鐘帥 苗作華 余璨 冉康 劉聰

摘要：地鐵火災(zāi)監(jiān)管在地鐵安全運(yùn)營(yíng)管理過(guò)程中占據(jù)重要位置，地鐵火災(zāi)的發(fā)生、發(fā)展機(jī)理與其它類型火災(zāi)相比有很大差異。以武漢市地鐵2號(hào)線某四層分離島式站點(diǎn)為研究對(duì)象，以FDS火災(zāi)模擬軟件為技術(shù)手段，對(duì)該地鐵站點(diǎn)發(fā)生火災(zāi)時(shí)的煙氣蔓延過(guò)程、溫度分布以及CO濃度分布規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的分析，研究上述分布規(guī)律對(duì)人員安全疏散的影響。實(shí)驗(yàn)研究表明，當(dāng)該地鐵站點(diǎn)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，CO濃度和溫度的變化與火源距離呈正相關(guān)，通過(guò)及時(shí)開啟相應(yīng)的火災(zāi)處理排煙風(fēng)機(jī)系統(tǒng)以控制煙氣蔓延，此時(shí)在風(fēng)機(jī)影響區(qū)域的上風(fēng)CO濃度、 溫度偏低，下風(fēng)側(cè)偏高，其它區(qū)域的CO濃度、溫度則變化不大。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：地鐵火災(zāi)；分離島式車站；煙氣蔓延；數(shù)值模擬

DOIDOI：10.11907/rjdk.161277

中圖分類號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2016）007013704

0引言

隨著城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，地鐵在城市軌道交通中占據(jù)了越來(lái)越重要的地位，地鐵修建、運(yùn)營(yíng)發(fā)展迅速，而針對(duì)地鐵災(zāi)害、尤其是火災(zāi)的研究則相對(duì)滯后。地鐵火災(zāi)的發(fā)生、發(fā)展機(jī)理與其它類型火災(zāi)相比有很大差異，首先地鐵列車裝備了大量的通訊、電力電纜及車輛裝飾材料，加上乘客攜帶的隨身物品，很容易引起或加速地鐵火災(zāi)的蔓延；其次地鐵運(yùn)行區(qū)間相對(duì)狹長(zhǎng)、封閉，其通風(fēng)環(huán)境較差，導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生時(shí)的煙氣擴(kuò)展不夠及時(shí)、迅速和充分。

充分利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)地鐵火災(zāi)發(fā)生時(shí)影響人員安全疏散因素的變化規(guī)律進(jìn)行事前模擬研究，對(duì)地鐵安全運(yùn)營(yíng)、風(fēng)險(xiǎn)防范具有重要意義。已有學(xué)者開展了相關(guān)研究并取得了諸多研究成果：陶平等采用FDS軟件對(duì)西安地鐵2號(hào)線某島式站臺(tái)端部火災(zāi)工況進(jìn)行了數(shù)值模擬研究；朱偉等對(duì)地鐵車站出入口火災(zāi)煙氣的CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化規(guī)律進(jìn)行了模擬研究；龔偉、游偉等對(duì)天津地鐵某車站火災(zāi)發(fā)生時(shí)煙氣溫度與能見度分布情況進(jìn)行了數(shù)值模擬；朱常琳等探討了自然通風(fēng)模式下隧道區(qū)間火災(zāi)人員疏散微環(huán)境中的煙氣溫度、能見度和CO濃度分布規(guī)律；趙明橋等針對(duì)不同通風(fēng)方式下區(qū)間隧道火災(zāi)高溫及煙氣控制效果的差異性進(jìn)行了研究。當(dāng)前國(guó)內(nèi)研究主要集中在雙層島式車站方面，關(guān)于四層分離島式站點(diǎn)火災(zāi)煙氣溫度、流速、能見度和CO濃度的研究還較少。鑒于此，本文以流體力學(xué)、燃燒學(xué)和傳熱傳質(zhì)學(xué)的相關(guān)原理為理論基礎(chǔ)，以武漢市地鐵2號(hào)線某四層分離島式車站為研究對(duì)象，采用FDS軟件（Fire Dynamics Simulator）對(duì)該地鐵站點(diǎn)站臺(tái)火災(zāi)、站廳火災(zāi)發(fā)生時(shí)的煙氣擴(kuò)散、溫度分布以及CO濃度分布規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)對(duì)不同火災(zāi)條件下影響人員安全疏散的各特征指標(biāo)進(jìn)行分析，為地鐵火災(zāi)安全防范提供支持。

1數(shù)值模擬計(jì)算理論與方法

FDS是由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究院（NIST）開發(fā)的以場(chǎng)模擬計(jì)算為原理、以火災(zāi)流體運(yùn)動(dòng)為建模對(duì)象的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件。速度、溫度、各組分濃度等火災(zāi)狀態(tài)參數(shù)的分布情況即為場(chǎng)，場(chǎng)模擬是以對(duì)火場(chǎng)的各種狀態(tài)參數(shù)在空間、時(shí)間上的變化情況進(jìn)行計(jì)算機(jī)軟件模擬；質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒以及化學(xué)反應(yīng)定律等是場(chǎng)模擬的理論依據(jù)，由于地鐵火災(zāi)各狀態(tài)參數(shù)的變化也遵循這些規(guī)律，因此可以用場(chǎng)模擬方法來(lái)模擬火災(zāi)的產(chǎn)生、發(fā)展變化過(guò)程。FDS通過(guò)大渦模型（LES，Large Eddy Simulator）對(duì)連續(xù)方程、動(dòng)量方程、能量方程以及壓力收斂方程進(jìn)行求解，從而得到火災(zāi)溫度、壓力、氣體成分等狀態(tài)參數(shù)的空間分布情況。1.1模擬對(duì)象數(shù)字建模

首先要對(duì)模擬對(duì)象進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立數(shù)字模擬模型。通常網(wǎng)格尺寸越小對(duì)模擬對(duì)象的表達(dá)越精細(xì)，模擬結(jié)果也越準(zhǔn)確，但計(jì)算效率則可能較低下。因此，需要根據(jù)研究對(duì)象、研究目的選擇合理的網(wǎng)格劃分方法以及網(wǎng)格單元大小實(shí)現(xiàn)模擬精度和計(jì)算效能之間的平衡。根據(jù)已有學(xué)者的研究經(jīng)驗(yàn)，本文對(duì)模擬對(duì)象采用多分區(qū)法進(jìn)行非均勻網(wǎng)格劃分以建立數(shù)字模擬模型，根據(jù)火源距離對(duì)火災(zāi)的火源區(qū)域、站臺(tái)、站廳分別設(shè)置不同尺寸的Mesh區(qū)域和網(wǎng)格單元。1.2火源功率增長(zhǎng)方式

火災(zāi)變化過(guò)程是火源的熱釋放過(guò)程，常用熱源釋放速率、增長(zhǎng)速率等參數(shù)來(lái)描述該過(guò)程，在設(shè)計(jì)地鐵站點(diǎn)火災(zāi)模擬場(chǎng)景時(shí)需根據(jù)實(shí)際情況確定火源功率的相關(guān)參數(shù)。熱釋放速率（Qc）是表達(dá)火災(zāi)發(fā)展、危害的主要參數(shù)，也是選擇消防措施的重要依據(jù)，指單位時(shí)間內(nèi)火源放出的熱量，一般以kw為單位，通常研究以t2模型為初始階段增長(zhǎng)火，隨時(shí)間推移火源發(fā)展為穩(wěn)定功率燃燒[8]。

式（1）中，α為熱源增長(zhǎng)速率（kws），t為火災(zāi)熱源燃燒時(shí)間，t0為火災(zāi)起始時(shí)間，為研究方便，通常設(shè)該參數(shù)為零，則熱釋放速率（Qc）求解公式可簡(jiǎn)化為：

當(dāng)?shù)罔F火災(zāi)發(fā)生時(shí)，易燃物體被點(diǎn)火引燃，產(chǎn)生維持火源繼續(xù)燃燒的能量，理論而言熱源釋放速率會(huì)隨著易燃物體被點(diǎn)燃數(shù)量的增多不斷增大。但是，現(xiàn)實(shí)生活中當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)會(huì)有相應(yīng)的救援措施啟動(dòng)，如地鐵的自動(dòng)噴淋系統(tǒng)、排煙風(fēng)機(jī)系統(tǒng)等，并且人員安全疏散的黃金時(shí)間是在火災(zāi)發(fā)生后的幾分鐘，研究中通常對(duì)火源功率增長(zhǎng)方式進(jìn)行簡(jiǎn)化，火災(zāi)發(fā)生后以一定的熱源速率增長(zhǎng)，隨時(shí)間推移穩(wěn)定在某個(gè)固定值。1.3人員安全疏散時(shí)間指標(biāo)

地鐵發(fā)生火災(zāi)時(shí)，人員能否安全疏散涉及到兩個(gè)重要的時(shí)間參數(shù)，即安全疏散所需時(shí)間和可用時(shí)間（見圖1）。在本文中定義安全疏散所需時(shí)間為RSET、安全疏散可用時(shí)間為ASET，人員能安全疏散則必須滿足ASET>RSET。根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50157-2013）中規(guī)定：當(dāng)?shù)罔F火災(zāi)發(fā)生時(shí)，應(yīng)保證在現(xiàn)有排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案下，能夠滿足不小于360s的疏散時(shí)間要求。

1.4人員安全疏散CO指標(biāo)

火災(zāi)發(fā)生時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量能造成人員死亡的有毒氣體，其中CO能削弱血液中血紅蛋白與O2的結(jié)合，造成受害者缺氧，最終導(dǎo)致死亡。研究表明，死于CO中毒的人員數(shù)量在火災(zāi)事故受害者中約占一半以上。人在不同CO濃度及暴露時(shí)間中所產(chǎn)生的病理癥狀如表1所示。

2.1站點(diǎn)數(shù)字模型建模

本文研究所選擇的地鐵站點(diǎn)位于湖北省武漢市武珞路和珞獅南路路口，該站點(diǎn)周邊以公共事業(yè)用地、居住用地、商業(yè)用地和教育用地為主。該車站為地下四層分離島式車站，有效站臺(tái)長(zhǎng)度為186m，每側(cè)站臺(tái)寬度為6m，車站建筑結(jié)構(gòu)為四層五跨箱型框架，該站臺(tái)數(shù)字模型如圖2示所示。

2.2實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

在上述分析基礎(chǔ)上，結(jié)合該地鐵站點(diǎn)實(shí)際情況，本文主要針對(duì)該地鐵站點(diǎn)的站廳、站臺(tái)進(jìn)行火災(zāi)模擬分析。在FDS軟件中設(shè)置的相關(guān)參數(shù)如表2所示。

本文分別對(duì)該地鐵站點(diǎn)站廳層的煙氣蔓延過(guò)程（見圖3）、溫度分布（見圖4）、CO濃度分布隨時(shí)間的演變情況（見圖5）進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)研究。

經(jīng)模擬結(jié)果分析可知，當(dāng)站廳層一側(cè)站臺(tái)中間著火時(shí)，煙氣向站臺(tái)兩側(cè)擴(kuò)散，再通過(guò)中間的橫向通道擴(kuò)散到對(duì)側(cè)。煙氣隨著火源功率的增大不斷向站臺(tái)上部空間及兩端蔓延，并通過(guò)開啟的站廳排煙風(fēng)機(jī)排放，360s內(nèi)會(huì)有少許煙氣進(jìn)入站廳層對(duì)側(cè)站臺(tái)，樓梯口上方煙氣流動(dòng)穩(wěn)定，2m位置處煙氣稀薄，有利于人員逃生，煙氣未蔓延至負(fù)一層和站臺(tái)層。

經(jīng)模擬結(jié)果分析可知，站廳層的高溫區(qū)域主要集中在火源附近的頂部區(qū)域，離屋頂縱向5m范圍內(nèi)溫度升高較大，站廳層2m位置處溫度變化不大，火源正上方半徑1m范圍內(nèi)，600s溫度可到達(dá)300℃，絕大部分區(qū)域?yàn)槌?0℃。

經(jīng)模擬結(jié)果分析可知，高濃度CO主要集中火源內(nèi)區(qū)域，火源附近CO濃度最高達(dá)200ppm以上；隨著火災(zāi)發(fā)生時(shí)間的推移，CO的濃度與火源呈距離衰減模式，隨著距離增大，CO濃度顯著降低；在站廳2m位置處，CO濃度在45ppm以下，其濃度可滿足人員安全疏散的規(guī)范要求；當(dāng)煙氣徑向蔓延到左右兩邊出入口時(shí)，受外界風(fēng)的影響，局部滯留累積，發(fā)生煙氣卷吸現(xiàn)象，導(dǎo)致這兩處CO濃度相對(duì)較高。2.4站臺(tái)層火災(zāi)模擬結(jié)果與分析

本文分別對(duì)該地鐵站點(diǎn)站臺(tái)層的煙氣蔓延過(guò)程（見圖6）、溫度分布（見圖7）、CO濃度分布（見圖8）情況進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)研究。

經(jīng)模擬結(jié)果分析可知，當(dāng)站臺(tái)層一側(cè)的站臺(tái)中間著火時(shí)，煙氣首先向該側(cè)站臺(tái)兩側(cè)蔓延擴(kuò)散，然后會(huì)通過(guò)中間橫向通道蔓延擴(kuò)散到站臺(tái)對(duì)側(cè)，在模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到360s時(shí)，有少量煙氣進(jìn)入站臺(tái)層對(duì)側(cè)站臺(tái)，同時(shí)煙氣會(huì)隨著火源功率的增大不斷向站臺(tái)上部及兩端蔓延，通過(guò)開啟的站廳排煙風(fēng)機(jī)系統(tǒng)排放，經(jīng)模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在站臺(tái)層2m位置處火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣稀薄，煙氣沒有蔓延至站廳層，有利于人員的安全疏散。

經(jīng)模擬結(jié)果分析可知，隨著時(shí)間的推移，站臺(tái)樓梯截面溫度逐漸升高并向兩端蔓延，至473s火源達(dá)到最大功率并趨于穩(wěn)定；本次實(shí)驗(yàn)設(shè)置的著火源由于靠近樓梯3臺(tái)階口，樓梯向下風(fēng)流將高溫?zé)煔饨財(cái)?，使煙氣繞道進(jìn)入橫向通道及右側(cè)站臺(tái)區(qū)；在360s時(shí)人員可安全疏散，在600s時(shí)站臺(tái)層高度2m的位置，著火源附近小區(qū)域內(nèi)最高溫度為208℃左右，絕大部分區(qū)域?yàn)?0℃左右，站臺(tái)層其它區(qū)域溫度控制在35℃以下。

經(jīng)模擬結(jié)果分析可知，隨著火災(zāi)時(shí)間的推移，CO濃度逐漸升高，至473s時(shí)趨于穩(wěn)定，此時(shí)火災(zāi)煙氣主要集中在火源附近站臺(tái)頂板區(qū)域；360s時(shí)CO濃度在30～150ppm，站廳層CO濃度幾乎為0，有利于人員安全疏散；在站臺(tái)層2m高度的位置，CO濃度也都控制在300ppm以下。3結(jié)語(yǔ)

本文借助FDS軟件、以武漢市地鐵2號(hào)線某四層分離島式車站為研究對(duì)象，按最不利工況條件對(duì)該地鐵站點(diǎn)進(jìn)行火災(zāi)安全性模擬分析，主要結(jié)論如下：

（1）當(dāng)站廳火災(zāi)發(fā)生時(shí)，首先應(yīng)及時(shí)啟動(dòng)站廳排煙系統(tǒng)以有效控制煙氣、阻止煙氣向設(shè)備層和站臺(tái)層蔓延。模擬實(shí)驗(yàn)表明，以著火源為中心、5m為半徑的范圍內(nèi)溫度最高，火源正上方2m位置處溫度最高；CO濃度隨距離的變化較大，火源附近10～25m處的站廳頂部CO濃度偏高，隨著離火源距離增大，CO濃度則逐漸降低，在站廳層下方的區(qū)域濃度偏低；CO濃度隨時(shí)間的變化不明顯；在模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到360s時(shí)，各主要指標(biāo)可滿足人員安全疏散的規(guī)范要求；站廳層的最大可用安全疏散時(shí)間約為600s。

（2）當(dāng)站臺(tái)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，首先應(yīng)及時(shí)開啟站臺(tái)的排煙排熱系統(tǒng)，同時(shí)在軌頂排熱風(fēng)機(jī)及隧道排煙風(fēng)機(jī)的協(xié)助下進(jìn)行排煙。模擬實(shí)驗(yàn)表明，煙氣主要集中在火源附近站臺(tái)頂板區(qū)域以及樓梯2和樓梯4之間的區(qū)域，在2m高度處火源附近小范圍內(nèi)最高溫度為208℃，絕大部分為20℃；站臺(tái)層其它區(qū)域溫度都控制在35℃以下；2m高度處CO濃度控制在300ppm以下；在模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到360s時(shí)，各主要指標(biāo)可滿足人員安全疏散的規(guī)范要求；站臺(tái)層的最大可用安全疏散時(shí)間約為360s。

本文結(jié)合武漢市軌道交通線路實(shí)際情況，采用FDS軟件對(duì)典型車站火災(zāi)條件下的火災(zāi)蔓延、煙氣擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬分析，進(jìn)而分析地鐵運(yùn)營(yíng)期間站臺(tái)的消防安全，為消防力量的調(diào)配和撲救提供便利，也為后續(xù)消防設(shè)計(jì)提供參考。

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