地铁多线换乘车站火灾模型实验研究-(4)换乘通道火灾*

2021-03-11程辉航钟茂华陈俊沣杨宇轩田向亮

中国安全生产科学技术 2021年2期

程辉航，钟茂华，陈俊沣，龙增，杨宇轩，田向亮,2

(1.清华大学工程物理系公共安全研究院，北京 100084；2.中国安全生产科学研究院矿山采空区灾害防治应急管理部重点实验室，北京 100012)

0 引言

随城市轨道交通迅速发展，我国部分城市交通规划与建设已进入网络化阶段。截止2019年底，拥有换乘车站的城市28个，占开通轨道交通城市总数的70%。正在规划建设的4 625座车站中，换乘车站1 366座，占比29.5%[1-2]。换乘车站客流密度大、空间规模大、结构形式复杂，火灾引发因素较多，并且大范围扩散的火灾烟气使安全救援难度增大[3]。

针对不同换乘车站结构，国内外学者通过模型实验、全尺寸实验及数值模拟等手段，研究站厅火灾烟气扩散规律和防排烟设计。根据线路走向，地铁站内一般采用平行换乘、交叉式换乘和通道式换乘3种换乘方式，其中交叉式换乘根据交叉形式与交叉点不同，又可分为十字、“T”形、“L”形等换乘方式[4]。针对交叉式换乘车站，袁建平等[5]利用火灾动力学模拟(Fire Dynamics Simulator，FDS)方法，搭建大型换乘车站全尺寸模型，发现开启站厅全部防烟分区风机进行排烟能够使烟气得到有效控制；Feng等[6]建立北京地铁六里桥站数值模拟模型，发现开启邻线站厅风机送风辅助排烟，能有效抑制烟气向邻线站厅扩散；田向亮等[7]与钟茂华等[8]在某十字换乘车站开展全尺寸火灾实验，分析站厅与站台烟气扩散规律。针对平行换乘车站，钟茂华等[9]在同站台高架换乘车站站厅层开展全尺寸火灾实验，研究出入口布局与吊顶形式对火灾危险性影响，提出利用自然风压形成一定通风换气量，能够确保火灾情况下人员安全疏散；Long等[10]结合模型实验与FDS模拟，研究不同火灾情景下双岛式车站火灾烟气特征，通过改变隧道风机组合运行方式与屏蔽门开启方式，优化车站防排烟设计。

通道式换乘车站相关研究较少，Tian等[11]采用数值模拟方法，从烟气温度、CO浓度、能见度和烟气层高度等方面，研究顶部横梁、顶部通风口尺寸及通风方式对换乘通道火灾危险性的影响。随城市地铁线网不断扩张，部分线路在前期规划中未预留换乘车站，在后期建设过程中广泛采用长距离通道实现换乘。在北京地铁换乘车站中，通道式换乘车站包括国贸站和知春路站[12]。换乘通道客流密度大，一旦发生火灾极易造成人员伤亡，同时火灾烟气蔓延会严重威胁站内人员生命安全。本文利用1∶10多线换乘车站模型[13]分析不同区域顶棚温度分布，比较不同通风联动模式烟气控制效果，为通道换乘式车站防排烟控制方案制定提供理论依据。

1 实验设计

1.1 装置概况

实验地点位于地铁多线换乘车站模型地下1层，换乘通道火灾实验系统如图1所示。实验模型包括平行换乘车站站厅(以下简称站厅A+B)、十字换乘车站站厅(以下简称站厅C)[14-15]以及连接2站厅的换乘通道，换乘通道呈“L”型，宽1 m，高0.6 m，东西方向通过通道口1与平行换乘车站相连，南北方向通过通道口2与平行换乘车站相连。选用钢化玻璃作为通道侧壁材料，便于观察烟气流动状况。

图1 换乘通道火灾实验系统Fig.1 Experimental system of transfer channel fire

实验温度测试系统包括测温电缆(含测温探头)、测温模块和数据采集系统，测温电缆采用一线总线分布式，布置在站厅与换乘通道顶棚下方，测温探头间距500 mm。整个装置内共布设9根测温电缆，其中5根(T1～T5)布置在站厅A+B内，3根(T6～T8)布置在站厅C内，1根(T9)布置在换乘通道内。

1.2 实验工况

通道内火源位置共3处，火源1、3位于通道口附近，分别邻近车站A+B与车站C，火源1、3烟气更易扩散进入站厅，威胁站厅内人员生命安全；火源2位于通道转角处，用于研究“L”型结构换乘通道内烟气扩散规律。

发生火灾时，需开启站厅内通风排烟系统，控制烟气向站厅蔓延。实验中选择开启站厅内距换乘通道较近一端的排烟风机，在站厅A+B北侧与站厅C西侧各安装2台轴流风机，根据风机开启模式不同(送风或排烟)，设计5种通风联动模式，对比不同通风模式对烟气扩散控制效果，通风联动模式相关参数见表1。

表1 通风联动模式设计Table 1 Design of leakage ventilation modes

实验选用甲醇油池火作为火源，燃料盛放在正方形铁铸油盘内，油盘有80 mm×80 mm，100 mm×100 mm和120 mm×120 mm 3种不同尺寸，对应全尺寸火源热释放速率分别为0.91 MMW，1.77 MW和2.60 MW。根据火源功率与通风模式不同，共开展45组实验，换乘通道火灾实验工况见表2。换乘通道内不同火源位置实验场景如图2所示。为防止火焰灼烧火源正上方电缆，在火源处设置铁制防护架，防护架高850 mm，顶部为薄铁板，四周无其他遮挡物，对火源燃烧与烟气扩散影响可忽略不计。

2 实验结果及分析

2.1 通道内烟气扩散规律

换乘通道呈“L”型，与站厅A+B相连东西段长5 m，与站厅C相连南北段长3 m。选择通道口与转角处作为火源位置，在自然通风条件下展开实验。

表2 换乘通道火灾实验工况设计Table 2 Design on experimental conditions of fire in transfer channel

图2 换乘通道不同火源位置Fig.2 Fire scenarios of different fire source locations in transfer channel

火源1起火后，换乘通道内顶棚最高温升如图3所示。转角处测点位于z轴，顶棚温度最高值出现在火源正上方，温升为42～85 ℃。由于火源距离站厅A+B较近，烟气迅速扩散进入临近站厅，在通道口1处温升高于20 ℃。烟气逐渐向站厅C方向扩散，烟气热量经热交换与对流传热等作用不断损失，至转角处温升降至13～25 ℃。自然通风条件下，通道内风量较小，无法抑制烟气向上游方向回流，经过转角处的烟气在回流过程中受通道侧壁阻挡，部分烟气再次发生反向流动，在转角处烟气蓄积，温升增大，经过转角处第1个测点温升15～27 ℃，高于相邻的、距离火源更近的测点温升，通道转角附近区域内存在1个温升的局部峰值，烟气经过该区域，与空气混合整体向前运动。由图3可知，曲线逐渐趋于平缓，顶棚温升保持在8～14 ℃。结果表明：3种不同火灾规模均符上述烟气扩散规律。

图3 火源1起火后换乘通道内顶棚温升Fig.3 Temperature rise of ceiling in transfer channel after ignition of fire source 1

火源2起火后换乘通道内顶棚最高温升如图4所示。由图4可知，顶棚最高温升为29～78 ℃，小于火源1起火时最高温升。烟气在2个方向呈现出不同扩散规律：在站厅A+B方向，距火源1.5 m内温升梯度较大，在较远处温升逐渐稳定在10～24 ℃；在站厅C方向，相同火灾规模下，烟气运动0.5 m后温升曲线趋于稳定，稳定时温升为17～38 ℃。由于火源位于通道转角处，在此回流的烟气温度较高，所以撞击边壁发生反向流动的烟气能够运动至较远距离，并形成烟气蓄积。在站厅A+B方向，烟气距离火源2 m处发生蓄积，并出现局部温升峰值。

图4 火源2起火后换乘通道内顶棚温升Fig.4 Temperature rise of ceiling in transfer channel after ignition of fire source 2

火源3起火后换乘通道内顶棚温升如图5所示。在相同火灾规模下，顶棚最高温升为42～93 ℃，大于火源1和火源2，烟气回流使转角区域附近出现温升峰值。

图5 火源3起火后换乘通道内顶棚温升Fig.5 Temperature rise of ceiling in transfer channel after ignition of fire source 3

2.2 不同通风模式下烟气控制效果

换乘通道连接平行换乘站厅与十字换乘站厅，高温烟气充满通道后，继续蔓延至两侧站厅，需采取合理有效的排烟联动模式，控制烟气进一步扩散。对于换乘通道内火灾，两侧车站均配备疏散乘客出入口，通道内人员疏散完毕后，可通过关闭换乘通道的方式阻止火势进一步蔓延[16]。根据《地铁设计规范》(GB 50157—2013)[17]，乘客由站台层疏散至站厅公共区或其他安全区域的时间不应超过6 min。因此，假定火灾发生6 min后通道内人员全部疏散完毕，换乘通道关闭。

通过对比火灾发生6 min后5种不同通风模式下站厅温升以及烟气扩散范围，研究不同火灾情景下最优烟气控制模式。考虑到火源位置对烟气危险性影响较大，对于火源1、3，优先分析与火源距离较小站厅的烟气情况。

1)火源1起火

火源1靠近站厅A+B，进入站厅烟气温度高，扩散范围大，以站厅北端测点作为x轴起点，站厅东端作为y轴起点，考虑测量期间环境因素影响，以2 ℃温升为界限划分烟气扩散范围，火源1发生100 mm×100 mm油盘火灾时站厅A+B顶棚温升分布如图6所示。图6(a)为自然通风，通道口附近温升超过30 ℃；当开启站厅北侧风机排烟时，开展联合排烟模式，一定程度上能够控制烟气扩散，使烟气扩散范围有所减小，如图6(b)～(c)所示；由图6(d)可知，在站厅A+B送风、站厅C送风通风模式下，对比前3种通风模式，温升高于10 ℃的局域面积明显减小，但烟气向南扩散范围增大，整个站厅均出现1 ℃以上温升，表明此通风模式能降低通道口1附近区域站厅内温升幅度，但由于火源1距站厅C较远，经通道转角处烟气碰撞墙壁产生回流及额外能量损失，扩散至通道口2时烟气能量降低，在送风作用下难以进入站厅C，流向站厅A+B导致烟气的扩散范围扩大；在站厅A+B送风、站厅C排烟的通风模式下，通道口1附近顶棚温度分布与模式4相似，2种通风模式下站厅C内T6测温电缆的温升情况如图7所示。由图7可知，模式4通道口附近温升略低于模式5，由于开启排烟能将部分烟气从站厅C排出，减少进入站厅A+B烟气量，使进入站厅C烟气量增加，但温升高于2 ℃区域仍集中在通道口2附近，站厅C内烟气扩散范围没有明显增大，站厅A+B内烟气扩散范围减小，说明模式5烟气控制效果要优于模式4；在其他2种火源功率下，采用通风模式5时站厅的温度分布如图8所示，在80 mm×80 mm火灾规模下，远端温升低于1 ℃，在120 mm×120 mm的火灾规模下，远端温升超过2 ℃。通过对比不同火源功率下温度分布情况发现，火灾规模较小，采用站厅A+B送风、站厅C排烟的联动模式能较好控制烟气扩散；火灾规模较大，5种通风方式均不能有效控制站厅A+B内烟气蔓延。

图6 火源1起火6 min后站厅A+B温度分布(100 mm×100 mm)Fig.6 Temperature distribution in station hall A &B after 6 minutes of ignition at fire source 1 (100 mm×100 mm)

图7 火源1起火6 min后T6测温电缆温度分布(100 mm×100 mm)Fig.7 Temperature distribution of temperature measuring cable T6 after 6 minutes of ignition at fire source 1 (100 mm×100 mm)

2)火源位置2、3起火

火源2发生100 mm×100 mm油盘火灾时，站厅A+B顶棚温升如图9所示。火源2起火时，自然通风工况下，站厅内最高温升及扩散范围均低于火源1。当站厅A+B开启排烟模式时，由于站厅A+B面积大，风机排烟量不足，相比于自然通风，烟气扩散范围与升温降低幅度不明显，烟气控制效果一般；当站厅A+B风机送风时，站厅内温升幅度相比自然通风时明显下降，最高温升小于10 ℃，同时烟气扩散范围小于模式2、3；对于通道转角处火灾，站厅A+B风机送风能够限制烟气扩散，通风模式4、5控烟效果优于其他几种模式。

换乘通道与十字换乘车站相连的南北段较短，相比于平行换乘站厅，十字换乘站厅较小，在转角处火灾的烟气可能对十字换乘站厅危害更大。以站厅C西端作为x轴起点，火源2发生100 mm×100 mm油盘火灾时站厅C顶棚温升分布如图10所示。由于火源2位于通道转角处，距离十字换乘车站更近，温升更为明显，自然通风下最高温升大于25 ℃，如图10(a)所示。在两侧站厅同时送风(模式4)，整个站厅C内顶棚温升大于2 ℃，烟气扩散范围大；当站厅C开启排烟风机时，十字换乘站厅面积较小，排烟量等同于站厅A+B时，站厅C排烟作用效果较好，抑制烟气的扩散；尽管在模式5下，站厅A+B送风导致进入站厅C烟气量增加，温升增大，但综合站厅A+B内烟气扩散结果，对于通道转角处火灾，采用通风模式5，即站厅A+B近端送风、站厅C近端排烟，能最好地控制烟气向两侧站厅扩散。

图8 通风模式5站厅A+B温度分布(火源1)Fig.8 Temperature distribution in station hall A & B under ventilation mode 5 (fire source 1)

图9 火源2起火6 min后站厅A+B顶棚温升分布Fig.9 Temperature rise distribution of ceiling in station hall A & B after 6 minutes of ignition at fire source 2

位置3发生100 mm×100 mm油盘火灾时油盘火灾6 min后站厅C顶棚温升分布如图11所示。由于火源3与站厅C之间距离极短，与火源2起火相比，烟气进入站厅时能量更高，高温烟气与新鲜空气掺杂后导致热驱动力不足，烟气在通道口附近蓄积，站厅A+B风机送风或排烟无法对站厅C内气流组织形式产生明显影响，通风模式2、4和3、5各自之间温度分布差异小；类似火源2时工况条件，当站厅C开启风机送风时，烟气扩散充满整个站厅，不利于安全疏散；将风机调整为排烟模式时，由图11可知，T6～T8测温电缆上温度高于2 ℃的热电偶数小于自然通风时热电偶数，说明站厅排烟能够抑制烟气蔓延，减小烟气扩散范围。