地鐵十字換乘車站全尺寸實驗研究：Ⅰ.站廳火災*

田向亮，鐘茂華，陳俊灃，劉 暢，仇培云

(1.清華大學 工程物理系 公共安全研究院，北京 100084； 2.東北大學 資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；3.廣州地鐵集團有限公司，廣東 廣州 510330)

0 引言

隨著地鐵客運量的快速增加，對城市軌道交通運力的要求也越來越高，越來越多的地鐵線路采用運力更大的8A編組列車。對于8A編組地鐵的十字換乘車站，2條線路的站廳相互連通形成1個共用的大站廳，2條線路站廳區(qū)域吊頂處采用擋煙垂壁隔開。一旦站廳公共區(qū)發(fā)生火災，煙氣將影響站臺層換乘乘客和出站乘客的疏散安全，因此站廳層火災時防排煙措施的有效性對車站各防煙分區(qū)的人員疏散安全具有重要影響。

目前，針對地鐵站廳火災安全的研究主要集中在采用頂部排煙的地下車站，研究方法主要包括數(shù)值模擬和模型實驗。袁建平等[1]通過FDS模擬了某大型地鐵換乘車站站廳機械排煙效果，該模型中地鐵換乘形式類似于“L”形換乘，結果表明采用站廳各防煙分區(qū)進行排煙的模式能夠較好地控制煙氣擴散及沉降；鐘茂華等[2]采用FDS構建了某“T”形換乘車站的火災數(shù)值計算模型，對換乘通道火災時站廳不同防煙分區(qū)通風系統(tǒng)聯(lián)動模式的煙氣控制效果開展了研究，結果表明，在此類車站站廳的防排煙設計中，應采用各防煙分區(qū)全排煙的通風模式；Ji等[3]對地鐵車站狹長形空間內(nèi)火源附近煙氣最高溫度進行了理論和實驗研究，并建立了頂棚最高溫度預測模型；顧正洪等[4]對站臺與站廳之間煙氣控制的臨界風速開展了一系列數(shù)值模擬研究，并通過在廣州地鐵二號線“中大站”進行現(xiàn)場火災實驗對模擬結果進行了驗證；張亦昕等[5]對地鐵車站站廳不同吊頂裝修形式的火災煙氣層沉降和溫度分布特征進行了數(shù)值模擬研究，重點分析了吊頂鏤空率對煙氣蓄積特性的影響；鐘委等[6]采用Fluent軟件建立某雙層島式地鐵車站的三維計算模型，對機械排煙和活塞風作用下站廳火災煙氣分層現(xiàn)象和氣流組織模式進行了研究；羅娜[7]對某中庭式地鐵換乘車站站廳火災的通風模式開展了模型實驗和數(shù)值模擬研究，結果表明，采用站廳頂部天窗進行自然排煙、地下2層和3層站臺進行送風的模式能夠有效地控制煙氣擴散和沉降；梁智勇[8]分析了含商業(yè)區(qū)的站廳層火災人員疏散過程，對超長通道的人員疏散安全進行了研究；樊艷等[9]通過構建某地鐵車站站廳火災的數(shù)值計算模型，分析了細水霧對10 MW規(guī)模火災的煙氣危險性參數(shù)的影響；高俊霞等[10]通過對某單線高架車站站廳火災自然通風條件下的煙氣擴散過程進行數(shù)值模擬，提出了此類結構車站站廳排煙優(yōu)化方案，并分析了擋煙垂壁高度和排煙口設置方式對火災防排煙的影響；李炎峰[11]對換乘車站公共站廳的煙氣擴散情況開展了數(shù)值模擬，詳細分析了煙氣溫度變化、蔓延時間和沉降過程。此外，部分學者在車站站廳開展了全尺寸實驗，鐘茂華等[12]在某地鐵高架車站開展了不同火災規(guī)模的站廳實驗，分析了不同起火位置站廳火災危險性；史聰靈等[13]在某4節(jié)編組地下2層島式車站開展了全尺寸熱煙測試，主要研究了站廳通風排煙系統(tǒng)的聯(lián)動模式。

本文為了全面了解在不同通風模式下地鐵十字換乘車站站廳的火災發(fā)展規(guī)律，通過開展地鐵十字換乘站廳公共區(qū)的全尺寸火災實驗，對不同通風模式下的煙氣擴散速率、煙氣擴散范圍、樓扶梯出口溫度等參數(shù)進行分析，研究結果可為此類車站站廳防排煙設計及人員疏散策略提供技術建議。

1 車站概況

本文實驗在某地下2線換乘車站進行。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, A線與B線2個車站采用十字形側島換乘。該站共設4個出入口，其中A線2個出入口中，出入口Ⅰ可正常使用，出入口Ⅱ暫時關閉，B線Ⅲ、Ⅳ號出入口可正常使用。車站共3層，車站地下1層為A線及B線站廳層，站廳中部為公共區(qū)，公共區(qū)由進出站閘機及通透型柵欄劃分為付費區(qū)和非付費區(qū)。非付費區(qū)與出入口通道連接，經(jīng)樓扶梯可達地面。A線南北兩端與B線公共區(qū)東西兩端為付費區(qū)，中間為非付費區(qū)。站廳層付費區(qū)內(nèi)布置有12部扶梯、6部樓梯。另設置2部乘客電梯，該電梯由站廳層直達A線及B線站臺層。A線車站南、北兩端為設備用房區(qū)域。地下2層為A線站臺層，站臺為側式站臺，站臺寬3.9 m，站臺有效長度186 m,車站全長235.9 m，標準段寬為38.4 m。地下3層為B線站臺層，站臺為島式站臺，站臺寬12 m，站臺有效長度106 m，車站全長134.2 m。

實驗場所為2換乘線路的公共站廳，如圖1所示，其中A線呈南北走向，B線呈東西走向。站廳凈高度為5.3 m，站廳公共區(qū)最大長度為115 m，A線站廳寬度為36 m，B線站廳寬度為20 m。A線和B線站廳層直接貫通，A線與B線換乘區(qū)域結合面吊頂處采用高度0.5 m的擋煙垂壁隔開。實驗主要在A線站廳中進行，在A線站廳公共區(qū)域，布置有6部扶梯、2部樓梯，共4組樓扶梯(編號1#～4#)。在A線站廳區(qū)域，設置2個出入口，分別為出入口Ⅰ和出入口Ⅱ，其中出入口Ⅱ關閉。A線車站南、北兩端為設備用房區(qū)域。

圖1 換乘車站站廳層平面Fig.1 Plan of transfer station hall

2 實驗設計

2.1 測點布置

圖2為實驗測點布置平面圖，從東西方向來看，火源位于A線站廳東西向中心面上，正對出入口Ⅰ。對于溫度測點，在火源東側16.2 m處，即1#樓扶梯和2#樓扶梯截面上布置1組測溫電纜；在火源西側11.5 m處，即3#樓扶梯截面上布置1組測溫電纜；在火源東西側各4.2 m截面上分別布置1組測溫電纜，共4組測溫電纜，每組7束測溫電纜，每束測溫電纜上設置有8個測點，頂端測點位于站廳層頂棚下方0.1 m處，其余測點間隔為0.5 m沿豎直方向排列，測溫電纜量程為0～127 ℃，測溫誤差為±0.5 ℃，溫度測點布置的剖面圖如圖3所示。對于風速測點，由于僅有出入口Ⅰ開放，因此在出入口中心線上選取3 m，2 m和1 m 3個不同的高度測量出入口Ⅰ斷面風速。

圖2 實驗測點布置平面Fig.2 Layout of experimental points

圖3 溫度測點剖面Fig.3 Temperature measurement points profile

2.2 工況設計

針對站廳公共區(qū)火災場景，共設計2組實驗，改變通風模式，對比自然通風和開啟站廳層通風排煙系統(tǒng)模式下的火災煙氣擴散規(guī)律。站廳層機械通風為頂部排煙，排煙管道和排煙口均勻布置在A線站廳公共區(qū)。實驗采用甲醇燃料模擬火源，火源功率為1 MW，實驗工況如表1所示，實驗過程如圖4所示。

表1 換乘車站站廳公共區(qū)實驗工況Table 1 Experimental conditions in transfer station hall

圖4 現(xiàn)場實驗示意Fig.4 Schematic diagram of field experiment

圖5為不同通風條件下出入口Ⅰ處的風速，風速方向均為由外而內(nèi)，說明在出入口Ⅰ處存在風壓為正壓，并向站廳公共區(qū)補風，風速大小0～0.5 m/s，通風排煙系統(tǒng)開啟對出入口處風速影響不大。

圖5 不同通風模式下出入口Ⅰ風速Fig.5 Wind speeds of Entrance and Exit I under different ventilation modes

3 實驗結果與分析

3.1 煙氣前鋒到達時間

煙氣擴散速率受到自身卷吸能力、擴散區(qū)域內(nèi)的風速和擴散區(qū)域構筑物設置等因素的影響。在全尺寸現(xiàn)場實驗過程中，溫升梯度法常被用于煙氣擴散至該處的判斷方法[14]，考慮到測量誤差，一般以溫升持續(xù)高于2℃作為煙氣擴散至該處的臨界判據(jù)。記錄各溫度測點溫升達到2℃的時間作為煙氣前鋒到達時間，該時間的取值方法如圖6所示。

圖6 煙氣前鋒到達時間取值示意Fig.6 Arrival time of smoke front

圖7表示不同通風模式下煙氣擴散至站廳各位置的時間對比?；鹪茨蟼葻煔馇颁h到達時間顯著小于火源北側，即火源南側煙氣擴散速率較大。這說明在站廳內(nèi)存在由北向南的自然風。在火源南側，自然通風和機械通風條件下煙氣擴散的速率基本一致。在火源北側，距火源更近的截面(東西側4.2 m)上自然通風和機械通風條件下的煙氣擴散速率基本一致；在距火源較遠的截面(東側16.2 m和西側11.5 m)上機械通風條件下的煙氣擴散速率顯著低于自然通風工況，在火源東側16.2 m處，煙氣僅擴散至火源北側4.5 m處，在火源西側11.5 m處，煙氣雖擴散至火源北側32.5 m處，但耗時618 s，說明機械通風能夠有效抑制煙氣擴散的速率。綜合來看，站廳內(nèi)由北向南的自然風和頂部機械排煙對站廳風流結構均有顯著影響。

圖7 不同通風模式下煙氣前鋒到達時間Fig.7 Arrival time of smoke front under different ventilation modes

3.2 煙氣的擴散與沉降

GB/T 33668-2017《地鐵安全疏散規(guī)范》[15]規(guī)定：“地鐵車站安全疏散設計應按在6 min內(nèi)將必須疏散乘客全部疏散至安全區(qū)為原則”。選取起火后6 min為臨界點，以溫升高于2℃為判據(jù)，結合圖7中的煙氣前鋒到達時間繪制起火6 min時煙氣擴散范圍的示意圖，如圖8和圖9所示。

圖8 自然通風條件下煙氣擴散范圍示意(6 min)Fig.8 Smoke diffusion range under natural ventilation (6 min)

圖9 機械通風條件下煙氣擴散范圍示意(6 min)Fig.9 Smoke diffusion range under mechanical ventilation (6 min)

從圖中可以看出，無論是自然通風還是機械通風，在點火6 min后煙氣均未擴散至1#樓扶梯處。在自然通風條件下，煙氣在點火后425 s擴散至1#樓扶梯(CH0-3)，在機械通風條件下，煙氣始終未擴散至1#樓扶梯。說明在上述火災工況下，1#樓扶梯作為乘客疏散出口較為安全。結合圖7～9可以看出，機械通風能夠有效控制煙氣擴散的速率以及擴散的范圍。

煙氣在站廳頂棚擴散過程中不斷卷吸下層新鮮空氣，使得煙氣層厚度不斷增加，煙氣層高度的不斷下降對于人員疏散極為不利。GB 51251-2017《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術標準》[16]規(guī)定防排煙設計計算中的最小清晰高度應按下式計算：

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。站廳凈高度為5.3 m，因此站廳區(qū)域的最小清晰高度為2.13 m。排煙系統(tǒng)應將煙氣控制在最小清晰高度以上，才能確保不影響人員安全疏散。

選取各測點在火災穩(wěn)定階段的平均溫升，結合各溫度測點的空間坐標繪制各截面的溫升云圖。圖10和圖11分別表示自然通風和機械通風條件下各截面(以火源東側為例)的煙氣溫升分布云圖(南北方向)，同樣以溫升高于2℃作為煙氣擴散至該處的判據(jù)。

圖10 自然通風條件下煙氣層溫升(南北方向)Fig.10 Excess temperature of smoke layer under natural ventilation (south-north)

圖11 機械通風條件下煙氣層溫升(南北方向)Fig.11 Excess temperature of smoke layer under mechanical ventilation (south-north)

受由北向南自然風影響，火源南側溫升顯著高于火源北側溫升。自然通風條件下，對于火源東側4.2 m截面，火源北側9.5 m至火源南側16.5 m的范圍內(nèi)，煙氣沉降至最小清晰高度以下；對于火源東側16.2 m截面，火源北側6.5 m至火源南側22.5 m的范圍內(nèi)，煙氣沉降至最小清晰高度以下。機械通風條件下，煙氣沉降至最小清晰高度以下的范圍顯著減小，在火源東側16.2 m截面上，煙氣均未沉降至該高度；在火源東側4.2 m截面上，該范圍由26 m縮小至22 m。綜上所述，機械通風排煙能夠有效控制煙氣擴散的范圍以及沉降的高度，公共站廳A線區(qū)域火災煙氣未蔓延至B線區(qū)域(火源北側42.5 m)。

3.3 各樓扶梯處危險性分析

樓扶梯出口處溫度對于站臺乘客通過樓扶梯疏散至關重要。選取靠近1#～4#樓扶梯出口的測溫電纜，分析樓扶梯出口處豎直方向溫度變化規(guī)律。

圖12和圖13分別為自然通風和機械通風條件下各樓扶梯出口處豎直方向溫度隨時間變化的規(guī)律。機械通風條件下，各樓扶梯處溫度相較自然通風條件下均有顯著下降。在1#樓扶梯和4#樓扶梯處，各點溫升較小，如圖12(a),12(d),13(a)和13(d)所示，只有少量的煙氣擴散至1#樓扶梯和4#樓扶梯處，且未有顯著沉降，表明在站廳火災過程中1#樓扶梯和4#樓扶梯處的火災危險性較低；在2#樓扶梯處，最高頂棚溫度達到47℃，在3#樓扶梯處，最高頂棚溫度達到52℃，在距地面2.7 m以上區(qū)域，溫升幅度高于8℃，在距地面1.7 m和2.2 m也存在較小的溫升。綜上所述，火源北側的1#樓扶梯和4#樓扶梯處溫度顯著低于火源南側的2#樓扶梯和3#樓扶梯，距離B線站廳較近的1#樓扶梯和4#樓扶梯溫升較小，說明A線站廳火災在站廳內(nèi)由北向南自然風的影響下，未擴散至B線站廳區(qū)域；同時2#樓扶梯和3#樓扶梯處溫度較高，不適宜站臺人員疏散。

圖12 自然通風條件下各樓扶梯處豎直方向溫度變化規(guī)律Fig.12 Vertical temperature variation of escalators under natural ventilation

圖13 機械通風條件下各樓扶梯處豎直方向溫度變化規(guī)律Fig.13 Vertical temperature variation of escalators under mechanical ventilation

圖14 自然通風條件下樓扶梯所在截面溫升分布(東西方向)Fig.14 Excess temperature profile of escalator section under natural ventilation (east-west)

圖15 機械通風條件下樓扶梯所在截面溫升分布(東西方向)Fig.15 Excess temperature profile of escalator section under mechanical ventilation (east-west)

為了進一步表明各樓扶梯處的火災危險性，繪制各樓扶梯所在截面的煙氣溫升分布云圖。圖14和圖15分別表示自然通風和機械通風排煙條件下站廳層東西方向上樓扶梯所在截面的煙氣溫升分布?；鹪幢眰鹊?#樓扶梯和4#樓扶梯與火源南側的2#樓扶梯和3#樓扶梯關于火源對稱，但火源北側樓扶梯處溫度顯著低于南側，再次表明在站廳層內(nèi)存在由北向南的自然風流。2#樓扶梯和3#樓扶梯處煙氣沉降至最小清晰高度以下，危險性較高；1#樓扶梯和4#樓扶梯煙氣沉降高度高于最小清晰高度，危險性較低。由于1#樓扶梯和4#樓扶梯在換乘區(qū)域附近，進一步推斷當A線發(fā)生火災時，火災煙氣對B線站廳的影響不大。站廳人員宜向B線站廳方向疏散，站臺乘客宜從1#樓扶梯和4#樓扶梯進入站廳層從B線站廳區(qū)域疏散。從截面溫升分布可以看出，在站廳層東西方向上，煙氣溫度分布向西側偏移，總體保持對稱分布，這說明雖然出入口Ⅰ處存在由外而內(nèi)(從東向西)的自然風，但對于站廳層由東向西的風流影響不大，主要影響了由北向南的風流。

4 結論

1)根據(jù)地鐵十字換乘車站全尺寸實驗發(fā)現(xiàn)，1 MW規(guī)模的A線站廳公共區(qū)火災煙氣未擴散至B線站廳；機械通風排煙系統(tǒng)能夠有效抑制煙氣擴散的速率，有效控制煙氣擴散的范圍和沉降的高度。

2)A線站廳出入口對于站廳層內(nèi)自然風壓影響較大，造成站廳南部樓扶梯處煙氣蓄積嚴重，煙氣層降至較低水平，不利于人員從南側樓扶梯疏散和應急救援，站臺人員宜從火源北側樓扶梯疏散至B線站廳，站廳人員宜向B線站廳方向疏散。

3)針對此類結構車站站廳的防排煙設計，應綜合考慮出入口位置設置和空間構筑物布局，充分考慮自然風壓和機械通風排煙風壓對煙氣擴散的影響，確保換乘車站站廳火災過程中換乘區(qū)域人員疏散路徑和樓扶梯處煙氣層高度和煙氣溫度處于安全水平。