地铁十字换乘车站全尺寸实验研究:Ⅱ.站台火灾*

钟茂华，陈俊沣，陈嘉诚，仇培云，温晓虎

(1.清华大学 工程物理系 公共安全研究院，北京 100084；2.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长，8A编组列车在新建线路中使用愈加广泛。8A编组地铁的十字换乘车站侧式站台结构复杂，受换乘结构的影响，站台沿纵向断面面积明显变化，站台空间结构对烟气扩散的影响值得关注。同时，站台层防排烟措施的有效性对站台乘客的安全疏散具有显著影响。因此，开展8A编组地铁的十字换乘车站侧式站台火灾全尺寸实验具有较高的应用价值。

目前，诸多学者采用数值模拟[1-6]、模型实验[7]及全尺寸实验[8-11]方法对地铁站台火灾烟气扩散特性和通风排烟模式[12-13]展开了研究，其中单线地铁车站火灾研究较多。在数值模拟方面，张茜等[1]通过数值模拟，分析了单线车站站台火灾情景下烟气蔓延情况和通风排烟系统对烟气的控制效果；何开远等[2]对安设屏蔽门系统的三维岛侧混合地铁站台进行了火灾数值模型，分析了楼扶梯口的烟囱效应和屏蔽门对烟气扩散的阻隔作用；程奉梅等[3]对某侧式地铁站台火灾通风排烟模式进行了数值模拟，通过改变火源位置和排烟模式，分析了烟气运动机理，得到了通风排烟的优化模式；石郎君等[4]构建了4种人员分布的站台火灾场景，分析了人员密度对楼梯口补风量、烟气层厚度2个参数的影响。对于换乘车站，郝鑫鹏[5]针对某地铁换乘车站开展了模型实验和数值模拟研究，分析了不同防烟分区内烟气的扩散规律，并提出了通风排烟优化模式；陈静等[6]研究了某多层地铁换乘车站的火灾防排烟模式，分析了防烟空气幕的柔性阻隔作用对烟气控制效果的影响。在模型试验方面，孟娜[7]通过搭建1:10地铁车站火灾实验模型开展了站台火灾情况下挡烟垂壁设置方式对顶棚烟气温度分布影响的实验研究，分析了站台隧道火灾时隧道和站台空间内烟气的流动特性。在全尺寸实验方面，史聪灵等[8]开展了4节编组地下岛式车站全尺寸热烟测试实验，研究了烟气扩散特点、楼扶梯开口向下流速、有效疏散时间，分析了排烟量的非对称性设计导致的烟气非对称流动特点；钟委等[9]在某地铁站侧式站台进行了热烟试验，并采用FDS对站台排烟进行了数值模拟，提出了补风方式的改进意见；钟茂华等[10-11]在高架换乘车站开展了全尺寸火灾实验，对烟气扩散规律及控制方法进行了研究。

综上所述，目前对于地下换乘车站全尺寸火灾实验的研究较少。本文通过在某8A编组地铁十字换乘侧式站台公共区开展全尺寸火灾实验，分析了不同通风模式下的烟气扩散速率、烟气沉降高度、烟气扩散范围的变化规律，分析结果可为此类车站站台防排烟设计及站台乘客疏散策略提供技术支撑。

1 站台概况

实验地点为某地下两线换乘车站[14]。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，换乘形式为十字形侧岛换乘。地下2层为A线站台层和B线中间层，A线站台为侧式站台，站台有效长度186 m，由于换乘结构需要，站台沿南北方向分为3个区域，如图1所示，Ⅰ区站台宽度为10 m，Ⅱ区站台宽度为4 m，Ⅲ区站台宽度为14 m，A线站台与B线中间层在Ⅱ区内通过甲级防火门分隔。

在A线站台Ⅲ区，布置有3部扶梯、1部楼梯，共2组楼扶梯，分别编为1#楼扶梯和2#楼扶梯。在站台南门两端分别设有端门，实验时端门处于开启状态。

图1 换乘车站站台层平面Fig.1 Planar graph of platform floor in transfer station

2 实验设计

2.1 测点布置

实验主要测量烟气温度和风速，如图1所示。火源位于站台Ⅲ区东西向中心面上。在火源东侧5 m处，即1#楼扶梯和2#楼扶梯所在截面布置1组测温电缆，共计12束；在火源西侧5 m处，即端门所在截面布置1组测温电缆，共计20束；每束测温电缆上共有8个测点，电缆的顶端测点位于站台层顶棚下方10 cm处，各测点沿竖直方向排列，间隔为50 cm，温度测点布置的剖面图如图2所示。对于风速测点，在南北侧端门竖直中心线上选取0.5，1和1.5 m共3个不同的高度测量端门断面风速。

图2 温度测点剖面图Fig.2 Profile of temperature measurement points

2.2 工况设计

本文共设计了2组不同通风模式下的A线站台Ⅲ区火灾实验，研究站台层自然通风和机械通风模式下的火灾烟气扩散规律。站台层机械通风为顶部排烟，排烟口以5 m间隔均匀布置在站台公共区域。实验采用甲醇燃料作为火源，火源功率约为0.5 MW，实验工况如表1所示，图3为实验现场图片。

图4为站台实验过程中不同通风条件下南侧端门和北侧端门处风速，风速方向均为由南至北，表明A线站台存在由南向北的自然风。在机械通风条件下，南北两侧端门风速波动显著大于自然通风工况。在南侧端门处，自然通风条件下风速约为0.5 m/s，机械通风条件下风速显著增大；在北侧端门处，自然通风条件下风速约为0.4 m/s，机械通风条件下风速显著减小，说明顶部排烟作用下南侧端门进入站台区的新鲜补风风流增加，北侧端门排出的风流减少。

表1 实验工况Table 1 Experimental conditions

图3 现场实验示意图Fig.3 Schematic diagram of field experiment

图4 不同通风模式下端门风速Fig.4 Wind speeds of end door under different ventilation modes

3 实验结果与分析

3.1 烟气扩散速率

在全尺寸现场实验过程中，常用温升梯度法判断烟气扩散位置[15]，考虑测量误差的影响，一般以温升持续高于2℃作为烟气扩散至该处的临界判据[14]。各温度测点温升达到2℃的时间则记为烟气前锋到达时间。

图5为烟气扩散至站台各测点的时间，采用各测点位置顶棚温升来表征烟气扩散规律，温度上升的起始时间为烟气前锋扩散至该位置的时间。烟气向北侧的扩散速率略高于南侧，说明在站台层存在由南向北的自然风，这与南北侧端门风速测试的结果一致。在火源西侧，机械通风条件下烟气扩散速率显著低于自然通风，在火源东侧，2种通风模式下的扩散速率变化不大，这主要是由于火源东侧两端为实体建筑，空间相对封闭，而火源西侧两端与南北两侧端门相连，烟气流动相对畅通，因此通风作用对风流的影响更加明显。在火源西侧，烟气向北端的扩散距离为51.1 m，向南端的扩散距离为58.5 m；在火源东侧，烟气向北端的扩散距离约为42.1 m，向南同样扩散至58.5 m。扩散范围均位于站台Ⅲ区之内，未影响到站台Ⅰ区和Ⅱ区，即烟气未扩散至B线路站台中间层。

3.2 烟气沉降高度

防排烟设计中以最小清晰高度作为安全高度，最小清晰高度一般按GB51251-2017《建筑防烟排烟系统技术标准》[16]规定的公式计算，如式(1)所示。

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，本文的站台净高度为4.3 m，根据式(1)计算可得，站台区域的最小清晰高度为2.03 m。当烟气层高度高于最小清晰高度时，对于人员安全疏散影响较小。

火灾烟气在扩散过程中分为上下2层，分别为上部热烟气层和下部新鲜空气层，烟气层高度是表征烟气沉降及其危险性的重要参数。受空气掺混和车站构筑物等因素的影响，热烟气层和新鲜空气层之间存在过渡区域，无显著边界。针对该情况，采用NFPA-92B[17]中建议的百分比法来确定烟气层高度[11]，该方法通过测量竖直方向温度数据，利用式(2)求得烟气过渡边界的温度：

Tn=Cn(Tmax-T0)+T0

(2)

式中：Tn为烟气层与空气层分界面的温度，℃；Tmax为竖直方向最高温度，℃；T0为环境温度，℃；Cn为百分比常数，当Cn取值为0.8～0.9时，则该处表示热烟气层与过渡层的分界面，当取值为0.1～0.2时，表示过渡层与新鲜空气层的分界面[11]，本文中2者取值分别为0.8和0.2。

通过式(2)计算火源燃烧稳定阶段各测点位置的无量纲温升(Cn)，并根据测点空间坐标绘制自然通风和机械通风条件下各截面的无量纲温升云图，如图6和图7所示。在不同截面上，火源东侧烟气层高度(Cn=0.8)和火源西侧基本持平，说明在站台东西方向上的风流对烟气扩散的影响较小。图6中可以看出，自然通风条件下，火源东侧的烟气层高度介于3.2～3.8 m之间，火源西侧的烟气层高度介于3.4～3.8 m之间。在机械通风条件下，如图7所示，火源东侧的烟气层高度介于3.1～3.8 m之间，火源南侧的烟气层高度介于3.4～3.7 m之间，说明站台层机械通风对于烟气层高度的影响不明显，且各工况下烟气层高度均高于最小清晰高度。

图6 自然通风条件下无量纲温升Fig.6 Dimensionless temperature rise under natural ventilation

图7 机械通风条件下无量纲温升Fig.7 Dimensionless temperature rise under mechanical ventilation

烟气与空气掺混的过渡层下边界(Cn=0.2)高度与烟气层高度的规律类似，火源东西侧不同截面下边界高度基本相等，机械通风对于下边界高度影响不明显。在远离火源区域，如图6(a)中距火源南侧35 m以外，烟气沉降至最小清晰高度以下，这是由于烟气在站台顶棚扩散过程中卷吸了大量新鲜空气，热损失导致烟气温度不断降低，烟气浮升力减小，沉降高度降低。

3.3 烟气扩散范围

在3.2中使用百分比法判定烟气层高度，由式(2)可以看出，该方法绘制的等势线图受竖直方向最高温升的影响较大，在图6(b)和图7(b)中可以看到火源附近的无量纲温升存在突然升高，主要由于火源附近直接受到火焰的热辐射作用，使得该处竖直方向下部空间温度相对顶棚温度较高。

为了更全面地表征烟气的沉降高度和扩散范围，采用各截面温升云图进一步说明。图8和图9分别表示自然通风和机械通风条件下的烟气温升分布(南北方向)，烟气扩散至该处的判据为温升高于2℃。在不同的通风条件下，火源东侧温升略高于西侧；在火源西侧，烟气在火源北侧的扩散距离约为50 m。图8表明火源东侧烟气沉降高度低于最小清晰高度的范围是长度为53 m的空间(火源北侧21 m至火源南侧32 m)；火源西侧该范围约为50 m(火源北侧14 m至火源南侧36 m)。火源西侧测温截面位于南北侧端门通风截面上，而火源东侧测温截面两端相对封闭，火源西侧测温截面烟气与新鲜风流的掺混作用高于火源东侧，因此，火源西侧烟气对流换热量高于火源东侧，使得火源西侧截面温度更低，烟气扩散的范围更小。

机械通风条件下，如图9所示，火源东侧烟气沉降高度低于最小清晰高度的范围是长度为32 m的空间(火源北侧16 m至火源南侧16 m)；火源西侧该范围约为26 m(火源北侧12 m至火源南侧14 m)。图8和图9表明机械通风能够有效控制烟气扩散和沉降范围。

图8 自然通风条件下站台层烟气层温升Fig.8 Temperature rise of smoke layer at platform floor under natural ventilation

图9 机械通风条件下站台层烟气层温升Fig.9 Temperature rise of smoke layer at platform floor under mechanical ventilation

图10～12分别表示自然通风和机械通风条件下站台层3部楼扶梯所在截面的烟气温升分布。从图中可以看出，烟气扩散至1#楼扶梯和2#楼扶梯处，3#楼扶梯处无温升。机械通风能够有效降低楼扶梯竖直方向温度。1#楼扶梯处温升显著大于2#楼扶梯，当该位置站台火灾发生时，宜引导乘客从3#楼扶梯和2#楼扶梯向站厅层疏散。

图10 1#楼扶梯处竖直方向温升Fig.10 Temperature rise in vertical direction at 1# escalator

图11 2#楼扶梯处竖直方向温升Fig.11 Temperature rise in vertical direction at 2# escalator

图12 3#楼扶梯处竖直方向温升Fig.12 Temperature rise in vertical direction at 3# escalator

4 结论

1)A线路站台发生0.5 MW规模火灾时，烟气未扩散至B线区域，十字换乘车站站台的断面面积沿烟气扩散方向的缩小使得大部分烟气蓄积在断面面积较大的站台区域，断面面积的缩小有效抑制了烟气的纵向扩散。

2)综合采用百分比法和温升法来分析测试站台火灾的烟气扩散规律。通过百分比法分析可以看出，在本文开展的0.5 MW规模火灾实验中，机械通风开启对于烟气层高度的影响不明显，火源功率更大时的烟气控制效果需进一步研究；温升法表明，机械通风能够有效控制烟气扩散速率、烟气扩散和沉降的范围，在火源东侧，机械通风将烟气沉降至最小清晰高度的范围由53 m缩减至32 m，在火源西侧，该范围由50 m缩减至26 m。