地铁十字换乘车站全尺寸实验研究：Ⅰ.站厅火灾*

田向亮，钟茂华，陈俊沣，刘 畅，仇培云

(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.广州地铁集团有限公司，广东 广州 510330)

0 引言

随着地铁客运量的快速增加，对城市轨道交通运力的要求也越来越高，越来越多的地铁线路采用运力更大的8A编组列车。对于8A编组地铁的十字换乘车站，2条线路的站厅相互连通形成1个共用的大站厅，2条线路站厅区域吊顶处采用挡烟垂壁隔开。一旦站厅公共区发生火灾，烟气将影响站台层换乘乘客和出站乘客的疏散安全，因此站厅层火灾时防排烟措施的有效性对车站各防烟分区的人员疏散安全具有重要影响。

目前，针对地铁站厅火灾安全的研究主要集中在采用顶部排烟的地下车站，研究方法主要包括数值模拟和模型实验。袁建平等[1]通过FDS模拟了某大型地铁换乘车站站厅机械排烟效果，该模型中地铁换乘形式类似于“L”形换乘，结果表明采用站厅各防烟分区进行排烟的模式能够较好地控制烟气扩散及沉降；钟茂华等[2]采用FDS构建了某“T”形换乘车站的火灾数值计算模型，对换乘通道火灾时站厅不同防烟分区通风系统联动模式的烟气控制效果开展了研究，结果表明，在此类车站站厅的防排烟设计中，应采用各防烟分区全排烟的通风模式；Ji等[3]对地铁车站狭长形空间内火源附近烟气最高温度进行了理论和实验研究，并建立了顶棚最高温度预测模型；顾正洪等[4]对站台与站厅之间烟气控制的临界风速开展了一系列数值模拟研究，并通过在广州地铁二号线“中大站”进行现场火灾实验对模拟结果进行了验证；张亦昕等[5]对地铁车站站厅不同吊顶装修形式的火灾烟气层沉降和温度分布特征进行了数值模拟研究，重点分析了吊顶镂空率对烟气蓄积特性的影响；钟委等[6]采用Fluent软件建立某双层岛式地铁车站的三维计算模型，对机械排烟和活塞风作用下站厅火灾烟气分层现象和气流组织模式进行了研究；罗娜[7]对某中庭式地铁换乘车站站厅火灾的通风模式开展了模型实验和数值模拟研究，结果表明，采用站厅顶部天窗进行自然排烟、地下2层和3层站台进行送风的模式能够有效地控制烟气扩散和沉降；梁智勇[8]分析了含商业区的站厅层火灾人员疏散过程，对超长通道的人员疏散安全进行了研究；樊艳等[9]通过构建某地铁车站站厅火灾的数值计算模型，分析了细水雾对10 MW规模火灾的烟气危险性参数的影响；高俊霞等[10]通过对某单线高架车站站厅火灾自然通风条件下的烟气扩散过程进行数值模拟，提出了此类结构车站站厅排烟优化方案，并分析了挡烟垂壁高度和排烟口设置方式对火灾防排烟的影响；李炎峰[11]对换乘车站公共站厅的烟气扩散情况开展了数值模拟，详细分析了烟气温度变化、蔓延时间和沉降过程。此外，部分学者在车站站厅开展了全尺寸实验，钟茂华等[12]在某地铁高架车站开展了不同火灾规模的站厅实验，分析了不同起火位置站厅火灾危险性；史聪灵等[13]在某4节编组地下2层岛式车站开展了全尺寸热烟测试，主要研究了站厅通风排烟系统的联动模式。

本文为了全面了解在不同通风模式下地铁十字换乘车站站厅的火灾发展规律，通过开展地铁十字换乘站厅公共区的全尺寸火灾实验，对不同通风模式下的烟气扩散速率、烟气扩散范围、楼扶梯出口温度等参数进行分析，研究结果可为此类车站站厅防排烟设计及人员疏散策略提供技术建议。

1 车站概况

本文实验在某地下2线换乘车站进行。该车站分为A线和B线，其中A线呈南北走向，B线呈东西走向, A线与B线2个车站采用十字形侧岛换乘。该站共设4个出入口，其中A线2个出入口中，出入口Ⅰ可正常使用，出入口Ⅱ暂时关闭，B线Ⅲ、Ⅳ号出入口可正常使用。车站共3层，车站地下1层为A线及B线站厅层，站厅中部为公共区，公共区由进出站闸机及通透型栅栏划分为付费区和非付费区。非付费区与出入口通道连接，经楼扶梯可达地面。A线南北两端与B线公共区东西两端为付费区，中间为非付费区。站厅层付费区内布置有12部扶梯、6部楼梯。另设置2部乘客电梯，该电梯由站厅层直达A线及B线站台层。A线车站南、北两端为设备用房区域。地下2层为A线站台层，站台为侧式站台，站台宽3.9 m，站台有效长度186 m,车站全长235.9 m，标准段宽为38.4 m。地下3层为B线站台层，站台为岛式站台，站台宽12 m，站台有效长度106 m，车站全长134.2 m。

实验场所为2换乘线路的公共站厅，如图1所示，其中A线呈南北走向，B线呈东西走向。站厅净高度为5.3 m，站厅公共区最大长度为115 m，A线站厅宽度为36 m，B线站厅宽度为20 m。A线和B线站厅层直接贯通，A线与B线换乘区域结合面吊顶处采用高度0.5 m的挡烟垂壁隔开。实验主要在A线站厅中进行，在A线站厅公共区域，布置有6部扶梯、2部楼梯，共4组楼扶梯(编号1#～4#)。在A线站厅区域，设置2个出入口，分别为出入口Ⅰ和出入口Ⅱ，其中出入口Ⅱ关闭。A线车站南、北两端为设备用房区域。

图1 换乘车站站厅层平面Fig.1 Plan of transfer station hall

2 实验设计

2.1 测点布置

图2为实验测点布置平面图，从东西方向来看，火源位于A线站厅东西向中心面上，正对出入口Ⅰ。对于温度测点，在火源东侧16.2 m处，即1#楼扶梯和2#楼扶梯截面上布置1组测温电缆；在火源西侧11.5 m处，即3#楼扶梯截面上布置1组测温电缆；在火源东西侧各4.2 m截面上分别布置1组测温电缆，共4组测温电缆，每组7束测温电缆，每束测温电缆上设置有8个测点，顶端测点位于站厅层顶棚下方0.1 m处，其余测点间隔为0.5 m沿竖直方向排列，测温电缆量程为0～127 ℃，测温误差为±0.5 ℃，温度测点布置的剖面图如图3所示。对于风速测点，由于仅有出入口Ⅰ开放，因此在出入口中心线上选取3 m，2 m和1 m 3个不同的高度测量出入口Ⅰ断面风速。

图2 实验测点布置平面Fig.2 Layout of experimental points

图3 温度测点剖面Fig.3 Temperature measurement points profile

2.2 工况设计

针对站厅公共区火灾场景，共设计2组实验，改变通风模式，对比自然通风和开启站厅层通风排烟系统模式下的火灾烟气扩散规律。站厅层机械通风为顶部排烟，排烟管道和排烟口均匀布置在A线站厅公共区。实验采用甲醇燃料模拟火源，火源功率为1 MW，实验工况如表1所示，实验过程如图4所示。

表1 换乘车站站厅公共区实验工况Table 1 Experimental conditions in transfer station hall

图4 现场实验示意Fig.4 Schematic diagram of field experiment

图5为不同通风条件下出入口Ⅰ处的风速，风速方向均为由外而内，说明在出入口Ⅰ处存在风压为正压，并向站厅公共区补风，风速大小0～0.5 m/s，通风排烟系统开启对出入口处风速影响不大。

图5 不同通风模式下出入口Ⅰ风速Fig.5 Wind speeds of Entrance and Exit I under different ventilation modes

3 实验结果与分析

3.1 烟气前锋到达时间

烟气扩散速率受到自身卷吸能力、扩散区域内的风速和扩散区域构筑物设置等因素的影响。在全尺寸现场实验过程中，温升梯度法常被用于烟气扩散至该处的判断方法[14]，考虑到测量误差，一般以温升持续高于2℃作为烟气扩散至该处的临界判据。记录各温度测点温升达到2℃的时间作为烟气前锋到达时间，该时间的取值方法如图6所示。

图6 烟气前锋到达时间取值示意Fig.6 Arrival time of smoke front

图7表示不同通风模式下烟气扩散至站厅各位置的时间对比。火源南侧烟气前锋到达时间显著小于火源北侧，即火源南侧烟气扩散速率较大。这说明在站厅内存在由北向南的自然风。在火源南侧，自然通风和机械通风条件下烟气扩散的速率基本一致。在火源北侧，距火源更近的截面(东西侧4.2 m)上自然通风和机械通风条件下的烟气扩散速率基本一致；在距火源较远的截面(东侧16.2 m和西侧11.5 m)上机械通风条件下的烟气扩散速率显著低于自然通风工况，在火源东侧16.2 m处，烟气仅扩散至火源北侧4.5 m处，在火源西侧11.5 m处，烟气虽扩散至火源北侧32.5 m处，但耗时618 s，说明机械通风能够有效抑制烟气扩散的速率。综合来看，站厅内由北向南的自然风和顶部机械排烟对站厅风流结构均有显著影响。

图7 不同通风模式下烟气前锋到达时间Fig.7 Arrival time of smoke front under different ventilation modes

3.2 烟气的扩散与沉降

GB/T 33668-2017《地铁安全疏散规范》[15]规定：“地铁车站安全疏散设计应按在6 min内将必须疏散乘客全部疏散至安全区为原则”。选取起火后6 min为临界点，以温升高于2℃为判据，结合图7中的烟气前锋到达时间绘制起火6 min时烟气扩散范围的示意图，如图8和图9所示。

图8 自然通风条件下烟气扩散范围示意(6 min)Fig.8 Smoke diffusion range under natural ventilation (6 min)

图9 机械通风条件下烟气扩散范围示意(6 min)Fig.9 Smoke diffusion range under mechanical ventilation (6 min)

从图中可以看出，无论是自然通风还是机械通风，在点火6 min后烟气均未扩散至1#楼扶梯处。在自然通风条件下，烟气在点火后425 s扩散至1#楼扶梯(CH0-3)，在机械通风条件下，烟气始终未扩散至1#楼扶梯。说明在上述火灾工况下，1#楼扶梯作为乘客疏散出口较为安全。结合图7～9可以看出，机械通风能够有效控制烟气扩散的速率以及扩散的范围。

烟气在站厅顶棚扩散过程中不断卷吸下层新鲜空气，使得烟气层厚度不断增加，烟气层高度的不断下降对于人员疏散极为不利。GB 51251-2017《建筑防烟排烟系统技术标准》[16]规定防排烟设计计算中的最小清晰高度应按下式计算：

Hq=1.6+0.1H′

(1)

式中：Hq为最小清晰高度，m；H′为排烟空间的建筑净高度，m。站厅净高度为5.3 m，因此站厅区域的最小清晰高度为2.13 m。排烟系统应将烟气控制在最小清晰高度以上，才能确保不影响人员安全疏散。

选取各测点在火灾稳定阶段的平均温升，结合各温度测点的空间坐标绘制各截面的温升云图。图10和图11分别表示自然通风和机械通风条件下各截面(以火源东侧为例)的烟气温升分布云图(南北方向)，同样以温升高于2℃作为烟气扩散至该处的判据。

图10 自然通风条件下烟气层温升(南北方向)Fig.10 Excess temperature of smoke layer under natural ventilation (south-north)

图11 机械通风条件下烟气层温升(南北方向)Fig.11 Excess temperature of smoke layer under mechanical ventilation (south-north)

受由北向南自然风影响，火源南侧温升显著高于火源北侧温升。自然通风条件下，对于火源东侧4.2 m截面，火源北侧9.5 m至火源南侧16.5 m的范围内，烟气沉降至最小清晰高度以下；对于火源东侧16.2 m截面，火源北侧6.5 m至火源南侧22.5 m的范围内，烟气沉降至最小清晰高度以下。机械通风条件下，烟气沉降至最小清晰高度以下的范围显著减小，在火源东侧16.2 m截面上，烟气均未沉降至该高度；在火源东侧4.2 m截面上，该范围由26 m缩小至22 m。综上所述，机械通风排烟能够有效控制烟气扩散的范围以及沉降的高度，公共站厅A线区域火灾烟气未蔓延至B线区域(火源北侧42.5 m)。

3.3 各楼扶梯处危险性分析

楼扶梯出口处温度对于站台乘客通过楼扶梯疏散至关重要。选取靠近1#～4#楼扶梯出口的测温电缆，分析楼扶梯出口处竖直方向温度变化规律。

图12和图13分别为自然通风和机械通风条件下各楼扶梯出口处竖直方向温度随时间变化的规律。机械通风条件下，各楼扶梯处温度相较自然通风条件下均有显著下降。在1#楼扶梯和4#楼扶梯处，各点温升较小，如图12(a),12(d),13(a)和13(d)所示，只有少量的烟气扩散至1#楼扶梯和4#楼扶梯处，且未有显著沉降，表明在站厅火灾过程中1#楼扶梯和4#楼扶梯处的火灾危险性较低；在2#楼扶梯处，最高顶棚温度达到47℃，在3#楼扶梯处，最高顶棚温度达到52℃，在距地面2.7 m以上区域，温升幅度高于8℃，在距地面1.7 m和2.2 m也存在较小的温升。综上所述，火源北侧的1#楼扶梯和4#楼扶梯处温度显著低于火源南侧的2#楼扶梯和3#楼扶梯，距离B线站厅较近的1#楼扶梯和4#楼扶梯温升较小，说明A线站厅火灾在站厅内由北向南自然风的影响下，未扩散至B线站厅区域；同时2#楼扶梯和3#楼扶梯处温度较高，不适宜站台人员疏散。

图12 自然通风条件下各楼扶梯处竖直方向温度变化规律Fig.12 Vertical temperature variation of escalators under natural ventilation

图13 机械通风条件下各楼扶梯处竖直方向温度变化规律Fig.13 Vertical temperature variation of escalators under mechanical ventilation

图14 自然通风条件下楼扶梯所在截面温升分布(东西方向)Fig.14 Excess temperature profile of escalator section under natural ventilation (east-west)

图15 机械通风条件下楼扶梯所在截面温升分布(东西方向)Fig.15 Excess temperature profile of escalator section under mechanical ventilation (east-west)

为了进一步表明各楼扶梯处的火灾危险性，绘制各楼扶梯所在截面的烟气温升分布云图。图14和图15分别表示自然通风和机械通风排烟条件下站厅层东西方向上楼扶梯所在截面的烟气温升分布。火源北侧的1#楼扶梯和4#楼扶梯与火源南侧的2#楼扶梯和3#楼扶梯关于火源对称，但火源北侧楼扶梯处温度显著低于南侧，再次表明在站厅层内存在由北向南的自然风流。2#楼扶梯和3#楼扶梯处烟气沉降至最小清晰高度以下，危险性较高；1#楼扶梯和4#楼扶梯烟气沉降高度高于最小清晰高度，危险性较低。由于1#楼扶梯和4#楼扶梯在换乘区域附近，进一步推断当A线发生火灾时，火灾烟气对B线站厅的影响不大。站厅人员宜向B线站厅方向疏散，站台乘客宜从1#楼扶梯和4#楼扶梯进入站厅层从B线站厅区域疏散。从截面温升分布可以看出，在站厅层东西方向上，烟气温度分布向西侧偏移，总体保持对称分布，这说明虽然出入口Ⅰ处存在由外而内(从东向西)的自然风，但对于站厅层由东向西的风流影响不大，主要影响了由北向南的风流。

4 结论

1)根据地铁十字换乘车站全尺寸实验发现，1 MW规模的A线站厅公共区火灾烟气未扩散至B线站厅；机械通风排烟系统能够有效抑制烟气扩散的速率，有效控制烟气扩散的范围和沉降的高度。

2)A线站厅出入口对于站厅层内自然风压影响较大，造成站厅南部楼扶梯处烟气蓄积严重，烟气层降至较低水平，不利于人员从南侧楼扶梯疏散和应急救援，站台人员宜从火源北侧楼扶梯疏散至B线站厅，站厅人员宜向B线站厅方向疏散。

3)针对此类结构车站站厅的防排烟设计，应综合考虑出入口位置设置和空间构筑物布局，充分考虑自然风压和机械通风排烟风压对烟气扩散的影响，确保换乘车站站厅火灾过程中换乘区域人员疏散路径和楼扶梯处烟气层高度和烟气温度处于安全水平。