近年来，随着中国城市轨道交通的运营线路及里程不断增加，地铁客运量持续上升，2018年11个城市的日均客运量超过100万人次，其中北京和上海的日均客运量超过1 000万人次^[1]。单一的传统车站结构已无法满足客流密度大的地铁站，多种形式的换乘站及具有特殊结构的车站逐渐被广泛建设和应用，如广州地铁天河公园站为双岛式同站台换乘车站，北京地铁草桥站为L形三线换乘车站。地铁车站火灾危险性高，烟气蔓延受车站结构影响较大，因此探究不同结构车站的火灾场景对提出针对性的火灾烟气控制方法具有重要意义。

诸多国内外学者通过数值模拟、小尺寸模型实验及全尺寸现场实验对多种结构车站火灾场景开展研究。针对单线运营的车站，Giachetti等^[2]通过1:24小尺寸模型实验主要研究了岛式站台火灾烟气的蔓延规律及烟囱效应的影响条件；Zhong等^[3]利用FDS(fire dynamics simulator)软件模拟在侧式站台中靠近侧墙端部着火，表明开启火源区域排烟模式能减少烟气层扰动，排烟效果更好；何开远^[4]模拟岛侧式站台不同的火灾场景，结果表明侧式站台楼梯口附近着火时危险性较大，岛式站台中部着火时烟气往两侧隧道蔓延，但不影响侧式站台人员疏散；Gao等^[5]利用大涡模拟研究含中庭车站6种火灾场景下的烟气扩散规律，结果表明穹顶结构能抑制烟气的水平蔓延；张帆^[6]通过数值模拟研究中庭式地铁车站火灾情况下的烟气扩散规律，提出了防烟分区划分形式，并对烟气控制模式进行了优化；李淑文[7]在站厅、站台同层的地铁车站开展全尺寸火灾实验，分析影响烟气扩散的因素，确定火灾危险区域。

针对地铁换乘车站，李炎峰等^[8]通过数值模拟对“十”字形换乘车站不同位置的火灾情况进行研究，提出相应的疏散方案；Luo等^[9]通过模型实验和数值计算模拟“十”字形换乘车站地下二层(中间层)的火灾场景，比较了多种通风模式的控制效果，结果表明地下一层送风与地下二层排烟联动更符合人员疏散要求；钟茂华等^[10]利用FDS软件模拟T形车站换乘通道内的火灾，分析不同通风控制模式下的顶棚温度、能见度及CO浓度，结果表明各区域采用全排烟模式最有利于烟气控制；另外，钟茂华等^[11-12]在某同站台高架换乘车站的站厅和站台开展全尺寸火灾实验，建立了顶棚温度分布模型及烟气蔓延时间模型，为此类结构的车站防排烟设计提出建议；张苑^[13]利用数值模拟对地下双岛式站台火灾进行研究，主要构建了单站台楼梯口附近着火及双站台同时着火的场景，分析温度及速度场分布情况，验证站台、隧道及站厅联合控烟模式的有效性。

本文针对含阶梯式站厅的地铁岛式车站，选取站台、阶梯式站厅的典型火灾场景，通过开展全尺寸火灾实验，研究自然通风条件下烟气扩散模式和温度分布特性，对车站各区域的火灾危险性进行分析，研究结果可为该结构地铁车站的防排烟设计提供技术参考。

1 实验概况

全尺寸实验在某含阶梯式站厅的地铁岛式车站中开展，车站结构剖面图如图 1所示。该车站含一个地面站厅，地下一层为阶梯式站厅，地下二层为岛式站台，站台南端设连接通道与阶梯式站厅互通。阶梯式站厅内有3个出口，其中出入口Ⅰ通往连接通道和站台，出入口Ⅱ和出入口Ⅲ通往地面，站台内设3座扶梯(编号1#~3#)直接通往地面站厅。站台有效长度117 m，宽14 m，高5.4 m；阶梯式站厅有效长度62.5 m，高4.8 m，公共区域横截面自北向南逐渐扩大，最大宽度20 m；连接通道长27 m，宽4 m，高3.5 m。实验时站台两侧的4个端门处于开启状态，站台和阶梯式站厅结构平面及测点布置如图 2所示。

站台内的火源1位于2#和3#楼扶梯之间的横向中部位置，火源两侧及连接通道内布置若干相距9 m的测温电缆，电缆悬挂在顶棚下方，各位置竖直方向的最高测点距离顶棚0.1 m，3#楼扶梯口和连接通道内设置风速测点；阶梯式站厅内的火源2位于闸机至出入口Ⅱ之间，纵向T#3~T#9温度测点相距9 m。在站台和阶梯式站厅内各开展两组实验，火源油盘面积为0.84 m(长)×0.59 m(宽)×0.15 m(高)，用甲醇作为燃料，往每个油盆加入的甲醇厚度为2 cm，根据实测结果，1个油盘火源功率约为0.25 MW^[12]，通过燃烧烟饼产生烟气以观察其蔓延情况，实验工况如表 1所示。站台及阶梯式站厅内的火灾实验过程如图 3所示。

2 实验结果分析 2.1 站台火灾 2.1.1 顶棚温度分布特性

采用不同区域的温升梯度对烟气扩散情况进行分析是火灾研究的常用方法^[14]，火源东西两侧4.5 m处的顶棚温升情况如图 4所示。1个油盘火灾时火源两侧4.5 m处均在点火后200 s达到最大温升，火源西侧温度更高，且两侧最大温差基本保持恒定；2个油盘火灾时火源西侧在300 s时较早地达到最大温升，这是由于站台内存在自东向西的自然风压，烟气往西侧扩散作用更强，火源规模较小时烟气热驱动力不足以克服自然风压，因此在西侧聚积导致火源西侧温度偏高，火源规模较大时烟气热驱动力不断增大逐渐克服自然风压导致烟气向东侧蔓延，火源东侧最大温升逐渐与西侧持平。起火后6 min内，2种火灾规模下火源西侧的温度均高于东侧，即站台西侧区域危险性更高，东侧区域可优先考虑作为疏散通道。由于站台西侧火灾风险相对较大，须进一步分析该区域内烟气温度分布特性。取火源西侧4.5 m处纵截面上各点的最大温升进行对比，如图 5所示。在2种火灾规模下，纵截面上温度呈相似的分布特性，火源横截面南侧27 m处与北侧9 m处的最高温升大致相同，北侧温度随距离的衰减速度显著大于南侧，这是由于站台内存在自北向南的自然风压，导致站台南侧的烟气蓄积作用较强。

2.1.2 楼扶梯口烟气层高度

站台发生火灾时，通往地面站厅的楼扶梯是重要的疏散路径，烟气层高度表征烟气沉降情况，是衡量楼扶梯口火灾危险性的重要参数。NFPA-92B^[15]中提到利用垂直方向上的温度值得到烟气层高度，如式(1)所示。

$ T_{\mathrm{n}}=C_{\mathrm{n}}\left(T_{\max }-T_{0}\right)+T_{0}. $

(1)

其中：T_n为烟气与空气分界面的温度，即烟气层最低处的温度，T_max为最大温度，T₀为环境温度，C_n为百分比常数，本文中取0.8。利用式(1)计算出站台内3个楼扶梯口附近测点各时刻烟气层与空气层分界处的温度，结合垂直温度分布特性，确定烟气层高度，如图 6所示。图 6a中1个油盘火灾时2#楼扶梯口附近烟气层高度大致为4.8~5.2 m，3#楼扶梯口附近的烟气层高度大致为4.8~5.15 m，图 6b中2个油盘火灾时扩散至3个楼扶梯口的烟气量更多，温度降低后烟气不断沉降，因此烟气层高度相对更低，但均在4.3 m以上。

对比3个楼扶梯口烟气层高度可分析3处疏散节点的火灾危险性，1#楼扶梯口处于上风向，距离火源较远，1个和2个油盘火灾规模的烟气在360 s未扩散至该位置，1#楼扶梯危险性小，可作为主要疏散通道；2#楼扶梯口距离火源较近，烟气温度高，浮力作用显著，烟气稳定在较高区域内；3#楼扶梯口处于下风向，1个油盘火灾规模时烟气浮力不足以抵抗风压，在与新鲜空气强烈掺混作用下导致烟气层波动较大，2个油盘火灾规模时由于浮力作用较强，烟气分层较稳定，该楼梯口处2种火灾规模下烟气层高度相对较低。

2.1.3 烟气扩散时间

根据各位置的温升时刻可判断烟气扩散时间，由于站台内存在自北向南的自然风压，站台北侧(上风向)烟气扩散受阻，站台南侧(下风向)烟气扩散作用增强，两侧区域内的烟气蔓延速度有所差别。图 7和8分别给出了火源上风向和下风向区域内烟气扩散时间t_k随距火源截面距离x的变化关系，二者均呈较好的线性关系，这与史聪灵等^[16]、钟茂华等^[12]在地铁区间隧道及车站站台内的现场实验结果一致。表 2给出站台内烟气扩散时间经验模型，火源上风向烟气蔓延速度为0.19~0.29 m/s，下风向烟气蔓延速度为0.22~0.34 m/s。

2.2 阶梯式站厅火灾 2.2.1 出入口烟气蔓延特性

站厅上方的装饰材料为栅栏式吊顶，发生火灾时，烟气随火羽流到达栅栏底部后，一部分沿栅栏径向扩散，一部分通过栅栏继续升至顶棚。图 9为出入口Ⅰ附近在两种火源规模下的温升情况，最高温升为4 ℃左右，烟气沿着顶棚蔓延时不断卷吸下部冷空气，导致温度降低且烟气不断沉降，1个和2个油盘火灾规模时，分别在2.2和2.7 m以上空间具有烟气升温，说明火源功率越大，上部烟气层越稳定且不易沉降。出入口Ⅱ离火源位置较近，图 10为出入口Ⅱ附近测点竖直方向上的温升情况，烟气受浮力作用升至3.7 m高度的栅栏后，继续往上部空间浮升的过程中热损失增加，导致顶棚下方烟气温度低于栅栏下方温度，最高温升为25 ℃左右，烟气分层明显，烟气层稳定在3.7~4.7 m高度范围内，但烟气层下方各点受火源热辐射作用具有1~5 ℃升温。出入口Ⅲ附近竖直方向各点温升情况如图 11所示，顶棚最高温升超过10 ℃，由于出入口Ⅲ处在下风向，烟气与新鲜空气发生掺混，烟气最低降至1.2 m处，低于人员特征高度1.5 m^[17]，危险性高，对人员疏散的影响较大。

2.2.2 危险高度处温升

在地铁火灾研究中，危险高度又称最小清晰高度^[11]，是衡量烟气是否影响人员逃生的重要参数，《建筑防排烟技术规程》^[18]规定防排烟设计中的最小清晰高度应按式(2)进行计算。

$ {H_{\rm{q}}} = 1.6 + 0.1{H}. $

(2)

其中：H_q为最小清晰高度，H为建筑结构净高，最小清晰高度为2.08 m。发生火灾后，若烟气处于最小清晰高度之上，对人员疏散比较有利。

图 12为火源西侧纵截面上各点温度垂直分布情况，火源截面南北两侧4.5 m处下层受火源热辐射影响较大，存在显著温升现象，其他较远处位置竖直高度1 m以下未有明显升温。2种火源规模下，火源截面南北两侧22.5 m范围内，在危险高度2.08 m处升温1~5 ℃，即烟气不断沉降后低于危险高度。与南侧区域相比，北侧危险高度处的温升更小，火灾危险性也相对较低，因此北侧区域可考虑作为疏散路径。

2.3 连接通道危险性分析

该车站内贯穿自北向南的自然风，站台起火时，连接通道处于下风向，向该区域的烟气扩散作用加强，阶梯式站厅起火时，连接通道处于上风向，烟气向该区域的扩散受阻。图 13为两处火源位置下连接通道内的温度变化情况，在站台2个油盘火灾规模下，火源位于楼扶梯2#和3#之间，火羽流到达顶棚后转为径向蔓延，向南北两侧扩散的烟气遇到楼扶梯遮挡，往东西两侧扩散的烟气到达屏蔽门边壁后，沿东西两侧边壁往南北两端纵向扩散，遇南端墙壁后继续往连接通道蔓延，该过程中烟气受周围环境影响热损失不断增加，烟气温度逐渐降低，在200 s后最远扩散至通道与站台的联络区域，即使存在纵向自然风压作用也不足以支撑其往通道内部及阶梯式站厅蔓延；站台1个油盘火灾时，烟气热驱动力较小，烟气未扩散至通道内。阶梯式站厅起火时，火源位置虽与阶梯和连接通道处于同一纵截面，烟气扩散过程中受站内建筑设施阻挡作用较小，但与此同时纵向自然风压的阻碍作用较强，火灾烟气被限制在阶梯式站厅北端，无法继续蔓延至连接通道和站台内。

3 结论

本文在某含阶梯式站厅的地铁岛式车站中开展了火灾全尺寸实验，分析了站台及阶梯式站厅不同火灾规模下各区域内的烟气蔓延与沉降情况，可为该结构地铁车站的防排烟设计提供数据支撑。主要结论如下：

1) 岛式站台火灾烟气温度随火源规模的增大而升高。相比于1个油盘火源，2个油盘火源的热驱动力更强，烟气扩散范围更大。

2) 端门开启时，自然通风条件下站台内存在自北向南的纵向风压和自东向西的横向风压。站台火灾发生后，烟气积聚在西南侧，少量低温烟气扩散至连接通道与站台联络区域处，但未进入连接通道中部及阶梯式站厅，下风向的3#楼扶梯处烟气与新鲜空气掺混作用较强，沉降高度较低，上风向的1#楼扶梯火灾危险性较小。

3) 火源上风向与下风向的烟气扩散速率有所差异，站台1~2个油盘火灾规模下，上风向的烟气蔓延速度为0.19~0.29 m/s，下风向的烟气蔓延速度为0.22~0.34 m/s。

4) 阶梯式站厅起火时，受自北向南的自然风压影响，北侧区域危险高度处的温升更小，烟气未扩散至连接通道和站台内；出入口Ⅰ附近温升较小，烟气最低沉降至2.2 m；出入口Ⅱ距离火源较近，受火源热辐射作用较强，温升较高；出入口Ⅲ附近热烟与冷空气掺混，导致烟气最低沉降至1.2 m，对于人员疏散的危险性较大。