双层岛式地铁站站厅全尺寸烟气温度传播规律研究*

吴 进，吴子科，蔡治勇,3，刘 刚，张爱婕

(1.重庆科技学院 安全工程学院，重庆 401331；2.重庆市安全生产科学研究有限公司，重庆 401331；3.重庆市安全生产科学研究院，重庆 401331)

0 引言

地下双层岛式结构地铁站厅内一旦发生火灾，地铁站内广告宣传栏、垃圾桶、线缆及装饰材料等部分可燃材料会迅速燃烧，产生有毒有害烟气，大量烟气集聚降低站厅内能见度，人员疏散困难，可造成严重事故后果。

国内外学者针对地铁站火灾展开模拟分析和试验论证：钟委等[1]根据地铁站可燃物和已发生火灾类型，建立3种地铁火灾模型，发现地铁站站厅(站台)小卖部和垃圾桶最易造成地铁站火灾；李乐等[2]提出采用出入口作为自然补风口能有效减缓出入口烟气浓度；Wu[3]对天津下窝房地铁站进行火灾模拟发现，FDS模拟软件在温度方面更接近烟气试验数据；史聪灵等[4-7]对区间隧道和车站隧道进行全尺寸火灾试验并以4节编组地下双层岛式车站为对象，提出地铁站火灾烟气流动特点；赵兰英等[8-9]通过对换乘站构建火灾模型，提出在地铁站火灾发生10 min后中部换乘站不利于人员疏散，基于该模型总结烟气由火源点向出入口和楼梯口流动规律特点，为人员疏散路线规划提供支撑；Zhong等[10]采用1∶15的地铁站隧道模型进行地铁站火灾测试，引入烟雾扩散和排风口角度研究烟气温度变化，推导出自然通风条件下顶棚温度和排烟量经验公式，证明地铁站通风系统是影响火灾烟气传播的重要因素；丁伟等[11]利用FDS软件研究地铁站站台烟气流动规律，并引入不同端门开闭模式，得出排风量和补风量与烟气温度变化关系；陈奕岑等[12]提出地铁站火灾排烟风机最佳排烟速度为8 m/s，并得到风机最佳排烟量；Gong等[13]通过在站台不同位置设置火源，得出排烟量与排风效率呈正向关系；Tavakolian等[14]对岛式站台和双侧站台进行火灾模拟发现，岛式站台在烟气控制上难度更大；文献[15-17]对平行换乘车站、十字换乘车站火灾进行模型试验研究，提出不同排烟方案；Min等[18]通过以1∶15模型试验研究，得到烟气温度分布和位于缩尺隧道顶部的竖井排烟规律；Zeng[19]对地下双岛地铁站进行全尺寸火灾烟气运动和控制试验，提出烟温随距火源纵向距离而逐渐衰减的规律。上述研究多在顶棚或1.5 m高度处进行，但有关地铁站厅全尺寸的烟气传播规律的纵向研究尚有不足。

因此，本文以典型地下双层岛式结构地铁站为对象，分别采用PyroSim数值模拟软件和现场热烟测试2种方法研究站厅立体空间内全尺寸(高度从1.0～4.5 m，长宽为整个站厅面积)高温烟气沉降时间、烟气温度变化和热辐射影响范围等，得到该站厅火灾情况下6 min时间段内烟气传播规律。研究结果可为类似地下地铁站站厅火灾温度传播规律研究提供参考。

1 站厅火灾模型的构建和数值模拟

1.1 研究背景

某车站设4个出入口(已开3个，预留1个)，总建筑面积12 628 m2，长208.0 m，宽14.0 m，站厅有效面积1 482.3 m2，有效长度81 m，有效宽度18.3 m，有效高度4.5 m。

1.2 火灾模型构建

PyroSim数值模拟软件是美国国家标准局与技术研究院(NIST)研发的1款火灾动态仿真模拟软件，能够准确模拟烟气温度、CO浓度、可见度变化情况。以南昌地铁3号线某站厅为例，构建1∶1岛式地铁站站厅火灾模型，如图1所示。模型长81.0 m，宽18.3 m，高4.5 m，设置3个出入口，1个电梯和8个承重柱；站厅顶部设置送排风口40个，布置在行人走廊两侧，风口间距3.0 m，通风空调和防排烟系统总排风量约60 m3/s。

图1 岛式地铁站站厅火灾模型Fig.1 Fire model of island subway station hall

1.3 参数选择

选用甲醇为火源燃料，燃烧速率为0.187 6 kg/s，单位面积热释放率为696 kW/m2，火源面积(长×宽)为1.1 m×0.8 m；温度传感器设置为2条测线(L1～L8和R1～R8)，每条测线有8个测试点，在每个测试点位置的1.5～4.5 m高度，每间隔0.5 m设置1个温度传感器(共计112个)，由于1.0～1.5 m高度的2个测点温度差趋近于0，因此在1.0 m高度不再设置温度传感器；网格参数设置为0.5 m×0.5 m×0.5 m，网格总数量112 320个。

1.4 数值模拟分析

通过对站厅左右侧设置温度传感器，选取具有代表性的温度变化分析该火灾模型烟气扩散规律。

1)站厅左侧烟气温度分析

左侧传感器温度随时间变化情况如图2所示。由图2可知，在地铁站站厅火灾模拟中，左侧测串温度较高，且变化剧烈。其中测串L3离火源最近，温度变化最为明显。通过左侧8个测串可知，火灾发生0～30 s高温烟气区域较少，传感器温度几乎保持不变，L3测串中传感器温度变化极小，说明高温烟气主要分布于火源顶棚烟区域，还未向站厅四周扩散。在火灾发生30～180 s，由测串L1可知4.0，4.5 m高度的传感器温度变化剧烈，最高温度为40 ℃，2个传感器温度接近，表明4.0 m高度的烟气层已出现烟气沉降。火灾发生100 s后，3.5 m高度的温度在达到30 ℃，表明此刻站厅排烟效果下降，排烟量不能平衡该处高温烟气生成量，导致该高度温度出现上升。测串L3距离火源最近，该位置温度传感器反馈最快，顶棚处传感器温度最高，火灾发生30 s后，各烟气层从上到下依次出现升温现象，该时间段3.5 m烟气层受烟气影响最大，最高温度超过60 ℃；测串L8与L1相比，温度上升小，烟气扩散到该处时间久，受高温烟气影响的烟气层主要在4.0～4.5 m，其中顶棚最高温度为36 ℃。站厅火灾发生180 s后，高温烟气已布满整个顶棚区域，4.0 m高度烟气层已有大量高温烟气凝集，且高温烟气继续向下沉降，尤其在L3测串位置烟气沉降最为明显，烟气沉降高度至3.5 m。

图2 左侧传感器温度随时间变化Fig.2 Change of temperatures measured by left side sensors with time

2)站厅右侧烟气温度分析

右侧传感器温度随时间变化如图3所示。由图3可知，左右两侧传感器温度变化规律大致相同，站厅中部区域烟气温度高且沉降明显。受出入口影响，顶棚烟气优先往站厅右端部扩散，该侧高温烟气分布仍主要集中在4.0 m及以上高度，3.5 m烟气层出现高温烟气区域主要在站厅中部。火灾发生30 s前，各传感器温度变化趋近于0；火灾发生30 s后，离火源较近的温度传感器开始出现变化，部分烟气层开始出现烟气沉降。

图3 右侧传感器温度随时间变化Fig.3 Change of temperatures measured by right side sensors with time

2 热烟测试现场试验

2.1 地铁站现有防火系统

地铁站现有防火系统包含通风空调系统、环境与设备监控系统。其中，通风空调系统分为车站公共区通风空调和防排烟系统，当综合监控接到火灾联动指令，自动切换到火灾模式，根据火灾位置，联动协调信号系统、乘客信息系统进入相应模式，切断除消防用电外的电源，打开火灾广播模式，开启车站公共区通风空调和防排烟系统。

2.2 测试设备

1)数据处理器选择。选用多功能数据采集控制模块LTM8662，24 V供电，1 A的开关电源；每个模块能连接8根数据传感线；波特率9 600/19 200/38 400；自动识别传感器数量，支持LTM8901D 数字化温度传感器、温湿度探头及ITU 模块在1条3芯传输线上混装、混接。

2)传感器选型。选用DS18B20 数字化温度传感器，测量温度范围为-55 ℃～+125 ℃，在-10 ℃～+85 ℃范围内精度为±0.5 ℃，采用“一线总线”数字方式传输。

3)热烟测试系统的组成。热烟测试设备系统组成：传感线一端固定到地铁站顶棚，传感线末端(靠近地板的一端)与数据处理器进行连接，数据处理器分别与笔记本显示器和电源器连接，1根传感线带有8个温度传感器。

2.3 火源和发烟装置

根据《城市轨道交通试运营前安全评价规范》(AQ 8007—2013)[20]，火源功率设置为0.7 MW，燃烧时间不少于10 min，燃料采用工业甲醇，发烟材料采用烟饼，烟气pH值应接近中性，颜色为白色。为确保能够观察热烟试验全程烟气变化情况，烟饼准备100个(分2批次放入发烟装置，每次间隔大约15 min)，选用2个规模为0.841 m×0.595 m×0.13 m的火盘，火源点设置在站厅中部，位于上下行步梯口右侧。

2.4 传感器布置

站厅内传感器布置在出入口、闸机口、过道左右侧等重要位置，传感器布置确保试验测试全覆盖，布置方法与仿真模拟温度传感器一致，详细布点位置如图4所示。

圆点代表传感线位置图4 地铁站厅传感线布点Fig.4 Layout of sensor lines in subway station hall

在站厅通风空调和防排烟系统运行良好状态下进行测试，火灾防灾系统在火灾发生30 s时开始运行，每次火灾试验测试时间为30 min，共进行3次测试，主要测试整个站厅内高温烟气温度变化情况。

3 试验结果与分析

根据3次现场火灾测试结果，将试验数据与模拟数据进行拟合分析，排除未能及时开启地铁防火系统测试数据。分析发现及时开启地铁防火系统与模拟数据拟合程度高，因此选择该组数据进行研究。

3.1 站厅左侧测串温度分析

地铁站站厅火灾发生时，左侧测串温度变化剧烈，高温烟气主要集中在4.0 m及以上，特别是离火源最近的测串L3、L4，最高温度接近60 ℃。站厅左侧测串L1、L3、L4、L8各高度烟气层温度随时间变化情况如图5～8所示。通过左侧8个测串数据分析可知：

图5 站厅左侧测串L1各高度烟气层温度随时间变化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)火灾发生0～30 s时，该站厅环境温度变化小且有毒有害气体尚未扩散，站厅中部区域L3、L4在火灾发生20 s之后温度开始出现上升，站厅较为安全，与PyroSim仿真模拟(以下简称“仿真模拟”)结果吻合，高温烟气未发生烟气沉降。

图7 站厅左侧测串L4各高度烟气层温度随时间变化Fig.7 Change of smoke layer temperatures at each height layer measured by measurement string L4 at left side of station hall with time

图8 站厅左侧测串L8各高度烟气层温度随时间变化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)火灾发生30～180 s时，测串L1显示顶棚4.5 m处烟气层开始出现沉降，且高温烟气已沉降至4 m处，表明该处排风系统新风量未能抵消高温气体生成量，导致温度急速上升；测串L3、L4显示，当火灾发生30 s后出现急速升温现象，高温烟气主要分布在4 m及以上，且有继续沉降趋势，导致3.5 m高度受烟气威胁，与仿真模拟结果吻合。

3)火灾发生180 s后，高温烟气蔓延整个顶棚，L3、L4测串结果显示，高度3.5～4.0 m间存在高温烟气且温度持续上升，热辐射温度影响主要在集中在测串L3～L4区域。由图6可知，火灾发生180 s后，在3.5，3.0 m高度处存在显著温差，说明3.5 m以上高度主要受到高温烟气影响，3.0 m及以下高度主要受到火源点热辐射影响。

图6 站厅左侧测串L3各高度烟气层温度随时间变化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 站厅右侧测串温度分析

站厅右侧测串R1、R3、R4、R8各高度上烟气层温度随时间变化情况如图9～12所示。由R1～R8传感器温度数据可知，站厅左右两侧高温烟气变化规律大致相同，在火灾发生30 s内未见烟气沉降，火灾发生360 s前高温烟气主要分布在4.0 m及以上高度。但对左侧而言，右侧离火源更远且受到空气流动影响，测串温度变化较小。测串R1和R8试验结果显示，虽然R8测点处出入口未开放且该处补风效果比测串R1弱，但因站厅两端出入口数量不同导致烟气呈非对称扩散，2测点温度相差不大。该试验结果和站厅火灾模拟数据均能反映补风量对于高温烟气传播具有较大的影响。R3测串位于排风口正下方，排风口区域会吸收大量烟气，测点处温度的整体变化与其他测串一样，均呈温度上升趋势。

图9 站厅右侧测串R1各高度烟气层温度随时间变化Fig.9 Change of smoke layer temperatures at each height measured by measurement string R1 at right side of station hall with time

图10 站厅右侧测串R3各高度烟气层温度随时间变化Fig.10 Change of smoke layer temperatures at each height measured by measurement string R3 at right side of station hall with time

图11 站厅右侧测串R4各高度烟气层温度随时间变化Fig.11 Change of smoke layer temperatures at each height measured by measurement string R4 at right side of station hall with time

图12 站厅右侧测串R8各高度烟气层温度随时间变化Fig.12 Change of smoke layer temperatures at each height measured by measurement string R8 at right side of station hall with time

综上，烟气从火源上升到顶棚后扩散，且向站厅右端扩散比较明显，高温烟气层主要集中在3.5 m以上区域，站厅中部区域温度远大于站厅两端。火灾发生30 s时，站厅顶棚少量烟气到达站厅右端出入口，高温烟气主要聚集在火源位置的顶棚区域，站厅为安全区域；火灾发生60 s时，4.5 m烟气层高度大多位置已经布满烟气，烟气已由站厅中部位置扩散到站厅两端，站厅中部位置排风能力不足，难以及时排走顶棚高温烟气；火灾发生180 s时，高温烟气沉降高度一般位于4.0～4.5 m，4.0 m以下的烟气层温度趋于平稳，若排风系统不能完全抵消4.0～4.5 m烟气沉降生成量，3.5 m烟气层会出现大量高温烟气；火灾发生360 s时顶棚烟气温度继续上升，烟气浓度增大，沉降趋势更为明显。在其他高度烟气层中烟气温度相对较低，但火源附近伴随大量热辐射。送风口区域的温度相对于附近区域普遍较低；排风口区域的温度波动较大。

4 结论

1)本文所选地铁火灾发生30 s内，左右两侧温度变化极小，站厅排风效果良好，未见任何部位烟气沉降，人员安全未受到威胁；火灾发生360 s，高温烟气层沉降高度主要分布在3.5 m及以上，均未沉降到能直接威胁人员高度(1.5 m)。其中站厅中部区域温度最高，高温烟气层最低沉降在3.0～3.5 m，最高温度超过60 ℃。

2)出入口补风会严重影响该区域温度，出入口补风效果越好，烟气层温度越低；站厅两端出入口数量不同，导致站厅烟气扩散呈非对称扩散的方式，优先扩散至L1出入口，且出入口补风效果越好，越不容易造成烟气沉降。

3)送风口会影响烟气温度变化。靠近送风口区域，温度相对附近区域普遍较低；排风口处温度波动较大，但仍随时间呈上升趋势。