地鐵站通風(fēng)排煙系統(tǒng)有效性分析*

潘一平

(湖南省公安消防總隊(duì)，湖南長(zhǎng)沙 410205)

自1863年1月10日英國(guó)倫敦開通第1條地鐵“大都會(huì)號(hào)”后，經(jīng)過140多年的時(shí)間，世界上已有40多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的127座城市建造了地鐵［1］。尤其是近幾十年來，隨著世界經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和城市化進(jìn)程的日益加快，地鐵已成為國(guó)際化大都市的重要標(biāo)志，在解決大中型城市交通擁擠問題方面起著不可替代的作用。但是在地鐵推動(dòng)城市發(fā)展，給人們生活和生產(chǎn)帶來便利的同時(shí)，作為其主要災(zāi)害的火災(zāi)也頻繁發(fā)生，并造成了巨大的社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)損失，其中由于煙氣中毒和窒息而死亡的人數(shù)占很大比重［2－4］，因此對(duì)火災(zāi)情況下地鐵站通風(fēng)排煙系統(tǒng)的有效性進(jìn)行驗(yàn)證顯得十分必要。

1 地鐵火災(zāi)的特點(diǎn)及其危害

1.1 地鐵火災(zāi)的特點(diǎn)

地鐵站具有人員密度大、內(nèi)部封閉、空氣不易流通等特點(diǎn)，因此做好地鐵的防火工作十分不易，地鐵火災(zāi)的特點(diǎn)［5］具體表現(xiàn)在:(1)人的心理恐慌程度大，行動(dòng)混亂程度高;(2)濃煙積聚不散;(3)溫度上升快，峰值高;(4)人員疏散難度大;(5)撲救困難。

1.2 地鐵火災(zāi)中煙氣的危害

國(guó)內(nèi)外研究數(shù)據(jù)表明，在火災(zāi)中人員傷亡的原因主要是煙氣中毒和窒息，地鐵火災(zāi)也不例外，對(duì)于地鐵火災(zāi)煙氣的危害主要有以下幾種［6］:

(1)熱輻射:熱輻射通量表示輻射到表面(如人體皮膚)的有效熱值的數(shù)量。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)人體接受的熱輻射通量超過0.25 W/cm2并持續(xù)3 min以上時(shí)將造成嚴(yán)重灼傷;

(2)高溫?zé)煔獾奈：?當(dāng)上部煙氣層的溫度高于180℃時(shí)，這時(shí)對(duì)人體的輻射將造成人員傷害;當(dāng)煙氣層下降到與人體直接接觸的高度時(shí)，對(duì)人的危害將是直接燒傷，這種臨界值約為60℃;

(3)CO濃度:CO是煙氣中對(duì)人員最具威脅的成分，本文設(shè)定CO濃度達(dá)到1‰時(shí)為危險(xiǎn)濃度;

(4)煙氣遮光性:隨著減光度增大，人的行走速度減慢，在刺激性煙氣的環(huán)境下，行走速度減慢得更厲害。在本文中設(shè)定能見度小于10 m時(shí)達(dá)到危險(xiǎn)時(shí)刻。

2 地鐵站通風(fēng)排煙系統(tǒng)相關(guān)規(guī)范要求

2.1 通風(fēng)排煙系統(tǒng)的要求

《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》［7］GB50157 －2003 第 12.1.4條:地鐵通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)具有下列功能:

(1)當(dāng)列車在正常運(yùn)行時(shí)應(yīng)保證地鐵內(nèi)部空氣環(huán)境在規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi);

(2)當(dāng)列車阻塞在區(qū)間隧道內(nèi)時(shí)應(yīng)保證阻塞處的有效通風(fēng)功能:

(3)當(dāng)列車在區(qū)間隧道發(fā)生火災(zāi)事故時(shí)應(yīng)具備防災(zāi)排煙、通風(fēng)功能;

(4)當(dāng)車站內(nèi)發(fā)生火災(zāi)事故時(shí)應(yīng)具備防災(zāi)排煙、通風(fēng)功能。

第12.1.5條:地鐵列車在隧道內(nèi)高速運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生活塞效應(yīng)，據(jù)資料分析，當(dāng)系統(tǒng)布置合理時(shí)，每列車產(chǎn)生的活塞風(fēng)風(fēng)量約為1 500～1 700 m3，這種不費(fèi)能源的通風(fēng)方式應(yīng)首先考慮使用。但活塞效應(yīng)所產(chǎn)生的換氣量是有限的，而且在地鐵的實(shí)際建設(shè)中，經(jīng)常受到周邊環(huán)境的影響，導(dǎo)致活塞風(fēng)道無(wú)法修建，或由于風(fēng)亭出口位置的關(guān)系，致使活塞風(fēng)道長(zhǎng)度過大，以至活塞效應(yīng)失效，故本條規(guī)定在單靠活塞效應(yīng)不足以排除隧道內(nèi)的余熱時(shí)，應(yīng)設(shè)置機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)。

第19.1.36條:防煙、排煙系統(tǒng)與事故通風(fēng)應(yīng)具有下列功能:

(1)當(dāng)區(qū)間隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，應(yīng)能背著乘客疏散方向排煙，迎著乘客疏散方向送新風(fēng);

(2)當(dāng)?shù)叵萝囌镜恼緩d、站臺(tái)或設(shè)備及管理用房發(fā)生火災(zāi)時(shí)應(yīng)具備防煙、排煙和通風(fēng)功能;

(3)當(dāng)列車阻塞在區(qū)間隧道時(shí)，應(yīng)能對(duì)阻塞區(qū)間進(jìn)行有效通風(fēng)。

2.2 站臺(tái)站廳排煙量要求

《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》第19.1.39條:地下車站站臺(tái)、站廳火災(zāi)時(shí)的排煙量，應(yīng)根據(jù)1個(gè)防煙分區(qū)的建筑面積按l m3/(m2·min)計(jì)算。當(dāng)排煙設(shè)備負(fù)擔(dān)2個(gè)防煙分區(qū)時(shí)，其設(shè)備能力應(yīng)按同時(shí)排除2個(gè)防煙分區(qū)的煙量配置。當(dāng)車站站臺(tái)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，應(yīng)保證站廳到站臺(tái)的樓梯和扶梯口處具有不小于1.5 m/s的向下氣流。

2.3 區(qū)間隧道排煙量的要求

《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》第19.1.40條:區(qū)間隧道火災(zāi)的排煙量，按單洞區(qū)間隧道斷面的排煙流速不小于2 m/s計(jì)算，但排煙流速不得大于11 m/s。

3 地鐵火災(zāi)煙氣蔓延模擬計(jì)算

3.1 某地鐵站的結(jié)構(gòu)介紹

某地鐵站為深埋多層島式地鐵站，共5層，地下1層為入口通道，地下2層與地下4層為設(shè)備層，地下3層為站廳層，地下5層為站臺(tái)層。該地鐵站長(zhǎng)度為180 m，寬度為25.6 m，深度為31.2 m，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 某地鐵站結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of a subway station structure

從站臺(tái)層站臺(tái)高度1.6 m至整個(gè)地鐵站的最高點(diǎn)31.2 m，在這5層空間內(nèi)設(shè)有橫向間距9.1 m，縱向間距 6.4 m 的 34 根 1.2 m ×0.8 m(長(zhǎng) ×寬)的柱子，柱子與柱子之間為高度達(dá)0.6 m的梁。另層與層之間設(shè)2座并排3列的自動(dòng)扶梯。3列扶梯寬度共為4.8 m。自動(dòng)扶梯與樓層開口連通部位尺寸為8 m×4.8 m(長(zhǎng)×寬)。其中站臺(tái)空間分布情況如圖2所示。

圖2 站臺(tái)層空間分布情況Fig.2 Platform layer space distribution

圖3 計(jì)算模型網(wǎng)格劃分Fig.3 Meshs for calculation model

地鐵車站站臺(tái)層與列車隧道之間設(shè)屏蔽門，由于該地鐵站為島式車站，故設(shè)上下2行屏蔽門，屏蔽門尺寸為2 m×2.2 m(長(zhǎng)×高)，每個(gè)屏蔽門之間間隔4.55 m，共計(jì)58個(gè)屏蔽門。對(duì)于站臺(tái)火災(zāi)屏蔽門關(guān)閉，對(duì)于隧道列車火災(zāi)著火隧道側(cè)屏蔽門開啟，而另一側(cè)關(guān)閉。

3.2 地鐵站通風(fēng)排煙系統(tǒng)介紹

通過分析各個(gè)火災(zāi)工況的模擬結(jié)果，得到各工況下隧道頂部的最高溫度值和隧道內(nèi)高溫區(qū)分布范圍。

3.2.1 地鐵車站公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)排煙系統(tǒng)

本地鐵車站公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)排煙系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱為車站大系統(tǒng))采用通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)與排煙系統(tǒng)合用方案。根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》第19.1.39條的規(guī)定，考慮到各層層高不同，站臺(tái)層設(shè)4個(gè)送風(fēng)口，各送風(fēng)口送風(fēng)風(fēng)速為6 m/s，總送風(fēng)量為54 m3/s，排煙口風(fēng)速3 m/s，總排煙量為60 m3/s。地下4層設(shè)備層設(shè)6個(gè)送風(fēng)口，各送風(fēng)口送風(fēng)風(fēng)速為6 m/s，總送風(fēng)量為90 m3/s，排煙口風(fēng)速3 m/s，總排煙量為90 m3/s。其他4層每層設(shè)6個(gè)送風(fēng)口，每個(gè)送風(fēng)口送風(fēng)量為6 m/s，總送風(fēng)量為80 m3/s，排煙口風(fēng)速3 m/s，總排煙量為 80 m3/s。

3.2.2 區(qū)間隧道排煙系統(tǒng)

本地鐵區(qū)間隧道排煙系統(tǒng)采用TVF(隧道風(fēng)機(jī))與TEF(排煙風(fēng)機(jī))合并、雙活塞風(fēng)井方案，具體來說車站2端各設(shè)有互為備用的TVF1和TVF2隧道風(fēng)機(jī)，每1端各設(shè)1個(gè)TEF排煙風(fēng)機(jī)，根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》第19.1.40條規(guī)定，火災(zāi)發(fā)生時(shí)，隧道兩端TVF(隧道風(fēng)機(jī))啟用，煙氣由隧道中間向兩端流動(dòng)，由于隧道截面積為19.2 m2，故可設(shè)每臺(tái)風(fēng)機(jī)送風(fēng)量為40 m3/s，隧道總排煙量為80 m3/s。

3.3 火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)計(jì)

根據(jù)國(guó)內(nèi)外大量火災(zāi)事故及火災(zāi)模擬的研究，對(duì)于多層地鐵站火災(zāi)，火源功率一般在10 MW以下［8－10］，本文主要目的為計(jì)算并驗(yàn)證地鐵站的排煙模式，而地鐵站排煙模式的有效性取決于是否能保證人員在安全疏散時(shí)間(6 min)內(nèi)的安全性，即6 min內(nèi)人員能夠由站臺(tái)層或著火隧道內(nèi)安全撤離到站廳層(安全層)。國(guó)內(nèi)外對(duì)于列車站臺(tái)火災(zāi)的火源功率并沒有明確的界定，而本文所建立模型為多層深埋島式地鐵站，規(guī)模較大，站臺(tái)火災(zāi)采取最大功率為8 MW的超火災(zāi)荷載火源和最大功率為5 MW的一般火災(zāi)荷載火源，相應(yīng)其火源位置分別設(shè)站臺(tái)中間和站臺(tái)左端樓梯入口附近進(jìn)行模擬。對(duì)于隧道列車火災(zāi)，采用國(guó)內(nèi)外普遍運(yùn)用的火源功率5 MW。本文火源增長(zhǎng)方式一律為t2快速增長(zhǎng)火，即滿足Q=αt2，其中火源增長(zhǎng)系數(shù)α=0.046 89。綜合考慮，共設(shè)計(jì)了3個(gè)火災(zāi)場(chǎng)景，如表1所示。

表1 數(shù)值模擬工況設(shè)置Table 1 Fire scenarios of numerical simulation

3.4 計(jì)算模型的建立

利用FDS建立數(shù)值模擬計(jì)算模型，本地鐵站長(zhǎng)度180 m，左寬度 25.6 m，右寬度 21.6 m，高度31.2 m，共5層，由于兩端寬度不一，層數(shù)較多，且總體積較大(超過10萬(wàn)立方米)，為減少網(wǎng)格數(shù)量，共設(shè)置了11個(gè)mesh，網(wǎng)格劃分如圖3所示，建成的站臺(tái)層內(nèi)部結(jié)構(gòu)及隧道內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 計(jì)算模型示意圖Fig.4 Sketch of calculation model

4 結(jié)果分析

利用美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)開發(fā)的火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件FDS對(duì)設(shè)計(jì)的火災(zāi)場(chǎng)景進(jìn)行模擬計(jì)算，各場(chǎng)景的模擬結(jié)果分別如圖5～圖7所示。

4.1 場(chǎng)景一模擬結(jié)果及分析

由圖5可以看出，站臺(tái)層與站臺(tái)層扶梯開口處由于火災(zāi)原因溫度高于環(huán)境溫度，但除站臺(tái)層中央火源附近區(qū)域外，其他區(qū)域溫度均未超過100℃，煙氣層均未降至安全高度以下，CO濃度不超過0.1%，均未達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)。在站臺(tái)層扶梯口處，能見度超過10 m，煙氣層高度均保持在2 m以上，煙氣層溫度均保持在50℃以下，CO濃度為零?？梢姡瑢?duì)于8 MW的地鐵站站臺(tái)火災(zāi)，該通風(fēng)排煙系統(tǒng)能夠有效控制火災(zāi)煙氣的蔓延，保證人員安全疏散。

圖5 火災(zāi)場(chǎng)景一模擬結(jié)果Fig.5 Simulation results of first fire scenario

4.2 場(chǎng)景二模擬結(jié)果及分析

由圖6可以看出，站臺(tái)層1號(hào)樓梯口處無(wú)煙氣流動(dòng)，溫度仍然保持為環(huán)境溫度，且能見度幾乎不受影響。站臺(tái)層與站臺(tái)層2號(hào)扶梯開口處由于離火源較近溫度高于環(huán)境溫度，但除2號(hào)扶梯開口火源附近區(qū)域外，其他區(qū)域煙氣層均未降至安全高度以下，溫度也未超過100℃，CO濃度不超過0.1%，均未達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)。在站臺(tái)層2號(hào)扶梯口處，能見度超過10 m，煙氣層高度均保持在2 m以上，煙氣層溫度均保持在30℃以下，CO濃度為零。可見，對(duì)于5 MW的站臺(tái)火災(zāi)，該通風(fēng)排煙系統(tǒng)能夠有效控制火災(zāi)煙氣的蔓延，保證人員安全疏散。

圖6 火災(zāi)場(chǎng)景二模擬結(jié)果Fig.6 Simulation results of second fire scenario

圖7 火災(zāi)場(chǎng)景三模擬結(jié)果Fig.7 Simulation results of second fire scenario

4.3 場(chǎng)景三模擬結(jié)果及分析

由圖7可以看出，站臺(tái)層1號(hào)扶梯口處無(wú)煙氣流動(dòng)，溫度仍然保持為環(huán)境溫度，且能見度幾乎不受影響。站臺(tái)層與站臺(tái)層2號(hào)扶梯開口處由于離火源較近溫度高于環(huán)境溫度，但除2號(hào)扶梯開口火源附近區(qū)域外，其他區(qū)域煙氣層均未降至安全高度以下，溫度也未超過100℃，CO濃度不超過0.1%，均未達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)。從而可以得知，該通風(fēng)排煙系統(tǒng)對(duì)于5 MW的地鐵站站臺(tái)火災(zāi)，能夠保證煙氣按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行蔓延。

5 結(jié)語(yǔ)

以當(dāng)前國(guó)內(nèi)外地鐵火災(zāi)的研究背景為基礎(chǔ)，通過對(duì)某地鐵站火災(zāi)特點(diǎn)的分析，指出地鐵站通風(fēng)排煙系統(tǒng)的重要性，利用FDS軟件建立數(shù)值模型，并針對(duì)3種火源分布情況進(jìn)行模擬計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出站點(diǎn)內(nèi)煙氣溫度、有毒氣體濃度(以CO為主)、能見度、煙氣流動(dòng)速度等特征參數(shù)的分布情況，結(jié)果表明該地鐵站在站臺(tái)火災(zāi)及隧道火災(zāi)下的各項(xiàng)特征參數(shù)均能滿足人員安全疏散的要求，為地鐵通風(fēng)排煙系統(tǒng)的有效性驗(yàn)證提供了分析手段和方法。

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