地铁同站台高架换乘车站火灾全尺寸实验研究-(1)火灾场景设计*

钟茂华，刘　畅，田向亮，梅　棋，肖　衍，张　磊

(1.清华大学 工程物理系 公共安全研究院，北京 100084；2.东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819；3.北京市轨道交通设计研究院有限公司，北京 100068；4.北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100068)

0　引言

随着我国城市轨道交通的快速发展，部分城市正在形成网络化运营格局，换乘车站比例逐渐升高，线网规模日益庞大[1]。与单线车站相比，换乘车站的客流密度大、结构型式复杂，一旦发生火灾事故不仅会威胁站内乘客的生命安全，且会影响相邻换乘线路甚至整个线网的运营安全。因此,对换乘车站火灾烟气在多个防烟分区的扩散及沉降特征开展深入研究，有利于提高此类车站的防排烟技术水平，对于地铁线网运营安全具有重要意义。

目前国内外学者针对地铁火灾安全的研究多集中于单线运营车站，研究方法主要分为数值模拟、模型实验和全尺寸实验。Roh等[2]通过构建地铁站内列车火灾场景的数值计算模型，研究了屏蔽门系统和通风系统对站台乘客疏散时间的影响；吴振坤[3]等对某城市单线运营车站进行了火灾数值模拟研究，分析了空气幕射流速度和角度对烟气控制效果的影响；梁强等[4]利用FDS对某地下两层岛式车站站台火灾进行模拟研究，分析了站台火灾烟气蔓延过程和站厅楼梯口的气流分布特性；纪杰[5]通过数值模拟和模型实验，对地铁站台不同火灾位置时的排烟口位置优化分布进行了研究；钟茂华等[6-8]设计并搭建了1∶10的地铁单线深埋车站火灾实验模型，开展了车站隧道列车火灾和站台公共区火灾实验，通过分析烟气运动过程、烟气温度和流速变化情况对站内气流组织、烟气蔓延规律进行了研究；史聪灵等[9-11]设计了地铁车站全尺寸火灾实验系统，并在某地下侧式车站的站台隧道和区间隧道内开展全尺寸实验，通过执行站台隧道轨排系统和区间隧道通风系统火灾模式，对烟气纵向和竖直方向温度分布、蔓延速度和区间隧道气流组织模式进行了研究，为地铁车站隧道和区间隧道的防排烟设计提供了实体实验数据支撑。

针对换乘车站，Gao等[12]通过开展某中庭式十字换乘车站火灾数值模拟，研究了中庭自然排烟口面积和强制通风换气次数对站内烟气扩散及控制的影响；袁建平等[13]对采用站厅换乘的某地下三层岛式车站构建数值计算模型，通过分析站内烟气扩散速度和能见度等对不同排烟模式的烟气控制效果进行了比较；李炎峰[14]对“十字”形、“T”形和“L”形换乘车站火灾气流组织形式、烟气蔓延特征和通风排烟效果进行了模拟分析。开展地铁换乘车站全尺寸火灾实验，获取烟气扩散过程中的危险性参数，能够为数值模拟、模型实验提供实体数据验证，通过全尺寸实验提出或修正的防排烟理论模型和技术方法能够应用于实际地铁工程。本文对某同站台高架换乘车站现场全尺寸火灾实验进行了方案设计，后续的研究中将详细介绍站台层、站厅层和设备区的实验开展情况及典型实验结果。

1　实验车站概况

实验车站为高架双岛四线换乘车站，图1为车站的结构示意，该车站采用同站台换乘方式，站台东西两侧设置线路B折返线，站台东侧的两组渡线将线路A和线路B互相连接，为远期两线贯通预留条件。车站地上一层为站厅层和设备机房，地上二层为站台层，站台有效长度118 m，宽度10 m，每侧站台分别通过两部楼扶梯与站厅相互连通。站台层和站厅层的火灾排烟模式均为自然排烟，设备区火灾通风模式采用机械排烟。

图1 实验车站结构示意Fig.1　Structure of experimental station

2　实验工况

2.1　站台层火灾实验

站台层发生火灾时，区间内行驶的列车需执行相应的火灾模式与车站人员疏散相配合。实验车站所在线路的列车在火灾时主要执行以下3种模式：

1)火灾发生时，尚未进站的列车停在站外，后续列车停车；

2)火灾发生时，已经停在站内的列车，立即开出车站；

3)火灾发生时，若列车车头已经进站，则通过不停车。

列车执行第一种火灾模式时，由于停靠在站外，不会对站内的人员密度和火灾环境造成影响；执行第二种模式时，列车停靠期间乘客上下车会对起火后站台客流分布造成影响，且列车在驶离站台过程中的活塞风也会影响火灾初期烟气扩散；第三种模式下列车将对站台内所处火灾阶段的烟气蔓延和沉降过程造成影响。因此，选取第二和第三种列车运营模式配合开展站台火灾实验，表1为站台层火灾实验工况。

表1　站台层火灾实验工况

高架车站站台层发生火灾时，乘客及站务人员首先通过楼扶梯疏散至地面站厅，再由站厅出入口疏散至站外。因此，在站台层实验设计中，考虑较为不利的情况，将火源设置在站台一侧的楼扶梯附近，模拟部分人员疏散路径被火灾封堵的环境。图2为站台实验火源及测试系统布置方式，火源位于站台B西侧自动扶梯处。通过改变火源功率和列车运行模式，研究火灾烟气在起火站台、轨行区上部区域和未起火站台的扩散规律。

图2　站台层实验火源及测试系统布置Fig.2　Fire source and measurement system in platform

2.2　站厅层火灾实验

与普通地下车站不同，同站台高架换乘车站的站厅位于地面层，发生火灾时不仅会威胁到站厅的建筑结构及人员生命安全，其高温烟气也可能会通过楼扶梯扩散至站台区域，对站台层的人员及行车安全造成影响。

在火灾场景设计中，主要考虑起火点直接阻塞部分人员疏散路径这一不利情况，在站厅层设计3个火源位置。表2为站厅层火灾实验工况，图3为站厅层实验火源及测试系统布置方式，正常运营过程中，站厅南北两侧闸机主要承担进站功能，中部闸机承担出站功能，火灾情况下闸机全部开启，用于人员紧急疏散，因此火源1设置在中部闸机处。在站厅火灾期间，针对站台滞留人员，车站根据火灾规模可能会采用3种疏散模式，第一种为火灾扑救成功后撤离车站，第二种为紧急调配列车转移站台人员，第三种为尽快引导乘客疏散至站厅危险性较低的区域，再从站厅出入口撤离车站，因此在站厅楼扶梯入口、出入口处分别设置火源2和火源3，模拟疏散过程部分路径被封堵的火灾场景。通过在站厅不同位置处设置不同的燃烧面积，模拟站厅0.25～0.75 MW规模的火灾场景。

表2　站厅层火灾实验工况Table 2　Fire experimental cases in station hall

图3　站厅层实验火源及测试系统布置Fig.3　Fire source and measurement system in station hall

2.3　设备区火灾实验

相比于车站公共区，设备区的建筑结构相对复杂，包含多个设备间、车站控制室及走廊，发生火灾后烟气容易覆盖走廊区域，不利于设备间和控制室内人员疏散和外部救援力量的进入。图4为设备区实验火源及测试系统布置方式，针对设备区的结构形式，选取走廊节点部位、走廊末端和设备间开展火灾实验，一旦连接节点区域发生火灾，节点一侧人员将无法疏散至另一侧选择多个路径进行撤离，具有被困的风险，走廊末端起火时，救援人员需通过较远的距离才能抵达扑救区域，设备区房间火灾会对运行设备和值守人员的安全造成威胁，进而影响车站安全运营。

设备区的事故通风模式为机械通风，设备房、车站控制室和走廊顶部通过通风管道与排烟风机相连接，实验过程中考虑通风系统的正常运行模式和故障模式分别设计火灾工况，由于设备区空间较小，为避免损坏车站设备设施，采用相对较低的火源功率，表3为设备区实验工况。

表3　设备区火灾实验工况

图4　设备区实验火源及测试系统布置Fig.4　Fire source and measurement system in equipment zone

3　火源发生装置

为避免火灾烟气对站内设备设施造成污染，采用甲醇作为燃料，将烟饼放置于发烟箱中，烟颗粒被甲醇火焰加热后随顶棚射流向四周扩散，用以直观地观察火灾烟气蔓延过程。图5和图6为火源发生装置的示意图和实物图，实验中根据现场情况采用尺寸为0.84 m×0.59 m×0.1 m(长×宽×高)，0.59 m×0.42 m×0.06 m(长×宽×高)和0.29 m×0.59 m×0.04 m(长×宽×高)的不锈钢油盘，通过油盘数量的组合设置不同的燃烧面积，装置底部放置防火板以保护地面，装置顶部覆盖一层铁板和防火板，防止火源区域的高温损坏车站吊顶材料，另外对装置周围2 m内的设备、建筑壁面均采用防火板和防火布进行保护。为获得火源的热释放速率，在油盘下方放置精度为1 g的电子天平，对燃料的质量损失速率进行实时监测。

图5　火源发生装置示意Fig.5　Sketch of fire source

图6　火源发生装置现场实物Fig.6　Physical map of fire source in platform

4　实验测试装置

4.1　温度测试装置

在大跨度站台区域，横断面上存在多个顶棚高度，为获取起火后不同高度顶棚射流的扩散特性，在8 m高度顶棚下方和5 m高度顶棚下方沿纵向方向分别布置测温电缆，图7为站台层和站厅层测温电缆在横断面的分布情况。在起火站台，距火源较近的区域测温电缆的间隔为9～10 m，距火源较远的区域测温电缆间隔为18～20 m，在未起火站台，按照与起火站台同一横断面位置沿纵向布置测温电缆，用来获取火灾烟气在横向方向扩散过程的温度参数。针对不同的顶棚高度设计了不同长度、探头数量等规格参数的测温电缆，图8为不同规格测温电缆的探头分布情况。

站厅层空间结构接近方形，顶棚结构包括封闭式吊顶和栅栏式吊顶，站厅南北两侧为封闭式吊顶，吊顶高度为3 m，站厅中部为栅栏式吊顶，火灾发生时烟气可蔓延至栅栏式吊顶上方。考虑到公共站厅不同形式的吊顶结构，在站厅两侧封闭式吊顶下方布置规格C的测温电缆，在站厅中部栅栏式吊顶上方的顶棚布置规格B的测温电缆。站厅不同部位的测温电缆布置如图3所示，在南侧封闭式吊顶下方共布置8束测温电缆，其中第1～5束(CH#4-1～CH#4-5)的间隔为9.5～12 m，第6和第7束之间由于电梯遮挡，间隔为28 m，第7束与第8束间隔为12 m。北侧封闭式吊顶下方与南侧对称地布置8束测温电缆，站厅中部共布置5束测温电缆，其中第1束与第2束间隔6 m，第2～5束(CH#5-2～CH#5-5)间隔为11～12 m。通过分布式温度监测能够获取站厅空间内火灾温度场实时变化情况以及烟气层高度、扩散速度和向站台防烟分区的蔓延情况。

图7　站台层和站厅层测温电缆断面布置Fig.7　Cross sectional sketch of thermocouple cable in platform and station hall

图8　测温电缆不同规格测点布置(单位:mm)Fig.8　Probe of different type of thermocouple cable (unit:mm)

设备区包含多个相互连接的狭长通道，通道为封闭式吊顶，吊顶高度为3 m，为获取走廊及设备房起火时烟气向四周走廊的扩散特征，在走廊内相对均匀地布置了28束规格C的测温电缆。设备区测温电缆布置方式如图4所示，在设备区南部走廊共布置8束电缆(CH#7-1～CH#7-7)，第3～5束间距为3.5 m，其余间距为8 m，在设备区中部靠南走廊布置8束电缆(CH#8-1～CH#8-7)，电缆间距为5～8 m不等，设备区中部靠北走廊布置6束电缆(CH#9-1～CH#9-6)，其中第1～3束间距为3 m，第3～6束间距为8 m，北部走廊共布置8束测温电缆(CH#10-1～CH#10-8)，第3～5束间距为3.5 m，其余间距为8 m。通过分布式温度场实时监测，能够获取设备区不同部位起火时走廊内的烟气层高度、人眼高度烟气温度和烟气扩散速度等危险性参数。

4.2　风速测试装置

高架车站的站内空间与外部空间为连通形式，火灾情况下一般采用自然通风的模式排出烟气，为研究自然风对烟气扩散特征的影响，在站厅层、站台层和设备区布置流速测试装置，对自然风以及设备区机械排烟时的风速进行实时监测。

站台层主要测量起火站台纵向两侧的流速，共设置4个测点，如图2中的流速A，B，C和D所示，其中流速A和B测点位于火源西侧27 m，流速C和D测点位于火源东侧27 m。站厅层主要测量1号出入口和2号出入口处的气流速度，如图3所示，流速A和流速B测点分别位于两出入口中部1.5 m高度处。设备区开展自然通风和机械排烟两种通风条件下的实验，在设备区通往站厅公共区的4个通道出入口处分布设置流速测点，如图4所示，在由北向南的4个出入口分布布置流速A，B，C和D 4个测点，图9为流速B测点的现场实物图。

图9　设备区通往站厅公共区出入口流速B测点实物Fig.9　Flow measurement probe B between equipment zone and station hall

4.3　燃料质量测试装置

图10　实验过程不同燃烧面积燃料质量损失速率Fig.10　Mass loss rate of fuel during experiment with different burning area

实验过程采用甲醇池火作为火源，通过实时监测燃料燃烧过程中的质量变化能够较为准确地获取在实验空间内的火灾功率，在实验过程中将精度为1 g的电子天平放置在油盘底部，通过数据采集软件实时记录燃料的质量变化，实验现场天平与油盘的布置方式如图6所示，火源功率按照式(1)计算，图10为实验过程中不同燃烧面积的燃料质量损失速率。

Q=χ·m·ΔH

(1)

式中：Q为火源热释放速率， kW；χ为燃烧效率，甲醇燃料在实验燃烧过程中几乎未产生烟颗粒物，可认为其完全燃烧[15-16]；m为燃料的质量损失速率，g，可通过对天平实测的燃料质量曲线求导获得；ΔH为燃料的燃烧热，kJ/g。

5　结论

1)针对地铁同站台高架换乘车站的结构特点和通风方式，对国内某城市的此类结构地铁车站站厅、站台和设备区进行了全尺寸火灾场景设计。

2)按照设计的火灾场景开展了一系列现场全尺寸实验，通过温度场、烟气流速和火源功率的实时测量，对该结构实体车站多个火源位置和不同通风方式下的火灾烟气扩散和沉降过程分析，在后续的工作中将深入研究同站台高架换乘车站不同防烟分区的火灾实验结果。

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