随着轨道交通技术的不断发展和城市建设需求的增加，地铁及其配套设施的建设逐渐成为城市轨道交通建设的重点。作为地铁运营管理系统中的重要组成部分，车辆基地的数量也相应增加。建设车辆基地往往需要占据大量城市用地，开发利用地下空间已成为缓解城市用地紧张的重要手段，地铁车辆基地也呈现出转入地下的趋势[1]。由于地下车辆基地位于相对密闭的环境中，车辆基地由地上转入地下，火灾危险性提高，疏散救援和排烟难度增大，《地铁设计防火标准》(GB 51298—2018)对室内最远一点至最近安全出口的疏散距离提出要求：地下停车库、列检库、停车列检库、运用库和联合检修库的室内最远一点至最近安全出口的疏散距离不应大于45 m；当设置自动灭火系统时，不应大于60 m[2]。由于地下车辆基地规模大，若根据规范要求进行运用库防火分区划分且设置满足疏散距离要求的直达地面安全出口，将显著增加工程建设和施工成本，同时对地面环境造成较大的影响。当车辆基地内存在多个防火分区相邻布置时，每个防火分区可利用一个设置在防火墙上且通向相邻防火分区的甲级防火门作为安全出口进行疏散[2]。综合考虑经济成本以及疏散距离要求，李昱[3]依托国内首个地下地铁停车场，参考国外类似工程，结合地方消防部门意见提出在运用库内以30 m的间距设置防火墙与甲级防火门的设计方案。该设计方案得到了深圳笔架山停车场与成都崔家店停车场等后续建成的大型地下车辆基地沿用[4-7]。因此，实际工程中地下车辆基地常在运用库内设置防火墙并在墙上增设防火门作为安全出口，以满足室内最远一点至最近安全出口的疏散距离要求。但设置防火墙在增加建设成本的同时，将原本通透开阔的大空间划分为多个相对独立的小空间，影响车辆基地的使用功能；同时，车辆基地工作人员少，烟气在库内大空间沉降速度慢，对人员的安全疏散影响较小。在车辆基地的人员疏散研究方面，万江超[8]提出环形消防车道，在满足顶板开孔率和安全出口数量及间距的情况下可视为疏散准安全区，防火分隔措施及防排烟系统能够对火灾及烟气蔓延进行有效控制，加强人员疏散安全性。赵承建[9]通过Pathfinder对带上盖开发车辆基地人员疏散安全性进行分析，结果表明在机械排烟系统有效作用的情况下，车辆基地内的人员能在可用安全疏散时间内疏散完毕。方黎[10]对带上盖开发车辆基地人员疏散安全性进行分析，发现即使盖下疏散距离过长，人员依然能够安全疏散。黄先健等[11]研究了带上盖开发车辆基地库区内金属网设置情况以及火灾位置对人员疏散安全性的影响，结果表明库内设置金属网、列检库右侧发生火灾时疏散时间有所增加，但人员均能安全疏散。综上可知，学者们对带上盖车辆基地的人员疏散安全性开展了大量研究，而地下车辆基地运用库内设置防火墙对保障人员疏散安全和防止火灾大范围蔓延的作用尚未可知。鉴于此，本文通过数值模拟的方法，结合机械排烟系统正常作用和失效的情况，研究地下车辆基地运用库内不同防火墙设置情况对人员疏散安全性、烟气蔓延和火灾蔓延的影响，分析防火墙设置的必要性，研究结果可以为地下车辆基地的消防设计提供参考。
1 火灾动力学模型
1.1 模型建立及边界条件设置
依托华东地区某地下车辆基地，运用库内的防火分区和消防车道设置情况如图1(a)所示。单个防火分区面积最大为4 760 m2，单个防火分区内包含3个防烟分区，库内共有18个防烟分区；单个防烟分区面积最大为1 829 m2，最长边60 m，宽30.5 m。运用库四周设置7 m宽的环形消防车道，库区中部设置4 m宽的消防车道。依托工程库区主要由周月检库与列检库组成，如图1(b)和1(c)所示。周月检库工作台边有0.5 m宽的疏散楼梯，列检库工作台边有0.6 m宽的登高台疏散楼梯，运用库内的空间净高为8.6 m。
通过计算流体力学软件FDS(Fire Dynamics Simulator)建立地下车辆基地火灾与烟气蔓延数值模拟模型。模拟模型尺寸与实际工程一致，长300 m，宽129.5 m，高9 m，顶部承重结构梁高1 m，纵梁按11.3 m的间距均匀分布，横梁按3.75 m的间距均匀分布；柱子的边长为0.8 m，纵向按7.5 m的间距均匀分布，横向按11.3 m的间距均匀分布。结合地铁火灾事故的统计结果[12]，火源选定为列检库停放的B型列车顶部空调(距地面3.8 m)。根据《地铁设计防火标准》(GB 51298—2018)，目前国内地铁列车的火源热释放速率取值为7.5～10.5 MW，考虑到依托工程车辆基地主要用于停放、检修地铁列车，无行李物品等可燃物，火源热释放速率取7.5 MW[2]。根据工程实际，库区内板地、梁和柱子等材料选为“Concrete”，地铁列车、排烟道等材料选为“Steel”，模拟区域四周设置为“Open”边界，初始环境温度为293.0 K，环境压强为0.101 3 MPa，模拟时间为900 s，具体几何模型如图2所示。
1.2 工况设置及测点布置
为分析运用库内防火墙设置情况对人员疏散安全性、烟气蔓延和火灾蔓延的影响，结合机械排烟系统作用情况，选择不同防火墙和机械排烟系统设置情况进行研究，研究工况如表1所示。机械排烟系统的排烟量依据《地铁设计防火标准》(GB 51298—2018)进行计算，通过面积指标法得到理论排烟量为31 m3/s[2]，当机械排烟系统失效时，对应排烟量为0。
| 工况 | 防火墙设置情况 | 排烟量/(m³∙s-1) |
|---|---|---|
| 1 | 设置 | 31 |
| 2 | 设置 | 0 |
| 3 | 未设置 | 31 |
| 4 | 未设置 | 0 |
火源产生的烟气是影响库区内人员疏散安全的重要因素，为量化烟气对人员疏散的影响，确定可用安全疏散时间，在行人高度处(距地面2 m)、工作台上人员高度处(距地面5.8 m，其中B型地铁列车高3.8 m)按照1 m间距，以火源为中心对称布置温度、能见度、CO浓度测点共840处。为测量列车表面辐射热通量，在火源相邻列车表面布置8个大小与网格一致的辐射热通量统计面。参考相关研究与规定，选取温度60 ℃，能见度10 m，CO浓度142 mg/m3作为人员疏散的危险临界值，计算得最小清晰高度为2.46 m，将辐射热通量16 kW/m2作为列车被引燃的临界辐射热通量[13-17]。
1.3 网格划分及模型验证
根据FDS用户使用手册[18]，当网格大小取值介于[
式中：
计算可得本文模型适用的网格尺寸区间为0.13～0.54 m，由于火源上方区域热力学参数变化较大，因此在计算机算力允许条件下，对着火防烟分区内火源正上方区域进行网格局部加密，加密区域网格直径选为0.25 m，其他区域网格直径为0.5 m。
文献[19]和[20]对带上盖车辆基地火灾烟气控制开展了试验研究，由于带上盖车辆基地与地下车辆基地在板地下方的结构相似，因而可利用该试验对本文数值模拟模型的准确性进行验证。试验模型相似比为1∶10，长15 m，宽8.4 m，高0.95 m，四周均为敞开状态，试验模型及数值模拟模型如图3所示。
机械排烟系统失效以及消防车道顶部未设自然排烟口时，运用库板地下方、消防车道中心线顶部温度模拟值与试验值如图4所示。模拟值与试验值的数据变化规律相同，最大相对误差只有6%～7%，此外，模拟值能准确反映结构梁处温度的跳跃。模拟值与试验值吻合较好，验证了数值模拟模型的准确性。
2 人员疏散模型
2.1 疏散模型建立
利用Pathfinder建立地下车辆基地人员疏散模拟模型，如图5所示。模型长300 m，宽129.5 m，高9 m，周月检库与列检库内人员分别通过0.5 m宽工作台疏散楼梯与0.6 m宽登高台疏散楼梯移动至地面。基于定员人数，取1.5倍安全系数，列检库内有45人，周月检库内有30人，其中男性占比60%，女性占比40%。结合相关规范与研究，设定男性肩宽0.4 m，女性肩宽0.35 m，考虑到运用库内人员密度较小且人员进出管控严格，疏散人员均熟悉场地，男性疏散速度选取1.2 m/s，女性疏散速度选取1 m/s[21-22]。
2.2 疏散场景设置
运用库内不同防火墙设置情况下的疏散场景如图6所示。运用库内设置防火墙时的疏散场景见图6(a)，根据规范要求在每个防火分区内设置一个直通地面的安全出口，每个防火墙上设置一个通向相邻防火分区的防火门作为安全出口，满足室内最远一点至最近安全出口的疏散距离不大于60 m；同时，周月检库内防火墙相邻列车发生火灾，导致距离火源最近的防火安全门无法用于疏散。运用库内未设置防火墙时的疏散场景如图6(b)所示，考虑整个运用库为一个防火分区，疏散人员通过库区两端安全出口疏散至地面，室内最远一点至最近安全出口的疏散距离大于60 m；同时运用库辅跨相邻列车发生火灾，导致运用库辅跨处的防火安全门无法用于疏散。
3 结果与分析
开展人员疏散安全性研究前，需确定人员可用安全疏散时间。首先通过烟气蔓延分析，确定疏散人员高度处的温度、能见度和CO浓度，以及烟气层高度到达危险临界值的最小时间。结合防火墙防止火灾蔓延至相邻水平防火分区的作用，分析库内防火墙设置对火灾蔓延的影响。
3.1 防火墙设置对烟气蔓延的影响分析
不同防火墙与机械排烟系统设置情况下的人员高度处温度、能见度和CO浓度如图7所示。由图7可知，无论库内是否设置防火墙，当机械排烟系统正常工作时，人员高度处温度、能见度、CO浓度均未达危险临界值；排烟系统失效的情况下，运用库内设置防火墙时，工作人员高度处能见度将在417 s达到危险临界值10 m，运用库内未设置防火墙时，工作人员高度处能见度将在610 s达到危险临界值。建议进行地下车辆基地烟气蔓延分析时以能见度为首要判断标准。库内设置防火墙时，工作台上的工作人员需要在417 s内疏散至安全区域；库内未设置防火墙时，工作台上工作人员需要在610 s内疏散至安全区域。
不同防火墙与机械排烟系统设置情况下的运用库能见度分布情况如图8和图9所示。由图可知，不同条件下能见度小于10 m的区域均被限制在库区上方。当机械排烟系统正常工作时，防火墙的设置情况对库内能见度分布影响较小。机械排烟系统失效时，设置防火墙后运用库被划分为多个防火分区，着火防烟分区内的大量烟气蔓延至垂直于列车轨道的消防车道。由于排烟系统失效时，库内烟气需通过消防车道顶部开孔排出，本文依托工程中库区两侧消防车道宽度不同，顶部开孔距库区距离不一致，因此排烟系统失效后烟气自然蔓延，库区内能见度并未呈现对称分布。
通过烟粒子云图测量不同防火墙与机械排烟系统设置情况下运用库内的烟气层高度，烟气层达到稳定阶段时烟气层高度均大于最小清晰高度2.46 m。
3.2 防火墙设置对人员疏散的影响分析
车辆基地人员安全疏散的判断标准为：可用安全疏散时间大于必需安全疏散时间，即满足式(2)。
式中：
由3.1节中的研究内容可知，设置防火墙时可用安全疏散时间
| 防火墙设置情况 | 疏散行动时间/s | 必需安全疏散时间/s | 可用安全疏散时间/s | 结论 |
|---|---|---|---|---|
| 设置 | 132 | 252 | 417 | 安全 |
| 未设置 | 226 | 346 | 610 | 安全 |
3.3 防火墙设置对火灾蔓延的影响分析
地下车辆基地内列车受热主要来源于着火列车和火灾热烟气的热辐射，当热通量之和大于列车着火的临界热通量时，车辆将被引燃，火灾蔓延的判断条件见式(3)。
式中：
式中：
式中：
依据相关规范中对运用库列车距侧墙距离要求以及轴对称羽流模型计算式，本模型中着火车辆中心到相邻车辆表面距离L为8.2 m，烟气层温度
通过辐射热通量统计面得到本模型列车表面所受辐射热通量随时间的变化情况，如图11所示。随着火灾的发展，列车表面的辐射热通量逐渐增加，取辐射热通量数据稳定后的平均值作为辐射热通量模拟值，得到火源相邻列车所受的辐射热通量模拟值为3.72 kW/m2，其值小于列车着火所需临界热通量。
综合理论分析与数值模拟结果可知，运用库内不设置防火墙时，火灾不会蔓延至火源相邻列车。
4 结论
1) 不同防火墙设置情况下，地下车辆基地内人员高度处的温度、CO浓度均未达到危险临界值，建议进行地下车辆基地烟气蔓延研究时以能见度为首要判断标准。
2) 从烟气蔓延的角度分析，运用库内不设置防火墙时，烟气在库内大空间沉降速度慢，即使排烟系统失效，烟气也不会下降至最小清晰高度，设置防火墙后火灾烟气更易蔓延至垂直于列车轨道的消防车道。
3) 从人员疏散安全性的角度分析，未设置防火墙且排烟系统失效时，人员必需安全疏散时间为346 s，小于最不利点可用安全疏散时间610 s，库内人员能够安全疏散，无需为满足安全疏散距离要求而在防火墙上增设防火门作为安全出口。
4) 从火灾蔓延的角度分析，地下车辆基地运用库内不设置防火墙时，火源相邻列车所受的辐射热通量为3.72 kW/m2，小于列车着火所需临界热通量，火灾不会蔓延至火源相邻列车。
5) 综合考虑防火墙设置对人员疏散安全性、烟气蔓延和火灾蔓延的影响，地下车辆基地运用库内可不设置防火墙。
谢宝超,陈珊娜,王庆亮等.地下车辆基地运用库内防火墙设置必要性研究[J].铁道科学与工程学报,2024,21(11):4653-4662.
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