彭溢悅 秦華禮

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院 沈陽(yáng) 110819)

0 引言

地鐵站普遍建于繁華區(qū)域的地下，一旦發(fā)生火災(zāi)，短時(shí)間內(nèi)容易造成大量煙氣聚集，同時(shí)高溫、熱輻射以及產(chǎn)生的有毒氣體會(huì)對(duì)人員和設(shè)備造成較大影響，尤其是火源頂部最易受到高溫和熱輻射的破壞，給災(zāi)后重建和修復(fù)造成很大阻礙。地鐵滅火設(shè)施中使用較多的有自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)(即噴淋系統(tǒng))和排煙系統(tǒng)。我國(guó)《地鐵設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》中明確規(guī)定了站內(nèi)排煙系統(tǒng)的排煙量標(biāo)準(zhǔn)；自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)可以有效撲滅初期火災(zāi)，因此也得到廣泛的使用。

自地下軌道投入使用以來(lái)，國(guó)內(nèi)外曾發(fā)生多次地鐵事故，學(xué)者們針對(duì)地鐵火災(zāi)展開(kāi)了大量的研究，主要方法有小尺寸試驗(yàn)和數(shù)值模擬。鐘茂華等[1-3]建立了1∶10的小尺寸試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)不同換乘形式車站進(jìn)行火災(zāi)場(chǎng)景模擬和危險(xiǎn)參數(shù)測(cè)量；TEODOSIU C I等[4]分析了不同的通風(fēng)模式對(duì)人員疏散的影響；朱常琳等[5]采用FDS數(shù)值模擬，研究了車廂內(nèi)部著火時(shí)不同的排煙道高度、排煙風(fēng)速、排煙口開(kāi)啟個(gè)數(shù)對(duì)隧道內(nèi)煙氣控制的影響，同時(shí)綜合考慮了排煙效果和挖掘成本；程學(xué)慶等[6]對(duì)地鐵屏蔽門夾人事故進(jìn)行了分析，提出對(duì)紅外探測(cè)系統(tǒng)和警示燈進(jìn)行改進(jìn)以減少事故；ROH J S等[7]通過(guò)火災(zāi)逃生模擬，評(píng)估了地鐵屏蔽門及通風(fēng)在地鐵火災(zāi)中對(duì)人員疏散的影響，在地鐵列車發(fā)生火災(zāi)時(shí)，屏蔽門使乘客的逃生時(shí)間多出約350 s；王暨璇等[8]研究了地鐵站火災(zāi)工況下風(fēng)口相對(duì)風(fēng)管位置設(shè)置和風(fēng)口尺寸對(duì)地鐵站廳層火災(zāi)煙氣流動(dòng)的影響,得到風(fēng)口位置位于風(fēng)管上部的效果優(yōu)于側(cè)部和下部的，通風(fēng)量一定時(shí),不同風(fēng)口面積對(duì)煙氣流動(dòng)影響較小;丁謝鑌等[9]通過(guò)對(duì)某場(chǎng)所火災(zāi)中CO濃度變化情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對(duì)各項(xiàng)改進(jìn)措施的改善程度進(jìn)行比較，結(jié)果表明，CO濃度超標(biāo)是造成人員大量傷亡的主要原因，在室內(nèi)設(shè)置自動(dòng)水噴淋系統(tǒng)也能對(duì)火災(zāi)起到較好的抑制作用。在關(guān)于地鐵火災(zāi)時(shí)噴淋和排煙系統(tǒng)等防火設(shè)施對(duì)站臺(tái)的影響方面，相關(guān)文獻(xiàn)較缺乏。地鐵站站臺(tái)高度一般在4～5 m，在站臺(tái)頂棚下方要布置大量的設(shè)備如排煙管道、送風(fēng)管道、照明設(shè)備等，一旦地鐵站內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，高溫?zé)煔饩涂赡軐?duì)頂棚下方的各種設(shè)備造成破壞。如果火源功率較大，火焰甚至?xí)苯幼茻秸九_(tái)頂棚，對(duì)站臺(tái)的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞性影響，因此研究火災(zāi)時(shí)頂棚的溫度十分必要。筆者以沈陽(yáng)某新建地下二層島式車站為原型，基于FDS數(shù)值模擬方法建立等比例模型，分析在不同火源位置下，噴淋和排煙系統(tǒng)的開(kāi)啟對(duì)火災(zāi)發(fā)生時(shí)站臺(tái)頂棚和2 m高度處的影響，為地鐵站防火措施及火災(zāi)時(shí)人員疏散方案提供參考。

1 構(gòu)建幾何模型

以沈陽(yáng)某新建地鐵站為例，該站為標(biāo)準(zhǔn)地下二層島式車站，站臺(tái)層高度為4.7 m，長(zhǎng)度為120 m，寬度為12 m，兩側(cè)隧道寬度各為4 m；站廳層高度為5.3 m，長(zhǎng)度為120 m，寬度為20 m；站臺(tái)至站廳之間有3組樓梯，包括兩側(cè)2部上行自動(dòng)扶梯、2部樓梯，中部設(shè)有1部樓梯。根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》要求，火災(zāi)時(shí)運(yùn)行方向與人員疏散方向一致的扶梯可以兼做疏散用，且同一組扶梯和樓梯坡度相同，模擬時(shí)將扶梯簡(jiǎn)化為樓梯；車站公共區(qū)共劃分為2個(gè)防火分區(qū)，其中站廳層和站臺(tái)層各為1個(gè)防火分區(qū)，每個(gè)防火分區(qū)劃分為2個(gè)防煙分區(qū)，站廳層至地面有4個(gè)出入口通道；站臺(tái)層公共區(qū)的樓、扶梯口周圍設(shè)有擋煙垂簾，垂簾高度為0.5 m。

2 模型設(shè)置

2.1 火源設(shè)置

根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》要求，車站公共區(qū)小型火災(zāi)火源功率為1.0～2.5 MW，如行李或小型商鋪的火災(zāi)，模擬場(chǎng)景考慮燃燒物主要為乘客行李，由木材、尼龍、泡沫塑料等組成，考慮有乘客攜帶較多或較大行李的情況，火源功率取2.5 MW；站臺(tái)火災(zāi)較站廳火災(zāi)危險(xiǎn)性更大、人員逃生更困難，火源位置分別取距站臺(tái)左側(cè)端部15 m處和中部樓梯與右側(cè)樓梯的中點(diǎn)處，如圖1所示，火源范圍為1 m×1 m，反應(yīng)為聚氨酯燃燒反應(yīng)[10]。

圖1 模型示意

2.2 網(wǎng)格設(shè)置

網(wǎng)格是FDS的最小計(jì)算單位，網(wǎng)格的大小決定了模擬的精度和時(shí)間，網(wǎng)格劃分按照FDS用戶指導(dǎo)手冊(cè)中的計(jì)算方法得到火災(zāi)特征直徑，再根據(jù)火災(zāi)特征直徑選定網(wǎng)格大小，計(jì)算得到火源特征直徑為1.38 m。研究表明，火災(zāi)特征直徑與網(wǎng)格尺寸的比值建議在4～16。參考WENG M C等[11]對(duì)網(wǎng)格精度驗(yàn)證計(jì)算的結(jié)果，采用多網(wǎng)格劃分方法，火源周圍網(wǎng)格尺寸取0.2 m×0.2 m×0.2 m，其余部分網(wǎng)格尺寸取0.5 m×0.5 m×0.5 m。

式中，D*為火災(zāi)特征直徑，m；Q為火源熱釋放速率，kW；CP為環(huán)境空氣比熱容，1.014 kJ/(kg·K)；ρ∞為環(huán)境空氣密度，1.2 kg/m3；T為環(huán)境溫度，293 K；g為重力加速度，9.8 m/s2。

2.3 其他條件設(shè)置

根據(jù)《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[12]要求，建筑空間凈高≤6 m的場(chǎng)所，其排煙量應(yīng)按不小于60 m3/(h·m2)設(shè)置，因此車站總排煙量取4 800 m3/min，站臺(tái)層和站廳層頂部分布兩排排煙口，每個(gè)排煙口相距6 m，排煙口面積設(shè)為1 m×1 m。根據(jù)《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]要求，自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的噴頭啟動(dòng)溫度為74 ℃，噴頭之間按邊長(zhǎng)為3 m的正方形布置。

2.4 模擬工況設(shè)計(jì)

模擬火災(zāi)發(fā)生時(shí)，隧道軌頂排煙關(guān)閉，開(kāi)啟站廳層排煙，出入口和樓梯口設(shè)置自然通風(fēng)，考慮在不同火災(zāi)位置下，噴淋系統(tǒng)有效和失效、站臺(tái)排煙系統(tǒng)開(kāi)啟和關(guān)閉8種不同組合的工況，具體設(shè)計(jì)如表1所示，模擬時(shí)間為6 min。

表1 工況設(shè)置

3 模擬結(jié)果分析

3.1 溫度場(chǎng)分析

不同工況下測(cè)得的溫度和距離的關(guān)系如圖2、圖3所示。由圖可知，隨著與火源距離的增加，溫度降低，在近火源側(cè)溫度下降迅速，遠(yuǎn)火源側(cè)溫度下降緩慢。噴淋系統(tǒng)對(duì)頂棚處的降溫效果最好，可降低近100 ℃，樓梯口4.7 m高處溫度明顯低于周圍，這是由于樓梯口處存在向下氣流，且不易聚集煙氣，導(dǎo)致溫度較周圍的低。頂棚處的溫度總是高于2 m高度處的，原因是火災(zāi)發(fā)生時(shí)，向上的火羽流受到頂棚阻擋后會(huì)向水平方向流動(dòng)，同時(shí)向四周擴(kuò)散?；鹪丛谖恢?時(shí)，站臺(tái)層最高溫度為180 ℃；火源在位置2時(shí)，站臺(tái)層最高溫度接近350 ℃。

圖2 火源在位置1時(shí)站臺(tái)層溫度分布

圖3 火源在位置2時(shí)站臺(tái)層溫度分布

3.2 CO濃度分析

不同工況下測(cè)得CO體積分?jǐn)?shù)與火源距離的關(guān)系如圖4、圖5所示。由圖可知，樓梯口處CO體積分?jǐn)?shù)波動(dòng)比較明顯，普遍較周圍的低，原因是在樓梯口位置有站廳層補(bǔ)風(fēng)，且煙氣易擴(kuò)散至站廳層難以聚集，從而導(dǎo)致CO體積分?jǐn)?shù)比非樓梯口處的低?；鹪丛谥胁繒r(shí)產(chǎn)生的CO體積分?jǐn)?shù)最高接近0.15%，在端部時(shí)產(chǎn)生的CO體積分?jǐn)?shù)最高接近0.09%。在排煙系統(tǒng)開(kāi)啟時(shí)CO濃度較低，這是因?yàn)榕艧熛到y(tǒng)在排出煙氣的同時(shí)帶走了CO，對(duì)減少CO濃度起到主要作用，而噴淋系統(tǒng)對(duì)改善CO濃度效果不明顯。

圖4 火源在位置1時(shí)站臺(tái)層CO體積分?jǐn)?shù)分布

圖5 火源在位置2時(shí)站臺(tái)層CO體積分?jǐn)?shù)分布

3.3 熱輻射通量分析

火災(zāi)產(chǎn)生的強(qiáng)烈熱輻射會(huì)對(duì)周圍人員和設(shè)備造成損害，研究不同情況下的熱輻射通量變化，可為減少災(zāi)害造成的損壞提供參考。熱輻射對(duì)人員和設(shè)備造成傷害的準(zhǔn)則如表2所示[14]。

表2 熱輻射傷害準(zhǔn)則

不同工況下，火源正上方高處熱通量差異較大，熱通量與火源距離關(guān)系如圖6、圖7所示。由圖可知，火源在位置1時(shí)，工況4熱通量最高；火源在位置2時(shí)，工況8熱通量最高，工況5熱通量最低。熱通量相差較大的原因是受不同位置周圍的影響，煙氣的運(yùn)動(dòng)和聚積方式不同而形成差異。

3.4 能見(jiàn)度分析

各工況火源所在縱剖面能見(jiàn)度如圖8、圖9所示。360 s時(shí)在4種工況下，火源周圍的能見(jiàn)度都為0 m。樓梯在一定程度上可以阻礙煙氣的擴(kuò)散，離火源較近的一側(cè)能見(jiàn)度明顯小于另一側(cè)。排煙口開(kāi)啟對(duì)能見(jiàn)度的改善效果較好，噴淋對(duì)能見(jiàn)度的影響不明顯?；鹪丛谖恢?時(shí)煙氣擴(kuò)散范圍比在位置1時(shí)更廣。

圖6 熱輻射通量與火源距離關(guān)系(工況1～4)

圖7 熱輻射通量與火源距離關(guān)系(工況5～8)

圖8 火源在位置1時(shí)站臺(tái)層能見(jiàn)度分布

圖9 火源在位置2時(shí)站臺(tái)層能見(jiàn)度分布

4 結(jié)論

(1)站臺(tái)層不同位置發(fā)生火災(zāi)時(shí)，煙氣分布存在差異，火源位于中部時(shí)，煙氣更易擴(kuò)散，影響范圍更廣。

(2)綜合考慮火災(zāi)危險(xiǎn)性，對(duì)比分析噴淋和排煙系統(tǒng)對(duì)CO濃度、溫度等的影響發(fā)現(xiàn)，在降低危險(xiǎn)性方面，排煙系統(tǒng)的效果好于噴淋系統(tǒng)。

(3)距火源5 m內(nèi)，頂棚的熱通量比2 m高度處的低；但距火源5 m外，頂棚的熱通量比2 m高度處的高。在噴淋和排煙系統(tǒng)的耦合下，最高可將火源正上方熱通量降低約10 kW/m2，將距火源較遠(yuǎn)處熱通量降低0.02～0.04 kW/m2。

(4)不同工況下，火源周圍的能見(jiàn)度都為零或接近零，開(kāi)啟排煙系統(tǒng)能在很大程度上改善整體能見(jiàn)度。