地鐵多線換乘車站火災(zāi)模型實驗研究-(4)換乘通道火災(zāi)*

程輝航，鐘茂華，陳俊灃，龍 增，楊宇軒，田向亮,2

(1.清華大學(xué) 工程物理系公共安全研究院，北京 100084；2.中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院 礦山采空區(qū)災(zāi)害防治應(yīng)急管理部重點實驗室，北京 100012)

0 引言

隨城市軌道交通迅速發(fā)展，我國部分城市交通規(guī)劃與建設(shè)已進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)化階段。截止2019年底，擁有換乘車站的城市28個，占開通軌道交通城市總數(shù)的70%。正在規(guī)劃建設(shè)的4 625座車站中，換乘車站1 366座，占比29.5%[1-2]。換乘車站客流密度大、空間規(guī)模大、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，火災(zāi)引發(fā)因素較多，并且大范圍擴(kuò)散的火災(zāi)煙氣使安全救援難度增大[3]。

針對不同換乘車站結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外學(xué)者通過模型實驗、全尺寸實驗及數(shù)值模擬等手段，研究站廳火災(zāi)煙氣擴(kuò)散規(guī)律和防排煙設(shè)計。根據(jù)線路走向，地鐵站內(nèi)一般采用平行換乘、交叉式換乘和通道式換乘3種換乘方式，其中交叉式換乘根據(jù)交叉形式與交叉點不同，又可分為十字、“T”形、“L”形等換乘方式[4]。針對交叉式換乘車站，袁建平等[5]利用火災(zāi)動力學(xué)模擬(Fire Dynamics Simulator，F(xiàn)DS)方法，搭建大型換乘車站全尺寸模型，發(fā)現(xiàn)開啟站廳全部防煙分區(qū)風(fēng)機(jī)進(jìn)行排煙能夠使煙氣得到有效控制；Feng等[6]建立北京地鐵六里橋站數(shù)值模擬模型，發(fā)現(xiàn)開啟鄰線站廳風(fēng)機(jī)送風(fēng)輔助排煙，能有效抑制煙氣向鄰線站廳擴(kuò)散；田向亮等[7]與鐘茂華等[8]在某十字換乘車站開展全尺寸火災(zāi)實驗，分析站廳與站臺煙氣擴(kuò)散規(guī)律。針對平行換乘車站，鐘茂華等[9]在同站臺高架換乘車站站廳層開展全尺寸火災(zāi)實驗，研究出入口布局與吊頂形式對火災(zāi)危險性影響，提出利用自然風(fēng)壓形成一定通風(fēng)換氣量，能夠確?；馂?zāi)情況下人員安全疏散；Long等[10]結(jié)合模型實驗與FDS模擬，研究不同火災(zāi)情景下雙島式車站火災(zāi)煙氣特征，通過改變隧道風(fēng)機(jī)組合運行方式與屏蔽門開啟方式，優(yōu)化車站防排煙設(shè)計。

通道式換乘車站相關(guān)研究較少，Tian等[11]采用數(shù)值模擬方法，從煙氣溫度、CO濃度、能見度和煙氣層高度等方面，研究頂部橫梁、頂部通風(fēng)口尺寸及通風(fēng)方式對換乘通道火災(zāi)危險性的影響。隨城市地鐵線網(wǎng)不斷擴(kuò)張，部分線路在前期規(guī)劃中未預(yù)留換乘車站，在后期建設(shè)過程中廣泛采用長距離通道實現(xiàn)換乘。在北京地鐵換乘車站中，通道式換乘車站包括國貿(mào)站和知春路站[12]。換乘通道客流密度大，一旦發(fā)生火災(zāi)極易造成人員傷亡，同時火災(zāi)煙氣蔓延會嚴(yán)重威脅站內(nèi)人員生命安全。本文利用1∶10多線換乘車站模型[13]分析不同區(qū)域頂棚溫度分布，比較不同通風(fēng)聯(lián)動模式煙氣控制效果，為通道換乘式車站防排煙控制方案制定提供理論依據(jù)。

1 實驗設(shè)計

1.1 裝置概況

實驗地點位于地鐵多線換乘車站模型地下1層，換乘通道火災(zāi)實驗系統(tǒng)如圖1所示。實驗?zāi)Ｐ桶ㄆ叫袚Q乘車站站廳(以下簡稱站廳A+B)、十字換乘車站站廳(以下簡稱站廳C)[14-15]以及連接2站廳的換乘通道，換乘通道呈“L”型，寬1 m，高0.6 m，東西方向通過通道口1與平行換乘車站相連，南北方向通過通道口2與平行換乘車站相連。選用鋼化玻璃作為通道側(cè)壁材料，便于觀察煙氣流動狀況。

圖1 換乘通道火災(zāi)實驗系統(tǒng)Fig.1 Experimental system of transfer channel fire

實驗溫度測試系統(tǒng)包括測溫電纜(含測溫探頭)、測溫模塊和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，測溫電纜采用一線總線分布式，布置在站廳與換乘通道頂棚下方，測溫探頭間距500 mm。整個裝置內(nèi)共布設(shè)9根測溫電纜，其中5根(T1～T5)布置在站廳A+B內(nèi)，3根(T6～T8)布置在站廳C內(nèi)，1根(T9)布置在換乘通道內(nèi)。

1.2 實驗工況

通道內(nèi)火源位置共3處，火源1、3位于通道口附近，分別鄰近車站A+B與車站C，火源1、3煙氣更易擴(kuò)散進(jìn)入站廳，威脅站廳內(nèi)人員生命安全；火源2位于通道轉(zhuǎn)角處，用于研究“L”型結(jié)構(gòu)換乘通道內(nèi)煙氣擴(kuò)散規(guī)律。

發(fā)生火災(zāi)時，需開啟站廳內(nèi)通風(fēng)排煙系統(tǒng)，控制煙氣向站廳蔓延。實驗中選擇開啟站廳內(nèi)距換乘通道較近一端的排煙風(fēng)機(jī)，在站廳A+B北側(cè)與站廳C西側(cè)各安裝2臺軸流風(fēng)機(jī)，根據(jù)風(fēng)機(jī)開啟模式不同(送風(fēng)或排煙)，設(shè)計5種通風(fēng)聯(lián)動模式，對比不同通風(fēng)模式對煙氣擴(kuò)散控制效果，通風(fēng)聯(lián)動模式相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 通風(fēng)聯(lián)動模式設(shè)計Table 1 Design of leakage ventilation modes

實驗選用甲醇油池火作為火源，燃料盛放在正方形鐵鑄油盤內(nèi)，油盤有80 mm×80 mm，100 mm×100 mm和120 mm×120 mm 3種不同尺寸，對應(yīng)全尺寸火源熱釋放速率分別為0.91 MMW，1.77 MW和2.60 MW。根據(jù)火源功率與通風(fēng)模式不同，共開展45組實驗，換乘通道火災(zāi)實驗工況見表2。換乘通道內(nèi)不同火源位置實驗場景如圖2所示。為防止火焰灼燒火源正上方電纜，在火源處設(shè)置鐵制防護(hù)架，防護(hù)架高850 mm，頂部為薄鐵板，四周無其他遮擋物，對火源燃燒與煙氣擴(kuò)散影響可忽略不計。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 通道內(nèi)煙氣擴(kuò)散規(guī)律

換乘通道呈“L”型，與站廳A+B相連東西段長5 m，與站廳C相連南北段長3 m。選擇通道口與轉(zhuǎn)角處作為火源位置，在自然通風(fēng)條件下展開實驗。

表2 換乘通道火災(zāi)實驗工況設(shè)計Table 2 Design on experimental conditions of fire in transfer channel

圖2 換乘通道不同火源位置Fig.2 Fire scenarios of different fire source locations in transfer channel

火源1起火后，換乘通道內(nèi)頂棚最高溫升如圖3所示。轉(zhuǎn)角處測點位于z軸，頂棚溫度最高值出現(xiàn)在火源正上方，溫升為42～85 ℃。由于火源距離站廳A+B較近，煙氣迅速擴(kuò)散進(jìn)入臨近站廳，在通道口1處溫升高于20 ℃。煙氣逐漸向站廳C方向擴(kuò)散，煙氣熱量經(jīng)熱交換與對流傳熱等作用不斷損失，至轉(zhuǎn)角處溫升降至13～25 ℃。自然通風(fēng)條件下，通道內(nèi)風(fēng)量較小，無法抑制煙氣向上游方向回流，經(jīng)過轉(zhuǎn)角處的煙氣在回流過程中受通道側(cè)壁阻擋，部分煙氣再次發(fā)生反向流動，在轉(zhuǎn)角處煙氣蓄積，溫升增大，經(jīng)過轉(zhuǎn)角處第1個測點溫升15～27 ℃，高于相鄰的、距離火源更近的測點溫升，通道轉(zhuǎn)角附近區(qū)域內(nèi)存在1個溫升的局部峰值，煙氣經(jīng)過該區(qū)域，與空氣混合整體向前運動。由圖3可知，曲線逐漸趨于平緩，頂棚溫升保持在8～14 ℃。結(jié)果表明：3種不同火災(zāi)規(guī)模均符上述煙氣擴(kuò)散規(guī)律。

圖3 火源1起火后換乘通道內(nèi)頂棚溫升Fig.3 Temperature rise of ceiling in transfer channel after ignition of fire source 1

火源2起火后換乘通道內(nèi)頂棚最高溫升如圖4所示。由圖4可知，頂棚最高溫升為29～78 ℃，小于火源1起火時最高溫升。煙氣在2個方向呈現(xiàn)出不同擴(kuò)散規(guī)律：在站廳A+B方向，距火源1.5 m內(nèi)溫升梯度較大，在較遠(yuǎn)處溫升逐漸穩(wěn)定在10～24 ℃；在站廳C方向，相同火災(zāi)規(guī)模下，煙氣運動0.5 m后溫升曲線趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定時溫升為17～38 ℃。由于火源位于通道轉(zhuǎn)角處，在此回流的煙氣溫度較高，所以撞擊邊壁發(fā)生反向流動的煙氣能夠運動至較遠(yuǎn)距離，并形成煙氣蓄積。在站廳A+B方向，煙氣距離火源2 m處發(fā)生蓄積，并出現(xiàn)局部溫升峰值。

圖4 火源2起火后換乘通道內(nèi)頂棚溫升Fig.4 Temperature rise of ceiling in transfer channel after ignition of fire source 2

火源3起火后換乘通道內(nèi)頂棚溫升如圖5所示。在相同火災(zāi)規(guī)模下，頂棚最高溫升為42～93 ℃，大于火源1和火源2，煙氣回流使轉(zhuǎn)角區(qū)域附近出現(xiàn)溫升峰值。

圖5 火源3起火后換乘通道內(nèi)頂棚溫升Fig.5 Temperature rise of ceiling in transfer channel after ignition of fire source 3

2.2 不同通風(fēng)模式下煙氣控制效果

換乘通道連接平行換乘站廳與十字換乘站廳，高溫?zé)煔獬錆M通道后，繼續(xù)蔓延至兩側(cè)站廳，需采取合理有效的排煙聯(lián)動模式，控制煙氣進(jìn)一步擴(kuò)散。對于換乘通道內(nèi)火災(zāi)，兩側(cè)車站均配備疏散乘客出入口，通道內(nèi)人員疏散完畢后，可通過關(guān)閉換乘通道的方式阻止火勢進(jìn)一步蔓延[16]。根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》(GB 50157—2013)[17]，乘客由站臺層疏散至站廳公共區(qū)或其他安全區(qū)域的時間不應(yīng)超過6 min。因此，假定火災(zāi)發(fā)生6 min后通道內(nèi)人員全部疏散完畢，換乘通道關(guān)閉。

通過對比火災(zāi)發(fā)生6 min后5種不同通風(fēng)模式下站廳溫升以及煙氣擴(kuò)散范圍，研究不同火災(zāi)情景下最優(yōu)煙氣控制模式。考慮到火源位置對煙氣危險性影響較大，對于火源1、3，優(yōu)先分析與火源距離較小站廳的煙氣情況。

1)火源1起火

火源1靠近站廳A+B，進(jìn)入站廳煙氣溫度高，擴(kuò)散范圍大，以站廳北端測點作為x軸起點，站廳東端作為y軸起點，考慮測量期間環(huán)境因素影響，以2 ℃溫升為界限劃分煙氣擴(kuò)散范圍，火源1發(fā)生100 mm×100 mm油盤火災(zāi)時站廳A+B頂棚溫升分布如圖6所示。圖6(a)為自然通風(fēng)，通道口附近溫升超過30 ℃；當(dāng)開啟站廳北側(cè)風(fēng)機(jī)排煙時，開展聯(lián)合排煙模式，一定程度上能夠控制煙氣擴(kuò)散，使煙氣擴(kuò)散范圍有所減小，如圖6(b)～(c)所示；由圖6(d)可知，在站廳A+B送風(fēng)、站廳C送風(fēng)通風(fēng)模式下，對比前3種通風(fēng)模式，溫升高于10 ℃的局域面積明顯減小，但煙氣向南擴(kuò)散范圍增大，整個站廳均出現(xiàn)1 ℃以上溫升，表明此通風(fēng)模式能降低通道口1附近區(qū)域站廳內(nèi)溫升幅度，但由于火源1距站廳C較遠(yuǎn)，經(jīng)通道轉(zhuǎn)角處煙氣碰撞墻壁產(chǎn)生回流及額外能量損失，擴(kuò)散至通道口2時煙氣能量降低，在送風(fēng)作用下難以進(jìn)入站廳C，流向站廳A+B導(dǎo)致煙氣的擴(kuò)散范圍擴(kuò)大；在站廳A+B送風(fēng)、站廳C排煙的通風(fēng)模式下，通道口1附近頂棚溫度分布與模式4相似，2種通風(fēng)模式下站廳C內(nèi)T6測溫電纜的溫升情況如圖7所示。由圖7可知，模式4通道口附近溫升略低于模式5，由于開啟排煙能將部分煙氣從站廳C排出，減少進(jìn)入站廳A+B煙氣量，使進(jìn)入站廳C煙氣量增加，但溫升高于2 ℃區(qū)域仍集中在通道口2附近，站廳C內(nèi)煙氣擴(kuò)散范圍沒有明顯增大，站廳A+B內(nèi)煙氣擴(kuò)散范圍減小，說明模式5煙氣控制效果要優(yōu)于模式4；在其他2種火源功率下，采用通風(fēng)模式5時站廳的溫度分布如圖8所示，在80 mm×80 mm火災(zāi)規(guī)模下，遠(yuǎn)端溫升低于1 ℃，在120 mm×120 mm的火災(zāi)規(guī)模下，遠(yuǎn)端溫升超過2 ℃。通過對比不同火源功率下溫度分布情況發(fā)現(xiàn)，火災(zāi)規(guī)模較小，采用站廳A+B送風(fēng)、站廳C排煙的聯(lián)動模式能較好控制煙氣擴(kuò)散；火災(zāi)規(guī)模較大，5種通風(fēng)方式均不能有效控制站廳A+B內(nèi)煙氣蔓延。

圖6 火源1起火6 min后站廳A+B溫度分布(100 mm×100 mm)Fig.6 Temperature distribution in station hall A &B after 6 minutes of ignition at fire source 1 (100 mm×100 mm)

圖7 火源1起火6 min后T6測溫電纜溫度分布(100 mm×100 mm)Fig.7 Temperature distribution of temperature measuring cable T6 after 6 minutes of ignition at fire source 1 (100 mm×100 mm)

2)火源位置2、3起火

火源2發(fā)生100 mm×100 mm油盤火災(zāi)時，站廳A+B頂棚溫升如圖9所示?；鹪?起火時，自然通風(fēng)工況下，站廳內(nèi)最高溫升及擴(kuò)散范圍均低于火源1。當(dāng)站廳A+B開啟排煙模式時，由于站廳A+B面積大，風(fēng)機(jī)排煙量不足，相比于自然通風(fēng)，煙氣擴(kuò)散范圍與升溫降低幅度不明顯，煙氣控制效果一般；當(dāng)站廳A+B風(fēng)機(jī)送風(fēng)時，站廳內(nèi)溫升幅度相比自然通風(fēng)時明顯下降，最高溫升小于10 ℃，同時煙氣擴(kuò)散范圍小于模式2、3；對于通道轉(zhuǎn)角處火災(zāi)，站廳A+B風(fēng)機(jī)送風(fēng)能夠限制煙氣擴(kuò)散，通風(fēng)模式4、5控?zé)熜Ч麅?yōu)于其他幾種模式。

換乘通道與十字換乘車站相連的南北段較短，相比于平行換乘站廳，十字換乘站廳較小，在轉(zhuǎn)角處火災(zāi)的煙氣可能對十字換乘站廳危害更大。以站廳C西端作為x軸起點，火源2發(fā)生100 mm×100 mm油盤火災(zāi)時站廳C頂棚溫升分布如圖10所示。由于火源2位于通道轉(zhuǎn)角處，距離十字換乘車站更近，溫升更為明顯，自然通風(fēng)下最高溫升大于25 ℃，如圖10(a)所示。在兩側(cè)站廳同時送風(fēng)(模式4)，整個站廳C內(nèi)頂棚溫升大于2 ℃，煙氣擴(kuò)散范圍大；當(dāng)站廳C開啟排煙風(fēng)機(jī)時，十字換乘站廳面積較小，排煙量等同于站廳A+B時，站廳C排煙作用效果較好，抑制煙氣的擴(kuò)散；盡管在模式5下，站廳A+B送風(fēng)導(dǎo)致進(jìn)入站廳C煙氣量增加，溫升增大，但綜合站廳A+B內(nèi)煙氣擴(kuò)散結(jié)果，對于通道轉(zhuǎn)角處火災(zāi)，采用通風(fēng)模式5，即站廳A+B近端送風(fēng)、站廳C近端排煙，能最好地控制煙氣向兩側(cè)站廳擴(kuò)散。

圖8 通風(fēng)模式5站廳A+B溫度分布(火源1)Fig.8 Temperature distribution in station hall A & B under ventilation mode 5 (fire source 1)

圖9 火源2起火6 min后站廳A+B頂棚溫升分布Fig.9 Temperature rise distribution of ceiling in station hall A & B after 6 minutes of ignition at fire source 2

位置3發(fā)生100 mm×100 mm油盤火災(zāi)時油盤火災(zāi)6 min后站廳C頂棚溫升分布如圖11所示。由于火源3與站廳C之間距離極短，與火源2起火相比，煙氣進(jìn)入站廳時能量更高，高溫?zé)煔馀c新鮮空氣摻雜后導(dǎo)致熱驅(qū)動力不足，煙氣在通道口附近蓄積，站廳A+B風(fēng)機(jī)送風(fēng)或排煙無法對站廳C內(nèi)氣流組織形式產(chǎn)生明顯影響，通風(fēng)模式2、4和3、5各自之間溫度分布差異??；類似火源2時工況條件，當(dāng)站廳C開啟風(fēng)機(jī)送風(fēng)時，煙氣擴(kuò)散充滿整個站廳，不利于安全疏散；將風(fēng)機(jī)調(diào)整為排煙模式時，由圖11可知，T6～T8測溫電纜上溫度高于2 ℃的熱電偶數(shù)小于自然通風(fēng)時熱電偶數(shù)，說明站廳排煙能夠抑制煙氣蔓延，減小煙氣擴(kuò)散范圍。

3 結(jié)論

1)煙氣在換乘通道內(nèi)擴(kuò)散，不同火源位置通道內(nèi)頂棚溫升分布存在一定差異；自然通風(fēng)條件下，火源3起火時，通道內(nèi)頂棚最高溫升大于火源1和火源2；受通道結(jié)構(gòu)影響，部分煙氣回流受通道側(cè)壁阻擋作用，在轉(zhuǎn)角區(qū)域附近形成煙氣蓄積，導(dǎo)致溫升高于相鄰區(qū)域；火源位置不同，產(chǎn)生溫度局部峰值的位置不同。

圖10 火源2起火6 min后站廳C頂棚溫升分布Fig.10 Temperature rise distribution of ceiling in station hall C after 6 minutes of ignition at fire source 2

圖11 火源3起火6 min后站廳C頂棚溫升分布Fig.11 Temperature rise distribution of ceiling in station hall C after 6 minutes of ignition at fire source 3

2)通道口1附近發(fā)生火災(zāi)時，開啟近側(cè)風(fēng)機(jī)排煙效果較差，無法將高溫?zé)煔鈴恼緩d內(nèi)排出；轉(zhuǎn)角處起火時，站廳C面積較小，在和站廳A+B相同排煙量下，站廳C排煙作用效果較好，有效抑制煙氣擴(kuò)散；相比其他通風(fēng)聯(lián)動模式，站廳A+B送風(fēng)、站廳C排煙控?zé)熜Ч^好。

3)當(dāng)通道口2附近發(fā)生火災(zāi)時，由于火源與站廳C之間距離極短，煙氣在通道口附近形成蓄積，站廳A+B風(fēng)機(jī)送風(fēng)或排煙無法對站廳C內(nèi)氣流組織形式產(chǎn)生明顯影響；單獨開啟站廳C內(nèi)風(fēng)機(jī)進(jìn)行排煙能夠抑制煙氣蔓延，減小煙氣擴(kuò)散范圍。