火灾模拟：地铁车站列车站台火灾数值模拟分析研究 / 四六文摘

某市拟修建该市的第一条城市轨道交通线路，全长约29.2km，拟全部采用地下线，共设地下车站24个。城市地铁建设对于某市来说是一个全新的课题。有资料统计显示，在地铁运营风险中，地铁火灾事故占到地铁各类事故总数的32％；火灾事故死亡人数占到各类事故死亡人数的67％。因此，如何避免和防范地铁火灾事故是地铁设计、建设、施工和运营的重点。
　　
1. 地铁车站火灾事故的特点
　　
据统计资料显示，火灾事故中的伤害大部分是由火灾中产生的烟气导致人员窒息引起的。而这种伤害在地铁及地下车站火灾表现的更为突出。
地铁火灾与地面或其它地下建筑火灾相比有其特殊性，其主要表现在在有限的空间内，地铁站台和地铁隧道内燃烧产生的烟气和毒害物质的扩散形成的人员伤亡。同时，地铁系统人员密集，排除热量困难，与外界的联系主要为地下通道的出入口，因此比地面建筑火灾具有更大的危险性，一旦发生火灾，损失往往十分严重。
1)地铁车站客流量大，人员集中，一旦发生火灾，极易造成群死群伤事故。
2)地铁系统内因火灾报警及消防设施配置不完善，通风空调系统失效，电源断电多种因素均可能在事故发生时影响扑救，造成事故扩大。
3)地铁系统内，使用到大量的动力电缆、通讯电缆；列车车辆下的系统中有电缆及电气设备，车厢内的车座、顶棚及装饰材料部分为可燃性；乘客在乘坐地铁时携带有可燃物，个别人员还可能携带有危险化学物品。这些物品在燃烧时可能产生毒性气体，加上地下供氧不足，燃烧不完全，烟雾浓，发烟量大；同时地铁的出入口少，大量烟雾只能从一两个洞口向外涌，与地面空气对流速度慢，地下洞口的“吸风”效应使向外扩散的烟雾部分又被洞口卷吸回来，容易发生地铁内人员窒息危险。
4)火灾发生时，烟气的扩散及人员逃生的方向均由下往上，烟气的流动方向与人员疏散方向相同时，极易造成局部空间缺氧或被有毒的烟气弥漫，大量有毒烟雾和能见度下降给疏散和救援工作造成困难。
因此，本文通过对地下车站列车站台火灾的发生、燃烧过程中烟气的扩散作用机制、范围和影响进行研究，以获得相关事故性情况下烟气产生及运作的规律，以对车站结构与通风系统设计的合理性进行评估并指导车站的火灾应急管理工作。
　　
2　火灾数值模拟研究方法
　　
本次火灾数值模拟分析研究将采用大涡场模拟软件FDS version 5.3.0进行数值模拟分析。
FDS原理是火灾的场模拟计算，场模拟是利用计算机求解火灾过程中状态参数的空间及其随时间变化的模拟方式。场是指状态参数如速度、温度、各组分的浓度等空间分布。场模拟的理论依据是自然界普遍成立的质量守恒、动量守恒、能量守恒以及化学反应的定律等。火灾过程中状态参数的变化也遵循着这些规律，因而可以用场模拟方法求解火灾过程。FDS通过大涡模型对连续方程、动量、能量方程以及压力收敛方程进行求解，可得到温度、压力、气体成分、可见度等参数的空间分布。
本次火灾数值模拟分析列车在站台区域发生火灾情况下，在规定的排烟送风模式下，着火层内烟气横向流动和不同站层间的烟气纵向蔓延规律，分析排烟送风设计方案是否可以确保楼梯开口形成临界向下空气流速，阻止烟气向上层站厅蔓延。
　　
3 火灾数值模型的建立
　　
3.1　车站及隧道结构模型

考虑到城市轨道交通1号线车站及区间的典型性，本次火灾数值模拟以二层式地下标准车站作为模拟对象。
车站为地下二层岛式车站。地下一层为站厅层，设4个出入口直通地面：地下二层为站台层，中部为站台层公共区，两端为设备管理用房。站台至站厅布置2组楼、扶梯和1台垂直电梯，每组楼扶梯开口面积约50 m2。楼梯口设置挡烟垂壁。站厅至地面设置4个出入口和1台垂直电梯。站厅层公共区及站台公共区装修后有效净高均为3m，有效站台长度120m，岛式站台宽12m，站台面距轨道顶面高度1.05m。
站台中间设有800x800mm的立柱，车站沿站台边缘设有屏蔽门，屏蔽门总高度为3m，其中玻璃部分高度为2.2m，上部0.8m为钢结构，屏蔽门的总长度为113.1m。
列车按照6辆编组，全长约为118m，宽度为2.8m，高度为3.8m。
地下车站模拟俯视图见图1。
　　

3.2　通风排烟系统模型
车站公共区设有通风排烟系统，站台及站厅排烟风量均分别按60m3／m2·h计算；通风口尺寸600x400mm，风口数量全站台总计约80个，风口间距2.5m。车站两端隧道通风系统，每端配置有相互备用的隧道风机两台，每台流量60m3／s，风道面积20m2；
　　车站隧道通风系统包括轨顶及站台下排风系统，每单侧轨顶排风量24m3／s、站台下排风量16m3／s，排风口布置长度与列车长度相同。
　　
3.3　列车站台火灾工况模型
　　计算时列车火灾模拟按每辆车5MW，一次列车火灾规模按每小时烧毁1.5辆车计算，因此，计算的火灾规模为7.5MW。长度范围约为30m，火灾曲线按10min达到峰值考虑(见图2)。模拟计算列车中部位置处发生火灾，一定范围的屏蔽门破裂，假设为1.5辆车厢长度。
　　起火列车停在车站时，开启区间隧道排烟(60 m3／s)、车站隧道排烟(40 m3／S)，其中轨顶排烟(24m3／s)、站台下排烟(1 6m3／S)。由于人员疏散需要，起火侧屏蔽门打开，同时考虑列车火灾会导致屏蔽门破裂(假定为着火车厢长度)，因此需打开站台排烟风机(24m3／S)，同时关闭站厅排烟，关闭空调送风系统。计算区域网络为368640。采用局部网格加密。
　　
3.4　研究方向
1)研究现有排烟量和运行模式下，车站列车火灾、站台行车火灾时，是否有烟气向站厅蔓延，以便对原排烟方案进行优化。
2)研究排烟设计方案和排烟量是否足够，保证站厅到站台的楼梯和扶梯口处具有≥1.5m／s的向下气流。
3)分析现有排烟量和运行模式下，站台火灾时烟气是否沉降到危险高度。
4)按照《地铁设计规范》第19.1.19条要求，出口楼梯和疏散通道的宽度，应保证在远期高峰小时客流量时发生火灾的情况下，6min内将一列车乘客和站台上候车的乘客及工作人员全部撤离站台。
　　
4　模拟分析结果 　　
1)从列车站台火灾模拟结果来看，区间隧道通风系统起组织气流作用，轨顶排烟对车站隧道烟气起主要排烟作用。
2)列车火灾分析站台危险高度处的烟气特征参数变化，可以看出：6分钟内，烟气基本被轨顶排烟和站台下排烟排出，列车火灾产生的烟气在380s左右开始进入站台区，故火灾情况应确保人员在此之前疏散到安全区域。
3)车站列车火灾和站台火灾发生后，由于通风排烟系统的抽排，楼(扶)梯开口处的流速不小于1.5m／s，可满足《地铁设计规范》的要求。