雙層島式地鐵站站廳全尺寸煙氣溫度傳播規(guī)律研究*

吳 進，吳子科，蔡治勇,3，劉 剛，張愛婕

(1.重慶科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，重慶 401331；2.重慶市安全生產(chǎn)科學(xué)研究有限公司，重慶 401331；3.重慶市安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，重慶 401331)

0 引言

地下雙層島式結(jié)構(gòu)地鐵站廳內(nèi)一旦發(fā)生火災(zāi)，地鐵站內(nèi)廣告宣傳欄、垃圾桶、線纜及裝飾材料等部分可燃材料會迅速燃燒，產(chǎn)生有毒有害煙氣，大量煙氣集聚降低站廳內(nèi)能見度，人員疏散困難，可造成嚴重事故后果。

國內(nèi)外學(xué)者針對地鐵站火災(zāi)展開模擬分析和試驗論證：鐘委等[1]根據(jù)地鐵站可燃物和已發(fā)生火災(zāi)類型，建立3種地鐵火災(zāi)模型，發(fā)現(xiàn)地鐵站站廳(站臺)小賣部和垃圾桶最易造成地鐵站火災(zāi)；李樂等[2]提出采用出入口作為自然補風(fēng)口能有效減緩出入口煙氣濃度；Wu[3]對天津下窩房地鐵站進行火災(zāi)模擬發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)DS模擬軟件在溫度方面更接近煙氣試驗數(shù)據(jù)；史聰靈等[4-7]對區(qū)間隧道和車站隧道進行全尺寸火災(zāi)試驗并以4節(jié)編組地下雙層島式車站為對象，提出地鐵站火災(zāi)煙氣流動特點；趙蘭英等[8-9]通過對換乘站構(gòu)建火災(zāi)模型，提出在地鐵站火災(zāi)發(fā)生10 min后中部換乘站不利于人員疏散，基于該模型總結(jié)煙氣由火源點向出入口和樓梯口流動規(guī)律特點，為人員疏散路線規(guī)劃提供支撐；Zhong等[10]采用1∶15的地鐵站隧道模型進行地鐵站火災(zāi)測試，引入煙霧擴散和排風(fēng)口角度研究煙氣溫度變化，推導(dǎo)出自然通風(fēng)條件下頂棚溫度和排煙量經(jīng)驗公式，證明地鐵站通風(fēng)系統(tǒng)是影響火災(zāi)煙氣傳播的重要因素；丁偉等[11]利用FDS軟件研究地鐵站站臺煙氣流動規(guī)律，并引入不同端門開閉模式，得出排風(fēng)量和補風(fēng)量與煙氣溫度變化關(guān)系；陳奕岑等[12]提出地鐵站火災(zāi)排煙風(fēng)機最佳排煙速度為8 m/s，并得到風(fēng)機最佳排煙量；Gong等[13]通過在站臺不同位置設(shè)置火源，得出排煙量與排風(fēng)效率呈正向關(guān)系；Tavakolian等[14]對島式站臺和雙側(cè)站臺進行火災(zāi)模擬發(fā)現(xiàn)，島式站臺在煙氣控制上難度更大；文獻[15-17]對平行換乘車站、十字換乘車站火災(zāi)進行模型試驗研究，提出不同排煙方案；Min等[18]通過以1∶15模型試驗研究，得到煙氣溫度分布和位于縮尺隧道頂部的豎井排煙規(guī)律；Zeng[19]對地下雙島地鐵站進行全尺寸火災(zāi)煙氣運動和控制試驗，提出煙溫隨距火源縱向距離而逐漸衰減的規(guī)律。上述研究多在頂棚或1.5 m高度處進行，但有關(guān)地鐵站廳全尺寸的煙氣傳播規(guī)律的縱向研究尚有不足。

因此，本文以典型地下雙層島式結(jié)構(gòu)地鐵站為對象，分別采用PyroSim數(shù)值模擬軟件和現(xiàn)場熱煙測試2種方法研究站廳立體空間內(nèi)全尺寸(高度從1.0～4.5 m，長寬為整個站廳面積)高溫煙氣沉降時間、煙氣溫度變化和熱輻射影響范圍等，得到該站廳火災(zāi)情況下6 min時間段內(nèi)煙氣傳播規(guī)律。研究結(jié)果可為類似地下地鐵站站廳火災(zāi)溫度傳播規(guī)律研究提供參考。

1 站廳火災(zāi)模型的構(gòu)建和數(shù)值模擬

1.1 研究背景

某車站設(shè)4個出入口(已開3個，預(yù)留1個)，總建筑面積12 628 m2，長208.0 m，寬14.0 m，站廳有效面積1 482.3 m2，有效長度81 m，有效寬度18.3 m，有效高度4.5 m。

1.2 火災(zāi)模型構(gòu)建

PyroSim數(shù)值模擬軟件是美國國家標準局與技術(shù)研究院(NIST)研發(fā)的1款火災(zāi)動態(tài)仿真模擬軟件，能夠準確模擬煙氣溫度、CO濃度、可見度變化情況。以南昌地鐵3號線某站廳為例，構(gòu)建1∶1島式地鐵站站廳火災(zāi)模型，如圖1所示。模型長81.0 m，寬18.3 m，高4.5 m，設(shè)置3個出入口，1個電梯和8個承重柱；站廳頂部設(shè)置送排風(fēng)口40個，布置在行人走廊兩側(cè)，風(fēng)口間距3.0 m，通風(fēng)空調(diào)和防排煙系統(tǒng)總排風(fēng)量約60 m3/s。

圖1 島式地鐵站站廳火災(zāi)模型Fig.1 Fire model of island subway station hall

1.3 參數(shù)選擇

選用甲醇為火源燃料，燃燒速率為0.187 6 kg/s，單位面積熱釋放率為696 kW/m2，火源面積(長×寬)為1.1 m×0.8 m；溫度傳感器設(shè)置為2條測線(L1～L8和R1～R8)，每條測線有8個測試點，在每個測試點位置的1.5～4.5 m高度，每間隔0.5 m設(shè)置1個溫度傳感器(共計112個)，由于1.0～1.5 m高度的2個測點溫度差趨近于0，因此在1.0 m高度不再設(shè)置溫度傳感器；網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置為0.5 m×0.5 m×0.5 m，網(wǎng)格總數(shù)量112 320個。

1.4 數(shù)值模擬分析

通過對站廳左右側(cè)設(shè)置溫度傳感器，選取具有代表性的溫度變化分析該火災(zāi)模型煙氣擴散規(guī)律。

1)站廳左側(cè)煙氣溫度分析

左側(cè)傳感器溫度隨時間變化情況如圖2所示。由圖2可知，在地鐵站站廳火災(zāi)模擬中，左側(cè)測串溫度較高，且變化劇烈。其中測串L3離火源最近，溫度變化最為明顯。通過左側(cè)8個測串可知，火災(zāi)發(fā)生0～30 s高溫煙氣區(qū)域較少，傳感器溫度幾乎保持不變，L3測串中傳感器溫度變化極小，說明高溫煙氣主要分布于火源頂棚煙區(qū)域，還未向站廳四周擴散。在火災(zāi)發(fā)生30～180 s，由測串L1可知4.0，4.5 m高度的傳感器溫度變化劇烈，最高溫度為40 ℃，2個傳感器溫度接近，表明4.0 m高度的煙氣層已出現(xiàn)煙氣沉降。火災(zāi)發(fā)生100 s后，3.5 m高度的溫度在達到30 ℃，表明此刻站廳排煙效果下降，排煙量不能平衡該處高溫煙氣生成量，導(dǎo)致該高度溫度出現(xiàn)上升。測串L3距離火源最近，該位置溫度傳感器反饋最快，頂棚處傳感器溫度最高，火災(zāi)發(fā)生30 s后，各煙氣層從上到下依次出現(xiàn)升溫現(xiàn)象，該時間段3.5 m煙氣層受煙氣影響最大，最高溫度超過60 ℃；測串L8與L1相比，溫度上升小，煙氣擴散到該處時間久，受高溫煙氣影響的煙氣層主要在4.0～4.5 m，其中頂棚最高溫度為36 ℃。站廳火災(zāi)發(fā)生180 s后，高溫煙氣已布滿整個頂棚區(qū)域，4.0 m高度煙氣層已有大量高溫煙氣凝集，且高溫煙氣繼續(xù)向下沉降，尤其在L3測串位置煙氣沉降最為明顯，煙氣沉降高度至3.5 m。

圖2 左側(cè)傳感器溫度隨時間變化Fig.2 Change of temperatures measured by left side sensors with time

2)站廳右側(cè)煙氣溫度分析

右側(cè)傳感器溫度隨時間變化如圖3所示。由圖3可知，左右兩側(cè)傳感器溫度變化規(guī)律大致相同，站廳中部區(qū)域煙氣溫度高且沉降明顯。受出入口影響，頂棚煙氣優(yōu)先往站廳右端部擴散，該側(cè)高溫煙氣分布仍主要集中在4.0 m及以上高度，3.5 m煙氣層出現(xiàn)高溫煙氣區(qū)域主要在站廳中部?；馂?zāi)發(fā)生30 s前，各傳感器溫度變化趨近于0；火災(zāi)發(fā)生30 s后，離火源較近的溫度傳感器開始出現(xiàn)變化，部分煙氣層開始出現(xiàn)煙氣沉降。

圖3 右側(cè)傳感器溫度隨時間變化Fig.3 Change of temperatures measured by right side sensors with time

2 熱煙測試現(xiàn)場試驗

2.1 地鐵站現(xiàn)有防火系統(tǒng)

地鐵站現(xiàn)有防火系統(tǒng)包含通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)。其中，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)分為車站公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)和防排煙系統(tǒng)，當綜合監(jiān)控接到火災(zāi)聯(lián)動指令，自動切換到火災(zāi)模式，根據(jù)火災(zāi)位置，聯(lián)動協(xié)調(diào)信號系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)進入相應(yīng)模式，切斷除消防用電外的電源，打開火災(zāi)廣播模式，開啟車站公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)和防排煙系統(tǒng)。

2.2 測試設(shè)備

1)數(shù)據(jù)處理器選擇。選用多功能數(shù)據(jù)采集控制模塊LTM8662，24 V供電，1 A的開關(guān)電源；每個模塊能連接8根數(shù)據(jù)傳感線；波特率9 600/19 200/38 400；自動識別傳感器數(shù)量，支持LTM8901D 數(shù)字化溫度傳感器、溫濕度探頭及ITU 模塊在1條3芯傳輸線上混裝、混接。

2)傳感器選型。選用DS18B20 數(shù)字化溫度傳感器，測量溫度范圍為-55 ℃～+125 ℃，在-10 ℃～+85 ℃范圍內(nèi)精度為±0.5 ℃，采用“一線總線”數(shù)字方式傳輸。

3)熱煙測試系統(tǒng)的組成。熱煙測試設(shè)備系統(tǒng)組成：傳感線一端固定到地鐵站頂棚，傳感線末端(靠近地板的一端)與數(shù)據(jù)處理器進行連接，數(shù)據(jù)處理器分別與筆記本顯示器和電源器連接，1根傳感線帶有8個溫度傳感器。

2.3 火源和發(fā)煙裝置

根據(jù)《城市軌道交通試運營前安全評價規(guī)范》(AQ 8007—2013)[20]，火源功率設(shè)置為0.7 MW，燃燒時間不少于10 min，燃料采用工業(yè)甲醇，發(fā)煙材料采用煙餅，煙氣pH值應(yīng)接近中性，顏色為白色。為確保能夠觀察熱煙試驗全程煙氣變化情況，煙餅準備100個(分2批次放入發(fā)煙裝置，每次間隔大約15 min)，選用2個規(guī)模為0.841 m×0.595 m×0.13 m的火盤，火源點設(shè)置在站廳中部，位于上下行步梯口右側(cè)。

2.4 傳感器布置

站廳內(nèi)傳感器布置在出入口、閘機口、過道左右側(cè)等重要位置，傳感器布置確保試驗測試全覆蓋，布置方法與仿真模擬溫度傳感器一致，詳細布點位置如圖4所示。

圓點代表傳感線位置圖4 地鐵站廳傳感線布點Fig.4 Layout of sensor lines in subway station hall

在站廳通風(fēng)空調(diào)和防排煙系統(tǒng)運行良好狀態(tài)下進行測試，火災(zāi)防災(zāi)系統(tǒng)在火災(zāi)發(fā)生30 s時開始運行，每次火災(zāi)試驗測試時間為30 min，共進行3次測試，主要測試整個站廳內(nèi)高溫煙氣溫度變化情況。

3 試驗結(jié)果與分析

根據(jù)3次現(xiàn)場火災(zāi)測試結(jié)果，將試驗數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)進行擬合分析，排除未能及時開啟地鐵防火系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)。分析發(fā)現(xiàn)及時開啟地鐵防火系統(tǒng)與模擬數(shù)據(jù)擬合程度高，因此選擇該組數(shù)據(jù)進行研究。

3.1 站廳左側(cè)測串溫度分析

地鐵站站廳火災(zāi)發(fā)生時，左側(cè)測串溫度變化劇烈，高溫煙氣主要集中在4.0 m及以上，特別是離火源最近的測串L3、L4，最高溫度接近60 ℃。站廳左側(cè)測串L1、L3、L4、L8各高度煙氣層溫度隨時間變化情況如圖5～8所示。通過左側(cè)8個測串數(shù)據(jù)分析可知：

圖5 站廳左側(cè)測串L1各高度煙氣層溫度隨時間變化Fig.5 Change of smoke layer temperatures at each height layer measured by measurement string L1 at left side of station hall with time

1)火災(zāi)發(fā)生0～30 s時，該站廳環(huán)境溫度變化小且有毒有害氣體尚未擴散，站廳中部區(qū)域L3、L4在火災(zāi)發(fā)生20 s之后溫度開始出現(xiàn)上升，站廳較為安全，與PyroSim仿真模擬(以下簡稱“仿真模擬”)結(jié)果吻合，高溫煙氣未發(fā)生煙氣沉降。

圖7 站廳左側(cè)測串L4各高度煙氣層溫度隨時間變化Fig.7 Change of smoke layer temperatures at each height layer measured by measurement string L4 at left side of station hall with time

圖8 站廳左側(cè)測串L8各高度煙氣層溫度隨時間變化Fig.8 Change of smoke layer temperatures at each height layer measured by measurement string L8 at left side of station hall with time

2)火災(zāi)發(fā)生30～180 s時，測串L1顯示頂棚4.5 m處煙氣層開始出現(xiàn)沉降，且高溫煙氣已沉降至4 m處，表明該處排風(fēng)系統(tǒng)新風(fēng)量未能抵消高溫氣體生成量，導(dǎo)致溫度急速上升；測串L3、L4顯示，當火災(zāi)發(fā)生30 s后出現(xiàn)急速升溫現(xiàn)象，高溫煙氣主要分布在4 m及以上，且有繼續(xù)沉降趨勢，導(dǎo)致3.5 m高度受煙氣威脅，與仿真模擬結(jié)果吻合。

3)火災(zāi)發(fā)生180 s后，高溫煙氣蔓延整個頂棚，L3、L4測串結(jié)果顯示，高度3.5～4.0 m間存在高溫煙氣且溫度持續(xù)上升，熱輻射溫度影響主要在集中在測串L3～L4區(qū)域。由圖6可知，火災(zāi)發(fā)生180 s后，在3.5，3.0 m高度處存在顯著溫差，說明3.5 m以上高度主要受到高溫煙氣影響，3.0 m及以下高度主要受到火源點熱輻射影響。

圖6 站廳左側(cè)測串L3各高度煙氣層溫度隨時間變化Fig.6 Change of smoke layer temperatures at each height layer measured by measurement string L3 at left side of station hall with time

3.2 站廳右側(cè)測串溫度分析

站廳右側(cè)測串R1、R3、R4、R8各高度上煙氣層溫度隨時間變化情況如圖9～12所示。由R1～R8傳感器溫度數(shù)據(jù)可知，站廳左右兩側(cè)高溫煙氣變化規(guī)律大致相同，在火災(zāi)發(fā)生30 s內(nèi)未見煙氣沉降，火災(zāi)發(fā)生360 s前高溫煙氣主要分布在4.0 m及以上高度。但對左側(cè)而言，右側(cè)離火源更遠且受到空氣流動影響，測串溫度變化較小。測串R1和R8試驗結(jié)果顯示，雖然R8測點處出入口未開放且該處補風(fēng)效果比測串R1弱，但因站廳兩端出入口數(shù)量不同導(dǎo)致煙氣呈非對稱擴散，2測點溫度相差不大。該試驗結(jié)果和站廳火災(zāi)模擬數(shù)據(jù)均能反映補風(fēng)量對于高溫煙氣傳播具有較大的影響。R3測串位于排風(fēng)口正下方，排風(fēng)口區(qū)域會吸收大量煙氣，測點處溫度的整體變化與其他測串一樣，均呈溫度上升趨勢。

圖9 站廳右側(cè)測串R1各高度煙氣層溫度隨時間變化Fig.9 Change of smoke layer temperatures at each height measured by measurement string R1 at right side of station hall with time

圖10 站廳右側(cè)測串R3各高度煙氣層溫度隨時間變化Fig.10 Change of smoke layer temperatures at each height measured by measurement string R3 at right side of station hall with time

圖11 站廳右側(cè)測串R4各高度煙氣層溫度隨時間變化Fig.11 Change of smoke layer temperatures at each height measured by measurement string R4 at right side of station hall with time

圖12 站廳右側(cè)測串R8各高度煙氣層溫度隨時間變化Fig.12 Change of smoke layer temperatures at each height measured by measurement string R8 at right side of station hall with time

綜上，煙氣從火源上升到頂棚后擴散，且向站廳右端擴散比較明顯，高溫煙氣層主要集中在3.5 m以上區(qū)域，站廳中部區(qū)域溫度遠大于站廳兩端?；馂?zāi)發(fā)生30 s時，站廳頂棚少量煙氣到達站廳右端出入口，高溫煙氣主要聚集在火源位置的頂棚區(qū)域，站廳為安全區(qū)域；火災(zāi)發(fā)生60 s時，4.5 m煙氣層高度大多位置已經(jīng)布滿煙氣，煙氣已由站廳中部位置擴散到站廳兩端，站廳中部位置排風(fēng)能力不足，難以及時排走頂棚高溫煙氣；火災(zāi)發(fā)生180 s時，高溫煙氣沉降高度一般位于4.0～4.5 m，4.0 m以下的煙氣層溫度趨于平穩(wěn)，若排風(fēng)系統(tǒng)不能完全抵消4.0～4.5 m煙氣沉降生成量，3.5 m煙氣層會出現(xiàn)大量高溫煙氣；火災(zāi)發(fā)生360 s時頂棚煙氣溫度繼續(xù)上升，煙氣濃度增大，沉降趨勢更為明顯。在其他高度煙氣層中煙氣溫度相對較低，但火源附近伴隨大量熱輻射。送風(fēng)口區(qū)域的溫度相對于附近區(qū)域普遍較低；排風(fēng)口區(qū)域的溫度波動較大。

4 結(jié)論

1)本文所選地鐵火災(zāi)發(fā)生30 s內(nèi)，左右兩側(cè)溫度變化極小，站廳排風(fēng)效果良好，未見任何部位煙氣沉降，人員安全未受到威脅；火災(zāi)發(fā)生360 s，高溫煙氣層沉降高度主要分布在3.5 m及以上，均未沉降到能直接威脅人員高度(1.5 m)。其中站廳中部區(qū)域溫度最高，高溫煙氣層最低沉降在3.0～3.5 m，最高溫度超過60 ℃。

2)出入口補風(fēng)會嚴重影響該區(qū)域溫度，出入口補風(fēng)效果越好，煙氣層溫度越低；站廳兩端出入口數(shù)量不同，導(dǎo)致站廳煙氣擴散呈非對稱擴散的方式，優(yōu)先擴散至L1出入口，且出入口補風(fēng)效果越好，越不容易造成煙氣沉降。

3)送風(fēng)口會影響煙氣溫度變化。靠近送風(fēng)口區(qū)域，溫度相對附近區(qū)域普遍較低；排風(fēng)口處溫度波動較大，但仍隨時間呈上升趨勢。