自喷系统对地下三层岛式换乘车站火灾参数的影响

潘科，傅雪

(大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028)*

0 引言

随着地铁网络化格局的形成，地铁已成为主要的出行交通工具.截止2017年11月，大连地铁1、2号线日均客流量已突破20万人次，其中仅1号线的日均客流量已达到10.5万人次，而根据大连地铁集团客流预测，1号线二期开通后日均客流量可达18.6万人次.在地铁快速发展及地铁客流量不断增加的同时，对地铁运营的安全也越发关注.图1统计分析了城市轨道交通自20世纪70年代以来在火灾、水灾、爆炸等事故的比率[1- 2]，在所有的轨道交通事故中，火灾事故约占64%.而地铁一旦发生火灾，在地铁客流日益增加的今天，后果将及其严重，因此地铁火灾及其安全性研究是地铁安全研究的重要领域.丁伟等[3]运用FDS软件对某地铁站台进行仿真，计算分析了不同端门开闭模式对可用安全疏散时间等特征参数的影响，结果表明：端门开启模式不利于烟气的排出及人员的疏散.袁建平等[4]对开启全部防烟分区和只开启火源所在防烟分区两种站厅火灾排烟模式进行了研究，得出开启站厅全部防烟分区进行排烟可以更有效地控制烟气蔓延范围和沉降高度.Jae S R等[5]通过火灾模拟及逃生模拟，评估了屏蔽门及通风在地铁火灾中对保障乘客生命安全的作用.在地铁列车火时，存在屏蔽门使乘客大约多350 s的逃生时间.而地铁检票闸机的存在，将增加人员逃生所需的时间.Shorab J等[6]通过CFAST和CFX软件分析由火灾引起的隧道中的温度分布及速度分布得出：隧道内火源的位置对于隧道中的温度分布及速度分布的准确性来说，是一个比较重要的因素.

图1 地铁事故分布图

《地铁安全疏散规范》(GB/T 33668—2017)首先以技术标准的形式明确了地铁换乘车站在不同火灾情况下的疏散时间要求，即“换乘车站在站台列车火灾和站台公共区域火灾的安全疏散时间应分段计算，且均需小于6 min”.火灾条件下，火灾烟气的发展规律及其人员的逃生与诸多因素有关，本文通过对三层岛式换乘车站发生站台公共区域中部火进行火灾数值模拟，探讨地铁车站在自动喷淋系统完好与失效情况下，火灾特征参数，如火场温度、能见度等变化情况，并探讨其对人员疏散的影响.

1 地铁火灾数值模型的建立

1.1 火灾模拟参数设置

1.1.1 火源设置

本文设置火灾形式为站台公共区域中部火灾，假设为旅客行李着火.根据《上海市轨道交通乘客守则》第八条规定：乘客携带的行李重量不得超过23 kg，体积不得超过0.2 m3，长度不得超过1.7 m；北京地铁则规定，乘客所携带行李长度不得超过1.8 m，宽高均不得超过0.5 m.考虑到地铁换乘车站的特点和火灾风险评价的危险最大化原则，将火源面积设定为1.8 m2.初始增长阶段为t2火，火灾功率曲线按450 s达到峰值考虑.

行李一般为纤维材料，设为中速增长火，CO生成率为0.038，烟气生成率为0.075.稳定燃烧的火灾功率设为2.5 MW.

1.1.2 空间网格分析

本文采用Multi-Mesh方法对火源区域、楼梯、站厅、站台等区域进行设置空间网格.火源和楼梯区域设置边长为0.25 m的正立方体网格，其他区域设置边长为0.5 m的正立方体网格.

1.1.3 模拟场景设计

本文模拟2号线(地下三层)站台公共区域行李火，设置3种火灾场景，分别考虑火灾自动喷淋系统全部失效、部分失效和全部启用三种情况，如表1所示.

表1 模拟场景及参数设置

1.2 车站三维模型构建

根据大连地铁某三层岛式换乘车站的实际尺寸，采用PyroSim软件构建其三维模型.大连地铁各车站都采用耐火阻燃材料装修，车站内的白色墙壁和顶棚都是A级不燃铝板铺设，表面是一层防滑涂层.当发生火灾，铝板不会起火.墙壁材料的热交换属性根据其装修所采用的材料进行定义，该换乘站三层的数值模型如图2所示.

(a)2号线站台层(地下三层)(b)1号线站台层(地下二层)(c)站厅层

图2三层地铁站层站台—站厅层视图

2 火灾模拟及结果分析

2.1 火灾自动喷淋系统全部正常启用时的数值模拟分析结果

本文通过PyroSim软件对表1中的场景分别进行模拟分析，限于篇幅，仅列出火灾自动喷淋系统全部启用情况下模拟结果.

对于2号线(地下三层)站台公共区域中部火灾，其烟气的蔓延过程如图3所示.100 s时火源处产生少量烟气，同时有少量烟气蔓延到1号线站台层；300 s时烟气扩散至站台中部区域，而喷淋系统完全失效时，在该时刻烟气已经完全覆盖站台中部区域；500 s时烟气浓度增加但没有扩大蔓延范围，与喷淋系统完全失效相比，喷淋系统正常启用下的烟气扩散浓度明显减弱，也减缓了烟气向其他区域的蔓延.

图3 站台-站厅层火灾烟气蔓延过程侧视图

6 min时2号线站台2 m高处的温度分布和能见度情况如图4所示.

(a)温度分布 (b)能见度

图4温度分布和能见度情况

3 min时，2 m高处烟气温度除火羽流区外，基本保持34℃以内，能见度与温度分布情况相似，能见度均在18.3 m以上.6 min时，2 m高处烟气温度除火羽流区外，基本保持40℃以内，在火源处、站台右段处能见度已降至10 m以下.8 min时，2 m高处烟气最高温度为55℃，其他区域温度均在34℃以下，站台中部绝大部分区域能见度下降至10 m以下，站台两端能见度均保持在30.5 m.

2.2 三种场景下的对比分析

(1)烟气层高度

喷淋系统全部失效时，地下三层火灾烟气层在前110 s内始终保持2 m，随后50 s内急剧降低；地下二层火灾烟气层在前350 s内始终保持2 m，随后150 s内火灾烟气层偶尔变化.喷淋系统部分失效和正常启用时，地下三层烟气层高度与全部失效相比，在110 s出急剧减低的时间较短；而部分失效时，地下二层站台的烟气层延缓100 s发生变化；正常启用时，地下二层站台烟气层始终为2 m.

(2)火场温度

三种场景下，地下三层的火场温度出现明显变化，地下二层的温度变化更趋于平缓，限于篇幅，仅列出地下三层温度变化图，如图5所示.由图中可知，站台层的温度较喷淋系统失效时温度明显降低，喷淋系统能够降低火场温度.与喷淋系统失效相比，地下三层站台的最高温度比比喷淋系统失效时能够下降20℃左右，而地下二层站台的最高温度比喷淋系统失效时能够下降10℃左右.

(a)喷淋系统全部失效 (b)喷淋系统部分失效 (c)喷淋系统正常启用

图5地下三层温度变化图

(3)CO浓度

地下三层CO浓度最高值100×10-6，出现在场景3自动喷淋系统正常启用时；地下二层站台CO浓度最高值65×10-6，出现在场景1自动喷淋系统全部失效时.与自动喷淋系统失效相比，地下三层CO浓度稍有增加，这可能与可燃物的不完全燃烧程度增强有关，而地下二层楼站台CO浓度降低了10×10-6左右，可以有效降低CO对人员疏散的影响.三种场景下地下三层CO浓度如图6所示.

(a)喷淋系统全部失效 (b)喷淋系统部分失效 (c)喷淋系统正常启用

图6地下三层CO浓度图

(4)能见度

能见度是火灾中的重要参数，其数值大小直接影响人员正确逃生与否，在火灾安全学中一般将10m作为危险来临的临界值，本文对表1中3种场景能见度变化规律的模拟结果如图7所示，限于篇幅，仅列出喷淋系统正常启用时的能见度图.喷淋系统全部失效时，地下三层站台能见度在150 s时开始下降，火灾发生400 s后，能见度降到了10 m以下，进入危险状态.地下三层站台350 s左右开始能见度开始下降，并维持在10 m，整个火场的能见度能够较长时间的处于安全范围.与自动喷淋系统失效相比，地下三层的能见度提前约50 s达到10 m以下，而地下二层的能见度能长时间保持在10 m以上，便于人群安全疏散.

(a)地下三层

(b)地下二层

3 结论

(1)对于地下三层站台公共区域的火灾，自动喷淋系统能够有效地抑制烟气的扩散，减缓烟气层的变化，有效较低站台区域的温度，提高地下二层站台的能见度，同时降低其CO浓度，但也会增加着火层的CO浓度，降低其能见度;

(2)在地铁的日常安全管理中，应定期对消防系统的维护，保证其处于正常状态;

(3)在火灾发生时，应尽快将人员疏散至非着火层等安全区域.