚高度，g為加速度。Q為火災(zāi)功率，cp為空氣比熱，C為常數(shù)。若其他參數(shù)不變的狀況下，可以得出煙氣溫升ΔTg與火災(zāi)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(nèi)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(nèi)煙氣層達(dá)到最高，30s 后開始溫度下降，說明該處存在負(fù)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(tǒng)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(xiàn)象，說明有穩(wěn)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(jù)圖5 中的實驗最大溫升，由公式（1）算得預(yù)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(nèi)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(shù)據(jù)

在疏散時間內(nèi)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(zāi)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(jìn)行對應(yīng)分析，從而為人員的疏散提供依據(jù)。

從圖6 的熱成像分析看，火源功率在110s 時達(dá)到峰值，與實際火災(zāi)發(fā)展的規(guī)律一致。疏散口的溫升小，與溫度巡檢儀測得數(shù)據(jù)一致，煙氣在疏散時間內(nèi)均沒有下降到人員疏散區(qū)，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(shù)據(jù)

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(jié)果一致）。而且，圖7（b）出現(xiàn)了逆溫現(xiàn)象。通過風(fēng)管布置可以看出，位置10 的排煙口位置處于送風(fēng)口附近。當(dāng)排煙系統(tǒng)啟動后，送風(fēng)系統(tǒng)開始聯(lián)動補風(fēng)，而補風(fēng)貼附吊頂與煙氣混合，導(dǎo)致排煙口處溫度下降。圖7（c）所示為樓梯疏散口，出現(xiàn)了正常的溫度分層現(xiàn)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(fēng)道處，火災(zāi)時端部屏蔽門打開，隧道風(fēng)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(jù)圖7 中的實驗最大溫升，由公式（1）算得到預(yù)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(yù)期煙氣溫度均未超過60℃，故有利于火災(zāi)工況下人員的安全疏散。2.2.2 熱成像儀測試數(shù)據(jù)

圖8（a）、（b）顯示火災(zāi)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(nèi)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(xiàn)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(xiàn)0～0.1PPM 的區(qū)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(zāi)煙氣貼附擴散到該處。當(dāng)熱煙層降到2m 以下時，對于大空間其能見度臨界指標(biāo)為10m，在可接受的能見度范圍內(nèi)，毒性都很低，不會對人造成影響，且1.5m高人呼吸區(qū)總體的CO 體積分?jǐn)?shù)在35ppm 以內(nèi)，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(nèi)[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(zāi)過程中，主要觀察主要的人員疏散區(qū)的煙氣下降情況。當(dāng)煙氣下降到1.8 米處，處于人員的疏散空間內(nèi)，該高度設(shè)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(dá)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(fēng)幕機沒有起到阻隔作用，或未在相應(yīng)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(dá)到1.8m高處。結(jié)果可為設(shè)備系統(tǒng)的復(fù)檢提供依據(jù)。

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(zāi)檢測表明，F(xiàn)AS 系統(tǒng)中涉及的煙感、切非、應(yīng)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(tǒng)涉及的OTE 風(fēng)機、TVF 風(fēng)機、廣播系統(tǒng)均能正常啟動。2.7 排煙系統(tǒng)及樓梯開口速度

2.7.1 排煙系統(tǒng)風(fēng)量

根據(jù)測試的數(shù)據(jù)與消防檢測第三方單位的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，兩者一致?？偟呐艧熈窟_(dá)到要求。

2.7.2 樓梯開口流速

站臺層火災(zāi)期間，樓梯開口流速測定為2.5m/s，大于《地鐵設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的1.5m/s 的要求[15]，實測數(shù)據(jù)滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)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(zāi)煙氣實驗，獲得了各系統(tǒng)在火災(zāi)狀況下的動態(tài)測試數(shù)據(jù)。主要結(jié)論如下：

（1）對地鐵車站開展全尺寸火災(zāi)煙氣實驗是必要的，獲得的測試數(shù)據(jù)可為該地鐵防災(zāi)系統(tǒng)的安全性能進(jìn)行整體性安全評價。

（2）通過熱煙實驗的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，可以為設(shè)計、施工存在的問題提供整改依據(jù)。

（3）不同的車站，由于工程系統(tǒng)設(shè)計不同，其熱煙測試的結(jié)果不同。因此，類似地下暗挖島式地鐵車站出現(xiàn)的普適性問題尚待收集相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。