地铁同站台高架换乘车站火灾全尺寸实验研究—(3)站台火灾*

钟茂华，肖 衍，胡家鹏，张 磊，胥兵周，郝晓琨

(1.清华大学 工程物理系 公共安全研究院，北京，100084；2.北京市轨道交通设计研究院有限公司，北京，100068； 3.北京市轨道交通建设管理有限公司，北京，100068；4.中铁一局集团建筑安装工程有限公司，陕西 西安 710054)

0 引言

地铁同站台换乘车站一般为线路之间终点和起点的枢纽站点，该类型车站站台的结构特点为断面跨度大，顶棚高度随断面位置发生变化，在运营过程中，两侧站台停靠列车中的所有乘客均会下车，在站台进行换乘或通过站厅出站，因此站台公共区的客流密度较大，此类大跨度站台自然排烟措施对其火灾安全性具有重要影响。

国内外相关学者对地铁单线运营和两线换乘的地下车站站台火灾防排烟措施开展了一系列研究。Manabu等[1]针对韩国大邱地铁火灾构建了站台列车火灾数值计算模型，对火灾过程中各层楼扶梯处的烟气温度、毒性气体浓度进行分析，从车站结构设计的角度提出了人员疏散措施；Jae等[2]开展了站台隧道列车火灾和人员疏散模拟研究，分析了屏蔽门形式和通风方式对车站内火灾危险性的影响；孟娜[3]搭建了1∶10地铁车站火灾实验模型，通过开展一系列实验研究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的影响，以及站台隧道火灾时烟气在隧道和站台空间内的流动特性；张茜等[4]采用FDS软件对某地铁车站站台火灾的三维烟气流场进行模拟，分析了机械排烟和挡烟设施共同作用下的烟气控制效果；何开远等[5]构建了北京地铁某岛侧混合式地铁站台的火灾数值计算模型，对烟气和空气的传热传质过程、楼扶梯处的烟囱效应和烟气扩散情况进行分析；陈静等[6]对某地下三层换乘车站的火灾防排烟模式进行数值模拟研究，重点分析了站台楼梯口防烟空气幕对烟气控制效果的影响;石郎君等[7]采用FDS软件对不同密度人员空间分布情况下火灾烟气扩散情况进行了数值模拟，分析了人员密度对补风量、烟气层高度的影响。针对大空间建筑火灾，张南燕等[8]构建了建筑面积1 000 m2，高度6 m的数值计算模型，分析了自然排烟作用下不同火源位置下的烟气温度和烟气层高度；罗娜[9]构建了西安地铁二号线行政中心站大空间中庭结构的火灾数值计算模型，提出了利用自然通风和机械通风的不同组合模式进行烟气控制的方法，并对通风口布置、风量等参数进行了优化研究；周志望等[10]利用FDS对尺寸为22.4 m×11.9 m×27 m(长×宽×高)的大空间建筑自然排烟和机械排烟条件下的竖直温度分布和烟气层高度进行对比，分析了不同排烟量下的排烟效率；颜艳等[11]在某大空间建筑内采用木垛开展了5 MW和10 MW的实体火灾实验，对烟气竖向和横向温度进行了研究；毛少华[12]利用尺寸为22.4 m×12 m×27 m(长×宽×高)的大空间试验厅对火灾烟气层高度进行全尺寸实验研究，火源分别放置于试验厅中央和侧墙附近的小室内，结果表明，火源位置对烟气温度和烟气层高度的发展过程影响较大，火源位于小室情况下的烟气层高度明显高于试验厅中央位置火灾；刘方[13]通过设计搭建1∶8中庭火灾实验模型，开展了自然通风和机械排烟作用下的烟气填充实验，发现火源靠近侧壁时的烟气沉降速度低于火源位于中庭中央位置的情况，相比于自然排烟，开启机械排烟后烟气层高度有所升高，且受排烟口布置方式的影响。针对狭长型空间的火灾烟气扩散时间，Li等[14]通过理论和实验数据分析指出火源功率越大，烟气扩散速度越快；Hu等[15]利用长88 m的地下狭长空间开展了0.8 MW和1.5 MW的火灾实验，采用能见度和温度对烟气前锋扩散时间进行测量，通过观察该实验数据可发现烟气扩散时间随纵向距离近似呈线性增长，且烟气扩散速度随火源功率的增加而升高。

本文通过在某地铁同站台高架换乘车站的大空间站台层区域开展全尺寸火灾实验，对不同火灾功率下的烟气扩散和沉降作用进行分析，研究结果可为此类结构站台火灾情况下自然排烟措施的优化、人员疏散和应急救援提供经验模型和实体数据支撑。

1 实验概况

该实验在某高架换乘车站的站台层开展，图1为站台的结构形式，站台层包括两平行布置的站台公共区，有效长度118 m，宽度10 m，每侧站台通过2部楼扶梯与站厅层连通，顶部均设置有自然排烟窗，在日常运营中处于开启状态。

站台层发生火灾时，乘客和站务人员需通过楼扶梯疏散至站厅，再由站厅安全出口撤离车站。因此在实验过程中将火源设置在南侧站台的西端楼扶梯处，模拟站台部分疏散路径被火灾封堵的情况，在该位置共进行3组不同火灾规模为0.25～1 MW的实验，表1为站台层实验工况， 图2为各组实验的现场开展情况。站台层实验测试装置布置平面图见实验设计[16]。

图1 实验站台结构示意Fig.1 Sketch of experimental station platform

工况编号单个油盘尺寸/m油盘数量燃料厚度/mm列车运行模式通风方式第1组第2组第3组0.84×0.59×0.112420通过不停车通过不停车站内停靠的列车立即驶离车站自然通风

图2 站台层实验现场情况Fig.2 Physical map of fire source in platform

2 实验结果与分析

2.1 顶棚烟气温度

站台层的横断面为大跨度空间结构，纵向长度为宽度的3.28倍，顶棚高度随横向位置发生变化，某一侧站台发生火灾时，火羽流撞击顶棚后在浮力的作用下继续沿横向运动至最高顶棚位置处，一部分烟气通过排烟窗排出，另一部分烟气形成横向和纵向的顶棚射流，因此在不同横向位置处的烟气温度纵向分布特征有所差异。

烟气在纵向运动的过程中，通过对流换热、热辐射和空气卷吸向顶棚壁面和下部空气层损失热量，其最高温度分布一般为指数函数，表达式如式(1)所示[17]。

(1)

式中：ΔTmax和ΔT分别为火源附近和距火源纵向距离x处的最高温度，℃；a,b和k为常数。

图3～5分别为起火站台8 m顶棚、6 m顶棚高度和未起火站台8 m顶棚高度的温度纵向分布，可见不同顶棚位置的烟气温度均能较好地采用指数函数表示，但温度衰减速度特征和随火源功率的变化情况有所不同。在起火站台和未起火站台的8 m顶棚高处，温度纵向衰减速度随火源功率的增加而减小，这与Hu[18]和Liu[19]在狭长形空间内的实验研究结果一致。站台排烟窗位于6 m顶棚高度的上方，在起火站台6 m顶棚下方，未排出车站的烟气沉降至该高度时已接近环境温度，火源功率对该高度处温度分布差异性的影响较小，如图5所示，不同火源功率下该高度处温度变化趋势差异较小。表2为起火站台8 m顶棚、6 m顶棚高度和未起火站台8 m顶棚高度处的烟气最高温度经验模型参数值。

表2 不同高度顶棚下方烟气温度分布经验模型参数Table 2 Empirical model coefficients of smoke temperature with different ceiling height

图3 起火站台8 m顶棚下方烟气温度Fig.3 Temperature beneath 8 m ceiling in fire platform

图4 未起火站台8 m顶棚下方烟气温度Fig.4 Temperature beneath 8 m ceiling in another platform

图5 起火站台6 m顶棚下方烟气温度Fig.5 Temperature beneath 6 m ceiling in fire platform

2.2 烟气层高度

在火灾情况下，烟气在扩散过程中会形成上部热烟气层和下部新鲜空气层，烟气层高度是表示烟气沉降情况及其危险性的重要参数。图6为站台火灾烟气沉降情况，受空气掺混、建筑结构的影响，烟气层和下部空气层之间往往存在过渡区域，其边界难以通过现场观察的方法确定。

针对烟气分层情况分析，NFPA-92B[20]建议通过测量竖直方向温度数据，采用百分比法确定烟气层高度，计算方法如下式，本文中Cn取0.8。

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，一般取0.8～0.9。

图7和图8分别为1 MW火灾规模时，起火站台和未起火站台8 m高度顶棚下方的竖直温度分布，其中X=0 m为火源断面处的竖直温度分布，X>0 m和X<0 m分别表示火源断面东侧和西侧区域。由于靠近顶棚部位的烟气通过对流换热损失了部分能量，因此最高温度未处于最高热电偶位置处，这与Zhong[21]和Yasushi[22]在狭长空间内的火灾实验研究结论一致。在烟气扩散区域，随着高度的下降，烟气温度逐渐下降，而在火源区域，如图7中的X=0 m所示，由于在下部空间受到火焰热辐射的影响，在高度3 m以下烟气温度呈现上升趋势。通过提取Cn=0.8处温度的所在高度可得1 MW火灾规模时起火站台烟气层高度为7～7.45 m，未起火站台的烟气层高度为6.6～7.45 m。

图6 站台火灾烟气沉降情况(0.5 MW火源)Fig.6 Fire smoke descendent in platform(HRR=0.5 MW)

采用式(1)中的计算方法对0.25 MW和0.5 MW规模火源的烟气层高度进行计算，图9为站台层烟气层高度纵向分布情况，烟气层高度受火源功率的影响较小，在火源断面处烟气层高度为7.5 m左右，随着纵向距离的增加，烟气层高度呈现下降的趋势。这是由于火源断面处烟气温度较高，且下部区域受到火焰热辐射，导致烟气浮力作用较为明显，难以向下部区域沉降，烟气在纵向扩散过程中不断损失能量并卷吸空气，温度不断降低，浮力作用不断减弱，烟气沉降作用逐渐加强。

图10为未起火站台烟气层高度，该区域烟气层纵向变化情况与起火站台有所差异，火源断面处的烟气层高度较低，而火源断面东侧和西侧的烟气层高度呈现上升的趋势。这是由于在火灾过程中，火源断面处由起火站台横向扩散至未起火站台的烟气质量流量较大，而在火源断面东侧和西侧区域，起火站台的烟气浮力作用减弱，向未起火站台横向扩散的质量流量减小，同时部分烟气在未起火站台上方的自然排烟口排出，导致未起火站台远离火源断面区域的烟气质量流量降低，烟气层高度较高，在防排烟设计中应考虑在温度较高的区域降低烟气流量，一方面可限制烟气纵向扩散范围，另一方面可减弱扩散一定距离后烟气的沉降作用，因此在车站建筑和装修条件允许的条件下应尽可能增大顶部排烟口面积实现这一排烟优化措施。

图7 起火站台8 m顶棚高度下方烟气温度竖直分布(4个油盘)Fig.7 Vertical temperature profile beneath 8 m ceiling in fire platform( 4 fuel pans)

图8 未起火站台8 m顶棚高度下方烟气温度竖直分布(4个油盘)Fig.8 Vertical temperature profile beneath 8 m ceiling in another platform( 4 fuel pans)

图9 起火站台烟气层高度Fig.9 Smoke layer height in fire platform

图10 未起火站台烟气层高度Fig.10 Smoke layer height in another platform

2.3 烟气蔓延时间

在实验过程中，通过记录烟气温度出现温升的时刻可对站台不同部位的烟气蔓延时间进行分析。图11和图12分别为起火站台和未起火站台烟气蔓延时间，可见该参数随纵向距离的增加呈线性升高趋势，这与史聪灵等[23]在地铁区间隧道开展的全尺寸火灾实验结果一致，在起火站台和未起火站台，随着火源功率由0.25 MW增加至1 MW，烟气纵向蔓延时间均为减小趋势，烟气蔓延速度增加，站台层0.25 MW规模火灾的烟气蔓延速度为0.33～0.4 m/s，0.5 MW规模火灾的烟气蔓延速度为0.41～0.43 m/s，1 MW规模火灾的烟气蔓延速度为0.45～0.81 m/s，表3为不同火灾规模和顶棚位置的烟气蔓延时间经验公式。

图11 起火站台烟气扩散时间Fig.11 Smoke spread time in fire platform

图12 未起火站台烟气扩散时间Fig.12 Smoke spread time in another platform

顶棚位置油盘数量经验公式烟气蔓延速度/(m·s-1)起火站台8 m高度顶棚1t=3.01x0.332t=2.31x0.434t=2.22x0.45未起火站台8 m高度顶棚1t=2.52x0.42t=2.42x0.414t=1.23x0.81

3 结论

1)同站台高架换乘车站的大跨度站台层发生火灾时，顶棚烟气温度的纵向衰减速率随着火源功率的增加而降低，起火站台和未起火站台不同顶棚高度下的烟气最高温度均呈指数分布特征。

2)站台层不同部位的烟气层高度受火源位置、顶棚结构和自然排烟的影响，起火站台火源附近烟气浮力作用较强，烟气层高度较高，随着纵向距离的增加，烟气温度逐渐降低，烟气层高度逐渐下降, 火灾危险性逐渐升高；未起火站台火源断面处的烟气质量流量较大, 烟气层高度低于起火站台，火灾危险性高于起火站台，随着纵向距离的增加，烟气质量流量逐渐降低，烟气层高度逐渐升高。站台防排烟设计中,在建筑和装修条件允许的范围内应尽可能提高顶部排烟口总面积以降低火场中火源附近及纵向扩散的烟气流量，从而最大程度地保障下部空间人员安全疏散。

3)在0.25～1 MW规模的火灾场景下，站台层烟气扩散时间与纵向距离呈线性升高趋势，起火站台和未起火站台的烟气扩散速度为0.33～0.81 m/s。

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