潘科，傅雪

(大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

0 引言

隨著地鐵網(wǎng)絡(luò)化格局的形成，地鐵已成為主要的出行交通工具.截止2017年11月，大連地鐵1、2號(hào)線日均客流量已突破20萬(wàn)人次，其中僅1號(hào)線的日均客流量已達(dá)到10.5萬(wàn)人次，而根據(jù)大連地鐵集團(tuán)客流預(yù)測(cè)，1號(hào)線二期開(kāi)通后日均客流量可達(dá)18.6萬(wàn)人次.在地鐵快速發(fā)展及地鐵客流量不斷增加的同時(shí)，對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)的安全也越發(fā)關(guān)注.圖1統(tǒng)計(jì)分析了城市軌道交通自20世紀(jì)70年代以來(lái)在火災(zāi)、水災(zāi)、爆炸等事故的比率[1- 2]，在所有的軌道交通事故中，火災(zāi)事故約占64%.而地鐵一旦發(fā)生火災(zāi)，在地鐵客流日益增加的今天，后果將及其嚴(yán)重，因此地鐵火災(zāi)及其安全性研究是地鐵安全研究的重要領(lǐng)域.丁偉等[3]運(yùn)用FDS軟件對(duì)某地鐵站臺(tái)進(jìn)行仿真，計(jì)算分析了不同端門開(kāi)閉模式對(duì)可用安全疏散時(shí)間等特征參數(shù)的影響，結(jié)果表明：端門開(kāi)啟模式不利于煙氣的排出及人員的疏散.袁建平等[4]對(duì)開(kāi)啟全部防煙分區(qū)和只開(kāi)啟火源所在防煙分區(qū)兩種站廳火災(zāi)排煙模式進(jìn)行了研究，得出開(kāi)啟站廳全部防煙分區(qū)進(jìn)行排煙可以更有效地控制煙氣蔓延范圍和沉降高度.Jae S R等[5]通過(guò)火災(zāi)模擬及逃生模擬，評(píng)估了屏蔽門及通風(fēng)在地鐵火災(zāi)中對(duì)保障乘客生命安全的作用.在地鐵列車火時(shí)，存在屏蔽門使乘客大約多350 s的逃生時(shí)間.而地鐵檢票閘機(jī)的存在，將增加人員逃生所需的時(shí)間.Shorab J等[6]通過(guò)CFAST和CFX軟件分析由火災(zāi)引起的隧道中的溫度分布及速度分布得出：隧道內(nèi)火源的位置對(duì)于隧道中的溫度分布及速度分布的準(zhǔn)確性來(lái)說(shuō)，是一個(gè)比較重要的因素.

圖1 地鐵事故分布圖

《地鐵安全疏散規(guī)范》(GB/T 33668—2017)首先以技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的形式明確了地鐵換乘車站在不同火災(zāi)情況下的疏散時(shí)間要求，即“換乘車站在站臺(tái)列車火災(zāi)和站臺(tái)公共區(qū)域火災(zāi)的安全疏散時(shí)間應(yīng)分段計(jì)算，且均需小于6 min”.火災(zāi)條件下，火災(zāi)煙氣的發(fā)展規(guī)律及其人員的逃生與諸多因素有關(guān)，本文通過(guò)對(duì)三層島式換乘車站發(fā)生站臺(tái)公共區(qū)域中部火進(jìn)行火災(zāi)數(shù)值模擬，探討地鐵車站在自動(dòng)噴淋系統(tǒng)完好與失效情況下，火災(zāi)特征參數(shù)，如火場(chǎng)溫度、能見(jiàn)度等變化情況，并探討其對(duì)人員疏散的影響.

1 地鐵火災(zāi)數(shù)值模型的建立

1.1 火災(zāi)模擬參數(shù)設(shè)置

1.1.1 火源設(shè)置

本文設(shè)置火災(zāi)形式為站臺(tái)公共區(qū)域中部火災(zāi)，假設(shè)為旅客行李著火.根據(jù)《上海市軌道交通乘客守則》第八條規(guī)定：乘客攜帶的行李重量不得超過(guò)23 kg，體積不得超過(guò)0.2 m3，長(zhǎng)度不得超過(guò)1.7 m；北京地鐵則規(guī)定，乘客所攜帶行李長(zhǎng)度不得超過(guò)1.8 m，寬高均不得超過(guò)0.5 m.考慮到地鐵換乘車站的特點(diǎn)和火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的危險(xiǎn)最大化原則，將火源面積設(shè)定為1.8 m2.初始增長(zhǎng)階段為t2火，火災(zāi)功率曲線按450 s達(dá)到峰值考慮.

行李一般為纖維材料，設(shè)為中速增長(zhǎng)火，CO生成率為0.038，煙氣生成率為0.075.穩(wěn)定燃燒的火災(zāi)功率設(shè)為2.5 MW.

1.1.2 空間網(wǎng)格分析

本文采用Multi-Mesh方法對(duì)火源區(qū)域、樓梯、站廳、站臺(tái)等區(qū)域進(jìn)行設(shè)置空間網(wǎng)格.火源和樓梯區(qū)域設(shè)置邊長(zhǎng)為0.25 m的正立方體網(wǎng)格，其他區(qū)域設(shè)置邊長(zhǎng)為0.5 m的正立方體網(wǎng)格.

1.1.3 模擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)

本文模擬2號(hào)線(地下三層)站臺(tái)公共區(qū)域行李火，設(shè)置3種火災(zāi)場(chǎng)景，分別考慮火災(zāi)自動(dòng)噴淋系統(tǒng)全部失效、部分失效和全部啟用三種情況，如表1所示.

表1 模擬場(chǎng)景及參數(shù)設(shè)置

1.2 車站三維模型構(gòu)建

根據(jù)大連地鐵某三層島式換乘車站的實(shí)際尺寸，采用PyroSim軟件構(gòu)建其三維模型.大連地鐵各車站都采用耐火阻燃材料裝修，車站內(nèi)的白色墻壁和頂棚都是A級(jí)不燃鋁板鋪設(shè)，表面是一層防滑涂層.當(dāng)發(fā)生火災(zāi)，鋁板不會(huì)起火.墻壁材料的熱交換屬性根據(jù)其裝修所采用的材料進(jìn)行定義，該換乘站三層的數(shù)值模型如圖2所示.

(a)2號(hào)線站臺(tái)層(地下三層)(b)1號(hào)線站臺(tái)層(地下二層)(c)站廳層

圖2三層地鐵站層站臺(tái)—站廳層視圖

2 火災(zāi)模擬及結(jié)果分析

2.1 火災(zāi)自動(dòng)噴淋系統(tǒng)全部正常啟用時(shí)的數(shù)值模擬分析結(jié)果

本文通過(guò)PyroSim軟件對(duì)表1中的場(chǎng)景分別進(jìn)行模擬分析，限于篇幅，僅列出火災(zāi)自動(dòng)噴淋系統(tǒng)全部啟用情況下模擬結(jié)果.

對(duì)于2號(hào)線(地下三層)站臺(tái)公共區(qū)域中部火災(zāi)，其煙氣的蔓延過(guò)程如圖3所示.100 s時(shí)火源處產(chǎn)生少量煙氣，同時(shí)有少量煙氣蔓延到1號(hào)線站臺(tái)層；300 s時(shí)煙氣擴(kuò)散至站臺(tái)中部區(qū)域，而噴淋系統(tǒng)完全失效時(shí)，在該時(shí)刻煙氣已經(jīng)完全覆蓋站臺(tái)中部區(qū)域；500 s時(shí)煙氣濃度增加但沒(méi)有擴(kuò)大蔓延范圍，與噴淋系統(tǒng)完全失效相比，噴淋系統(tǒng)正常啟用下的煙氣擴(kuò)散濃度明顯減弱，也減緩了煙氣向其他區(qū)域的蔓延.

圖3 站臺(tái)-站廳層火災(zāi)煙氣蔓延過(guò)程側(cè)視圖

6 min時(shí)2號(hào)線站臺(tái)2 m高處的溫度分布和能見(jiàn)度情況如圖4所示.

(a)溫度分布 (b)能見(jiàn)度

圖4溫度分布和能見(jiàn)度情況

3 min時(shí)，2 m高處煙氣溫度除火羽流區(qū)外，基本保持34℃以內(nèi)，能見(jiàn)度與溫度分布情況相似，能見(jiàn)度均在18.3 m以上.6 min時(shí)，2 m高處煙氣溫度除火羽流區(qū)外，基本保持40℃以內(nèi)，在火源處、站臺(tái)右段處能見(jiàn)度已降至10 m以下.8 min時(shí)，2 m高處煙氣最高溫度為55℃，其他區(qū)域溫度均在34℃以下，站臺(tái)中部絕大部分區(qū)域能見(jiàn)度下降至10 m以下，站臺(tái)兩端能見(jiàn)度均保持在30.5 m.

2.2 三種場(chǎng)景下的對(duì)比分析

(1)煙氣層高度

噴淋系統(tǒng)全部失效時(shí)，地下三層火災(zāi)煙氣層在前110 s內(nèi)始終保持2 m，隨后50 s內(nèi)急劇降低；地下二層火災(zāi)煙氣層在前350 s內(nèi)始終保持2 m，隨后150 s內(nèi)火災(zāi)煙氣層偶爾變化.噴淋系統(tǒng)部分失效和正常啟用時(shí)，地下三層煙氣層高度與全部失效相比，在110 s出急劇減低的時(shí)間較短；而部分失效時(shí)，地下二層站臺(tái)的煙氣層延緩100 s發(fā)生變化；正常啟用時(shí)，地下二層站臺(tái)煙氣層始終為2 m.

(2)火場(chǎng)溫度

三種場(chǎng)景下，地下三層的火場(chǎng)溫度出現(xiàn)明顯變化，地下二層的溫度變化更趨于平緩，限于篇幅，僅列出地下三層溫度變化圖，如圖5所示.由圖中可知，站臺(tái)層的溫度較噴淋系統(tǒng)失效時(shí)溫度明顯降低，噴淋系統(tǒng)能夠降低火場(chǎng)溫度.與噴淋系統(tǒng)失效相比，地下三層站臺(tái)的最高溫度比比噴淋系統(tǒng)失效時(shí)能夠下降20℃左右，而地下二層站臺(tái)的最高溫度比噴淋系統(tǒng)失效時(shí)能夠下降10℃左右.

(a)噴淋系統(tǒng)全部失效 (b)噴淋系統(tǒng)部分失效 (c)噴淋系統(tǒng)正常啟用

圖5地下三層溫度變化圖

(3)CO濃度

地下三層CO濃度最高值100×10-6，出現(xiàn)在場(chǎng)景3自動(dòng)噴淋系統(tǒng)正常啟用時(shí)；地下二層站臺(tái)CO濃度最高值65×10-6，出現(xiàn)在場(chǎng)景1自動(dòng)噴淋系統(tǒng)全部失效時(shí).與自動(dòng)噴淋系統(tǒng)失效相比，地下三層CO濃度稍有增加，這可能與可燃物的不完全燃燒程度增強(qiáng)有關(guān)，而地下二層樓站臺(tái)CO濃度降低了10×10-6左右，可以有效降低CO對(duì)人員疏散的影響.三種場(chǎng)景下地下三層CO濃度如圖6所示.

(a)噴淋系統(tǒng)全部失效 (b)噴淋系統(tǒng)部分失效 (c)噴淋系統(tǒng)正常啟用

圖6地下三層CO濃度圖

(4)能見(jiàn)度

能見(jiàn)度是火災(zāi)中的重要參數(shù)，其數(shù)值大小直接影響人員正確逃生與否，在火災(zāi)安全學(xué)中一般將10m作為危險(xiǎn)來(lái)臨的臨界值，本文對(duì)表1中3種場(chǎng)景能見(jiàn)度變化規(guī)律的模擬結(jié)果如圖7所示，限于篇幅，僅列出噴淋系統(tǒng)正常啟用時(shí)的能見(jiàn)度圖.噴淋系統(tǒng)全部失效時(shí)，地下三層站臺(tái)能見(jiàn)度在150 s時(shí)開(kāi)始下降，火災(zāi)發(fā)生400 s后，能見(jiàn)度降到了10 m以下，進(jìn)入危險(xiǎn)狀態(tài).地下三層站臺(tái)350 s左右開(kāi)始能見(jiàn)度開(kāi)始下降，并維持在10 m，整個(gè)火場(chǎng)的能見(jiàn)度能夠較長(zhǎng)時(shí)間的處于安全范圍.與自動(dòng)噴淋系統(tǒng)失效相比，地下三層的能見(jiàn)度提前約50 s達(dá)到10 m以下，而地下二層的能見(jiàn)度能長(zhǎng)時(shí)間保持在10 m以上，便于人群安全疏散.

(a)地下三層

(b)地下二層

3 結(jié)論

(1)對(duì)于地下三層站臺(tái)公共區(qū)域的火災(zāi)，自動(dòng)噴淋系統(tǒng)能夠有效地抑制煙氣的擴(kuò)散，減緩煙氣層的變化，有效較低站臺(tái)區(qū)域的溫度，提高地下二層站臺(tái)的能見(jiàn)度，同時(shí)降低其CO濃度，但也會(huì)增加著火層的CO濃度，降低其能見(jiàn)度;

(2)在地鐵的日常安全管理中，應(yīng)定期對(duì)消防系統(tǒng)的維護(hù)，保證其處于正常狀態(tài);

(3)在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，應(yīng)盡快將人員疏散至非著火層等安全區(qū)域.