《地铁火灾全尺寸实验研究》围绕地铁工程火灾烟气控制与防排烟技术难点，针对不同换乘规模、换乘形式和建筑结构开展火灾全尺寸实验研究，提出了不同火灾场景下的排烟优化措施和现场人员疏散模式，为地铁火灾应急响应和防排烟设计提供实体实验支撑。《地铁火灾全尺寸实验研究》共分为七章：第1章为绪论，主要介绍国内外地铁工程火灾全尺寸实验研究进展、发展趋势和面临的挑战。第2章介绍地铁防排烟标准、规范和指导性规程。第3章介绍地铁单线车站火灾全尺寸实验，包括单线标准车站、站台与站厅同层车站和含换乘通道车站。第4章介绍同站台高架换乘、同站台地下换乘、十字换乘等两线换乘车站的火灾全尺寸实验。第5章介绍地铁三线换乘车站站厅层和站台层火灾全尺寸实验。第6章介绍地铁大型地下停车场火灾全尺寸实验。第7章介绍地铁区间隧道车辆阻塞及运行条件下的火灾全尺寸实验。

为地铁工程火灾应急响应和防排烟设计提供实体实验支撑。

第1章 绪论
　　1.1 研究背景和意义
　　随着我国地铁工程的迅速发展，据统计，截至2020年底，中国内地共计45个城市开通并运营轨道交通，总运营里程达7969.7km[1]，运营线路规模名列世界前列[2]。同时，地铁客流量逐年递增，以北京和上海地铁线网为例，目前已形成日均客流量超千万的常态化运营。地铁系统作为规模庞大、结构复杂和人员密集的城市地下空间，面临防烟分区设计复杂、疏散路径和出口较少、应急救援难度大的问题，一旦发生火灾事故且未得到有效控制，容易导致严重人员伤亡和财产损失，产生巨大的社会影响[3]。例如，1995年阿塞拜疆首都巴库地铁火灾造成558人死亡、269人受伤[4]；2003年韩国大邱地铁火灾造成192人死亡、147人受伤[5]，主要是站内可燃物燃烧造成的烟气毒害。因此，火灾安全是地铁设计、建设和运营阶段均不容忽视的问题，采用实验手段对火灾通风技术进行验证、优化，采取合理有效的烟气控制措施对保障火灾事故下乘客的生命安全至关重要。
　　我国自1969年建成第一条地铁线路后，尤其是“十五”到“十三五”期间，地铁建设技术和客流承载需求快速发展，全自动驾驶、高速运行列车不断投入使用，长大区间、单面坡和水下越江跨海隧道建设数量持续增加，多线换乘、机场接驳、高铁站接驳和码头接驳等大型综合枢纽车站日益出现，相比于普通单线运行车站和隧道，火灾安全问题更加突出，存在更大的火灾危险和事故潜在后果。
　　在列车方面，目前普遍由6节编组提高至运力更大的8节编组，定员情况下的乘客人数达到2480人[6]；北京地铁燕房线[7]和新机场线[8]相继实现列车全自动运行，其中新机场线列车运行*高速度由常规线路的80km/h提高至160km/h[9]。运力的增加提高了火灾情况下需疏散的乘客人数，且全自动驾驶条件下缺乏司机对疏散人员的引导、指挥等，客观上增大了火灾应急疏散和救援的难度。列车运行速度的提高导致活塞风对火灾烟气扩散、通风气流组织的影响有所增加[10，11]，通风排烟设计和现场火灾排烟的难度增大。地铁隧道方面，地铁系统由城市中心向周边区域的扩张形成了长度为普通区间隧道数倍的长大区间隧道[12]，如北京地铁新机场线草桥站至磁各庄站区间[13]、广州地铁3号线汉溪长隆站至市桥站区间[14]和郑州地铁17号线机场站至新港八路站区间[15]等，火灾工况下长大区间多个通风区段的联动模式仍是设计中面临的难题。受特殊地质条件的影响，部分城市设计并建设了具有连续长大下坡特点的单面坡隧道[16]，如乌鲁木齐地铁1号线[17]、重庆地铁1号线和贵阳地铁1号线等，此类线路起点和终点高差达到数百米，防排烟设计中，列车运行状态下活塞风和火风压共同作用对烟气扩散的影响有待进一步计算验证。水下隧道一般呈V形结构，火灾烟气扩散特性与常规的水平和倾斜隧道差异较大，如何形成有效的气流组织控制烟气扩散不但缺乏标准规范指导，在不同地铁工程的通风设计中也具有较大区别。如青岛地铁１号线跨海隧道采用纵向通风与分段排烟结合的火灾通风模式[18]，南京地铁3号线、10号线越江隧道采用顶部烟道分段排烟方式[19，20]，不同通风模式的烟气控制效果有待进一步比较验证。地铁车站方面，线网密度的不断提高形成了越来越多的三线和四线换乘车站，如北京地铁东直门站、西直门站和广州地铁嘉禾望岗站为三线换乘，深圳地铁车公庙站为四线换乘，在北京地铁规划中已出现了可实现五线换乘的丽泽城市航站楼[21]，此类车站一方面同时具备十字换乘、T形换乘和平行换乘等多种换乘方式，另一方面建筑面积比单线和两线换乘车站大幅提高，如广州地铁三线换乘枢纽天河公园站的总建筑面积将近80000m2，为普通两线换乘车站的2～3倍，由于建筑面积大、结构复杂，其车站面临防火分隔难度大、气流组织模式复杂、防排烟设计影响因素众多，以及多个防烟分区高效协同联动排烟难度大等技术难点，同时火灾情况下的大客流疏散安全也为大型枢纽车站烟气控制带来了严峻的挑战。
　　国内外地铁火灾安全问题的研究大多采用数值模拟和模型实验，其中数值模拟主要关注火灾烟气流动特征、温度场分布、通风模式优化等，提出了地铁单线运行车站和隧道的火灾烟气扩散模式[22-24]、危险性参数变化规律[25，26]、排烟优化运行方式[27-29]和喷淋灭火控烟方法[30]等，随着地铁网络化运营的逐步实现，十字换乘[31，32]、T形换乘[33]等不同换乘形式[34]的火灾排烟数值模拟研究为两线换乘车站的防排烟设计提供了重要支撑。模型实验主要针对标准车站、复杂结构车站火灾过程中的关键参数进行预测，为数值模拟结果和现行防排烟技术进行验证和优化，提出了标准车站火灾烟气流动特性[35]、通风模式[36]、烟气温度预测模型[37，38]、深埋地铁车站及隧道火灾烟气控制技术[39-41]。模型实验与数值模拟的结合实现了二者优势的互补，获取全面的火灾危险性参数的同时能够较大程度地确保精确度，在大空间地铁单线车站火灾通风模式[42]、十字换乘车站火灾通风模式[43]、地铁隧道火灾烟气温度预测[44，45]和通风控制[46-48]等方面取得了较好的验证和优化效果。
　　火灾全尺寸实验能够获取实体车站火灾过程中的烟气流动和危险性参数变化特征，是研究烟气扩散理论和防排烟设计方法的可靠手段之一。随着地铁线网规模的扩大、建筑结构的复杂化、防烟控烟难度的提高，利用火灾全尺寸实验支撑地铁火灾防控技术和保障地铁火灾安全是一个具有重要理论和应用价值的研究方向。
　　1.2 地铁列车火灾全尺寸实验研究进展
　　1.2.1 列车车内火灾
　　地铁列车一般采用6人/m2的设计定员标准[49]，在客流高峰时段甚至能够达到9人/m2的超员拥挤状况[50]，乘客携带的行李以及车厢内饰材料是列车内常见的火灾载荷，也是容易导致车内火灾事故的主要安全隐患[51，52]。为获取地铁列车内部火灾的热释放速率（heat release rate，HRR）及其发展过程，2008年陈阳寿和梅秀娟[53]、2011年梅秀娟[54]开展了地铁列车车厢内可燃物起火燃烧的实体实验，将一节地铁车厢内发生火灾的HRR确定为5MW。2017年，L？nnermark等[55]在搭建的全尺寸地铁列车内开展了典型火灾载荷的燃烧实验，得出了*大HRR能够达到3.5MW的结论，并提出由行李起火到车厢内发生轰燃的4个发展阶段。2013年11月1～5日，中国安全生产科学研究院与北京市地铁运营有限公司联合开展了国内首次地铁整编列车的火灾烟气扩散与控制全尺寸实验[56]，如图1.1所示。实验中改变了车门、连通门和顶部排风扇的开闭模式，火源位置分别在第1、2和3节车厢内，HRR控制在0.17～0.34MW；测量火灾发展过程中的烟气温度、风速等重要参数，发现封闭环境中烟气很容易沉降至人员所在高度，根据实测结果提出了利用侧门开启形成的自然通风进行排烟的模式[57]。2016年，Zheng等[58]开展了利用细水雾控制地铁列车行李火灾全尺寸实验，实验中利用各节车厢安装的烟雾探测器报警触发细水雾灭火系统，结果表明：细水雾对车厢内烟气的降温效果较为明显，但对一氧化碳和二氧化碳浓度的控制效果并不理想，且会导致车厢内能见度降低。
　　(a)实验列车 (b)列车内部火灾烟气扩散情况
　　图1.1 列车车内火灾全尺寸实验[56，57]
　　1.2.2 列车车体燃烧实验
　　列车车体燃烧HRR及烟气产生量是地铁隧道、车站防排烟系统参数设计计算的重要依据。目前各个国家的地铁列车防火设计标准不同，我国地铁车辆防火设计主要参照国外标准，尚未建立完整的地铁车辆防火标准体系[59]，一般采用地铁车厢可燃材料热解实验获取燃烧特性参数[60]，进一步对实体车厢火灾HRR和烟气危险性参数进行估算[61]，而该方法的计算结果能否直接应用到实际工程的列车火灾防排烟设计仍需进一步研究。
　　国外对地铁列车车厢燃烧的全尺寸实验研究开展得较早，1992年由9个欧洲国家发起了EUREKA EU499交通隧道火灾项目[62]，开展了铁路和地铁列车车厢在隧道内的火灾全尺寸实验，其中德国地铁车厢在燃烧5min后*大HRR达到35MW[63]。2011年，加拿大卡尔顿大学的测试结果表明：在37.5m（长）×10m（宽）×5.5m（高）的隧道内，一节19.7m（长）×3.15m（宽）×3.45m（高）的地铁列车车厢燃烧时，在9min之内HRR能够达到峰值52.5MW；同年，瑞典SP技术研究院[63，64]在长度为276m、宽度为5.9～6.8m、高度为6.7～7.3m的隧道内开展了地铁列车车厢全尺寸燃烧实验，发现车厢燃烧至12min时*大HRR能够达到77MW，基于以上火灾全尺寸实验数据，Li等[63，64]提出了地铁列车单节车厢的火灾HRR增长曲线。
　　受“十二五”国家科技支撑计划课题“复杂条件下地铁盾构施工事故预防、承压水和试运营风险控制关键技术研究及装置研发”和国家杰出青年科学基金项目“地铁安全科学与工程”等的支持，2015年1月8日，我国首次开展了地铁车厢全尺寸燃烧实验[65]，如图1.2和图1.3所示[56，66]，采用汽油池火对车厢进行引燃，实验得出点火25～30s时烟气充满整个车厢，从第39s开始到105s，车厢两侧陆续共有7块车窗和侧门玻璃破碎，一直到起火后187s，火焰持续扩展，大量浓烟窜出，开始启动喷水灭火至实验结束。在此过程中，测量了车厢一端的CO浓度、CO2浓度和O2浓度。我国地铁防排烟设计中一般采用的列车火灾HRR为5MW[67-69]，实验表明：通风排烟系统运行参数计算中应考虑更大的设计余量。火灾全尺寸实验获得的车厢燃烧特性参数对于指导地铁防灾设计、火灾事故应急救援和未来的标准制定都具有重要的参考价值。
　　(a)实验列车及大型量热仪 (b)列车内点火油池
　　图1.2 地铁车厢全尺寸燃烧实验现场布置[56，66]
　　(a)列车车厢燃烧情况 (b)燃烧结束后车厢内部场景
　　图1.3 地铁车厢全尺寸燃烧实验场景[56，66]
　　1.3 地铁隧道火灾全尺寸实验研究进展
　　1.3.1 区间隧道火灾
　　地铁区间隧道的火灾排烟和人员疏散面临局部客流密集、空间密闭、疏散通道狭窄和疏散距离长的难点，防排烟设计计算中一般采用不小于2m/s的断面排烟流速[49]。随着近年来隧道结构的多样化和行车间隔的缩短，区间隧道通风排烟系统设计难度增大，急需得到火灾全尺寸实验的验证和优化。2009年，中国安全生产科学研究院联合广州市地下铁道总公司在广州地铁5号线东圃站—三溪站区间率先系统性地开展了地铁隧道火灾全尺寸实验[70]。如图1.4所示，通过采集隧道内多个位置的烟气流速、不同位置纵向和竖向的烟气温度等参数，获得了地铁隧道火灾发展过程中较为全面的烟气扩散规律，随后在北京、广州、深圳、成都、西安、哈尔滨和郑州等30个城市的地铁线路中不断开展不同结构、长度、阻塞形式的区间隧道火灾全尺寸实验研究[71]，积累了大量的现场全尺寸实验数据，为国内地铁区间隧道火灾防烟控烟能力的提升形成了重要技术支撑。2014年，翁庙成等[72，73]在重庆地铁6号线高义口站邻近区间隧道开展了单洞单线与单洞双线结合部位的火灾全尺寸实验，获取了烟气温度、浓度和扩散时间等参数变化特征。
　　图1.4 广州地铁5号线东圃站—三溪站区间火灾全尺寸实验[70]
　　2017年6月至2021年9月，清华大学合肥公共安全研究院针对区间隧道大断面、坡度、曲率、列车阻塞和活塞风等带来的排烟难点，先后在南昌地铁2号线、广州地铁13号线和21号线、北京地铁17号线及乌鲁木齐2号线通过火灾全尺寸实验对不同排烟模式下的烟气扩散特征进行研究，具体时间如表1.1所示，实验情况如图1.5和图1.6所示。火灾全尺寸实验表明大断面单洞双线隧道主要面临纵向排烟流速不足的问题，区间隧道的曲率和坡度形成的气流阻力是影响排烟效果的重要因素，

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 研究背景和意义 1
1.2 地铁列车火灾全尺寸实验研究进展 2
1.2.1 列车车内火灾 2
1.2.2 列车车体燃烧实验 3
1.3 地铁隧道火灾全尺寸实验研究进展 4
1.3.1 区间隧道火灾 4
1.3.2 车站隧道火灾 7
1.3.3 配线隧道火灾 8
1.4 地铁车站火灾全尺寸实验研究进展 9
1.4.1 单线车站火灾 9
1.4.2 换乘车站火灾 10
1.5 地铁停车场火灾全尺寸实验研究进展 12
1.6 本章小结 13
参考文献 13
第2章 国内外地铁防排烟标准 18
2.1 美国地铁防火标准 18
2.1.1 NFPA 92 18
2.1.2 NFPA 130 18
2.2 英国地铁防火标准 21
2.2.1 地下火车站防火措施实施细则 21
2.2.2 铁路和其他轨道运输系统安全实施细则 22
2.3 德国地铁防火标准 24
2.3.1 DIN 5510-1 24
2.3.2 DIN 5510-2 24
2.3.3 DIN 5510-4 25
2.3.4 DIN 5510-5 25
2.4 法国地铁防火标准 25
2.5 欧盟地铁防火标准 27
2.6 日本地铁防火标准 28
2.7 国内地铁防火标准 29
2.7.1 车辆防火 29
2.7.2 车站及附属设施 30
2.7.3 地铁消防安全管理 32
2.8 本章小结 33
参考文献 33
第3章 地铁单线车站火灾全尺寸实验研究 35
3.1 标准车站 35
3.1.1 实验概述 35
3.1.2 实验设计 36
3.1.3 实验结果分析 41
3.2 站台与站厅同层车站 57
3.2.1 火灾场景设计 57
3.2.2 站厅层火灾实验结果与分析 61
3.2.3 联络通道火灾实验结果与分析 66
3.2.4 车站隧道火灾实验结果与分析 72
3.3 含换乘通道车站 75
3.3.1 火灾场景设计 75
3.3.2 站厅层火灾实验结果与分析 78
3.3.3 换乘通道火灾实验结果与分析 83
3.3.4 站台层火灾实验结果与分析 86
3.4 本章小结 92
3.4.1 标准车站火灾全尺寸实验 92
3.4.2 站台与站厅同层车站火灾全尺寸实验 93
3.4.3 含换乘通道车站火灾全尺寸实验 93
参考文献 94
第4章 地铁两线换乘车站火灾全尺寸实验研究 95
4.1 同站台高架换乘车站 95
4.1.1 火灾场景设计 95
4.1.2 站厅火灾实验结果与分析 103
4.1.3 站台火灾实验结果与分析 110
4.1.4 设备区火灾实验结果与分析 115
4.2 同站台地下换乘车站 121
4.2.1 实验概况 121
4.2.2 实验结果与分析 125
4.3 十字换乘车站 133
4.3.1 火灾场景设计 133
4.3.2 站厅层火灾实验结果与分析 139
4.3.3 站台层火灾实验结果与分析 144
4.3.4 车站隧道火灾实验结果与分析 149
4.4 本章小结 151
4.4.1 同站台高架换乘车站火灾全尺寸实验 151
4.4.2 同站台地下换乘车站火灾全尺寸实验 152
4.4.3 十字换乘车站火灾全尺寸实验 153
参考文献 153
第5章 地铁三线换乘车站火灾全尺寸实验研究 155
5.1 实验概况 155
5.2 实验结果与分析 157
5.2.1 站台层火灾实验结果与分析 157
5.2.2 阶梯式站厅层火灾实验结果与分析 159
5.2.3 连接通道危险性分析 161
5.3 本章小结 162
参考文献 162
第6章 地铁大型地下停车场火灾全尺寸实验研究 163
6.1 实验概况 163
6.2 实验结果与分析 164
6.2.1 垂直温度分布 164
6.2.2 纵向和横向温度分布 165
6.2.3 烟气层高度 166
6.2.4 烟气扩散时间 168
6.3 本章小结 170
参考文献 171
第7章 含坡度隧道火灾全尺寸实验研究 172
7.1 隧道概况 172
7.1.1 JK隧道概况 172
7.1.2 SH隧道概况 172
7.2 实验概况 173
7.2.1 实验系统 173
7.2.2 实验工况 175
7.3 实验结果与分析 177
7.3.1 JK隧道车辆阻塞条件下火灾全尺寸实验 177
7.3.2 SH隧道车辆运行条件下火灾全尺寸实验 189
7.3.3 烟气温度纵向分布特性 197
7.4 本章小结 200
7.4.1 JK隧道车辆阻塞条件下火灾全尺寸实验 200
7.4.2 SH隧道车辆运行条件下火灾全尺寸实验 201
参考文献 201