與鐵路同臺(tái)駁接地鐵站臺(tái)排煙方案探討

陳鵬飛,陳雅莉,肖澤南,陳 靜

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055；2.中國建筑科學(xué)研究院有限公司建筑防火研究所,北京 100013)

近年來，隨著國內(nèi)軌道交通的快速發(fā)展，越來越多的綜合軌道交通樞紐不斷出現(xiàn)，地鐵與鐵路換乘的建筑形式特殊，現(xiàn)有的消防設(shè)計(jì)規(guī)范已不太適應(yīng)此類建筑的功能需求，或?qū)@種特殊的建筑形式無相應(yīng)的說明與解釋。因此針對(duì)這些換乘車站的消防設(shè)計(jì)尤其是防排煙設(shè)計(jì)需要進(jìn)行特定的研究分析[1]。

1 傳統(tǒng)地鐵高架車站排煙方案

傳統(tǒng)地鐵的高架車站，一般與外界空氣相通，并且被頂棚覆蓋的長度一般接近1列車的車長。通常采用自然排煙的方式進(jìn)行排煙，在頂棚或側(cè)面幕墻上部設(shè)置可開啟外窗進(jìn)行排煙。站臺(tái)層發(fā)生火災(zāi)時(shí)，煙氣由于溫度較高產(chǎn)生的浮力上升至頂棚，由頂棚和幕墻上的自然排煙口或站臺(tái)兩側(cè)開口排出至室外，煙氣在站臺(tái)層不會(huì)沉降至人員疏散的危險(xiǎn)高度以下，從而可以保證人員疏散的安全性。

2 綜合交通樞紐中地鐵站臺(tái)形式及排煙方案存在的問題

對(duì)于地鐵與鐵路同臺(tái)駁接的車站，其平面、剖面如圖1～圖3所示。從圖2、圖3可以看出，地鐵站臺(tái)層由于高架候車廳及南北兩側(cè)落客平臺(tái)的覆蓋，使得374 m長的地鐵站臺(tái)，完全被上部空間所覆蓋，而且由于候車廳的設(shè)計(jì)使得上部無法開孔。374 m的長度已經(jīng)突破了《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定“小于300 m”和《地鐵設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定“小于1列車的長度”范圍。同時(shí)與傳統(tǒng)高架側(cè)式站臺(tái)不同，本例站臺(tái)為島式站臺(tái)，兩端還設(shè)有設(shè)備管理用房，是否可以繼續(xù)采用自然排煙沒有相關(guān)依據(jù)，也沒有成功的案例。若采用自然排煙，站臺(tái)層上部無條件開設(shè)自然排煙口，采用何種形式的自然排煙設(shè)計(jì)需要進(jìn)一步分析。如果采用機(jī)械排煙，如何不影響裝修效果以及綜合樞紐站臺(tái)層整體建筑效果，需要進(jìn)一步研究[2]。

圖2 樞紐一層(站臺(tái)層)平面

圖3 樞紐二層(候車廳)平面

3 綜合交通樞紐中地鐵站臺(tái)排煙方案的比選

如圖4所示站臺(tái)在地面的兩層島式車站，站臺(tái)層高度為8 m，站臺(tái)頂板設(shè)有橫縱梁，梁下高度6.2 m。站臺(tái)兩側(cè)南、北方各有地鐵設(shè)備及管理用房，設(shè)備管理用房高度為4.7 m，設(shè)備管理用房屋頂設(shè)有女兒墻，女兒墻高1.5 m，達(dá)到站臺(tái)頂板梁下。圖2綠色區(qū)域?yàn)榈罔F站臺(tái)層。其中站臺(tái)層西側(cè)(圖2上側(cè)為西)為國鐵附屬用房區(qū)，用景觀墻與地鐵站臺(tái)分隔；站臺(tái)層?xùn)|側(cè)為國鐵站臺(tái)區(qū)，用2.5 m高聲屏障與地鐵站臺(tái)分隔；站臺(tái)層頂部為國鐵候車區(qū)及南北落客平臺(tái)，西入口大廳與地鐵軌行區(qū)采用鋼結(jié)構(gòu)和鋼化玻璃與地鐵軌行區(qū)分隔，圖4所示藍(lán)色區(qū)域均聯(lián)通。如圖5所示地鐵站臺(tái)西側(cè)設(shè)有景觀墻，高度達(dá)到站臺(tái)板頂。車站最東側(cè)設(shè)有景觀墻，高度達(dá)到站臺(tái)板頂。由此，地鐵站臺(tái)區(qū)域形成374 m長的封閉車行道。

圖4 地鐵站臺(tái)相對(duì)位置剖面

在此條件下，依據(jù)GB50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》第28.4.2條：連續(xù)長度大于300 m的區(qū)間隧道和全封閉車道需設(shè)置機(jī)械防煙和機(jī)械排煙設(shè)施。第28.4.4條，連續(xù)長度大于60 m，但不大于300 m的區(qū)間隧道和全封閉車道宜采用自然排煙；當(dāng)無條件采用自然排煙時(shí)，應(yīng)設(shè)置機(jī)械排煙。

依據(jù)GB51298-2018《地鐵設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》第8.1.1條，連續(xù)長度大于1列列車長度的地下區(qū)間和全封閉車道，需要設(shè)置排煙設(shè)施。

圖5 地鐵站臺(tái)層相對(duì)位置平面

根據(jù)本站實(shí)際情況，站臺(tái)層頂部由于國鐵候車區(qū)及南北落客平臺(tái)的設(shè)置，不能滿足可開啟有效排煙面積不小于站臺(tái)面積2%，且排煙口的位置距最遠(yuǎn)排煙點(diǎn)的水平距離不超過30 m的自然排煙條件的要求，因此需要設(shè)置機(jī)械排煙。

3.1自然擴(kuò)散排煙方案

根據(jù)本站建筑條件，假設(shè)火源位于地鐵站臺(tái)層軌行區(qū)列車車廂處，設(shè)計(jì)火災(zāi)功率為10 MW。其基本參數(shù)如表1所示。

表1 自然擴(kuò)散模擬基本參數(shù)

標(biāo)定人員安全疏散的指標(biāo)有能見度、溫度、CO濃度，通過以往的案例及模擬計(jì)算結(jié)果。其中能見度指標(biāo)最敏感，當(dāng)距地面上方2 m處能見度低于10 m時(shí)，人員無法安全疏散。因此以地面上方2 m處能見度作為排煙方案是否有效的標(biāo)志。模擬結(jié)果見圖6。

圖6 自然擴(kuò)散方案地面上方2 m高處能見度火災(zāi)模擬結(jié)果

結(jié)果顯示，無自然排煙口情況下，煙氣擴(kuò)散至整個(gè)站臺(tái)區(qū)域，并且在地鐵站臺(tái)和國鐵站臺(tái)外墻處發(fā)生較大沉降，當(dāng)1 200 s時(shí)，地鐵站臺(tái)公共區(qū)部分區(qū)域地面上方2 m處的能見度低于10 m，因此僅僅依靠既有自然擴(kuò)散條件進(jìn)行排煙時(shí)，人員安全疏散將會(huì)受到威脅[3-4]。

3.2 設(shè)置自然排煙口方案

根據(jù)GB51298—2018《地鐵設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》第8.2.2條規(guī)定：采用自然排煙的車站或路塹式車站，外墻上方或頂蓋上可開啟排煙口的有效面積不應(yīng)小于所在場(chǎng)所地面面積的2%，且區(qū)域內(nèi)任一點(diǎn)至最近自然排煙口的水平距離不應(yīng)大于30 m。常閉的自然排煙口(窗)應(yīng)設(shè)置自動(dòng)和手動(dòng)開啟的裝置。第8.3.5規(guī)定：設(shè)置隔聲罩的地上區(qū)間和路塹式地下區(qū)間的自然排煙口應(yīng)設(shè)于區(qū)間外墻上方或頂板上，有效面積不應(yīng)小于該區(qū)間水平投影面積的5%；

通過計(jì)算，所需自然排煙口總面積為144.5 m2。按水平距離不大于30 m原則，最少均勻設(shè)置8個(gè)排煙口，每個(gè)排煙口面積需18 m2。

雖然站臺(tái)兩側(cè)與國鐵附屬用房相鄰區(qū)域的景觀墻可以設(shè)置自然排煙口，但站臺(tái)國鐵候車區(qū)進(jìn)站區(qū)相連的挑空區(qū)域(圖5橙色區(qū)域)長度為177 m，不能設(shè)置自然排煙口，自然排煙方案無法實(shí)現(xiàn)。

3.3 機(jī)械排煙方案

3.3.1 站臺(tái)及軌行區(qū)機(jī)械排煙方案

排煙量計(jì)算方法：根據(jù)火災(zāi)功率計(jì)算排煙量。地鐵列車為B型車，近期采用6節(jié)編組，遠(yuǎn)期采用8節(jié)編組，其中火災(zāi)功率按遠(yuǎn)期編組計(jì)算為10MW，是根據(jù)天津消防研究所實(shí)際列車燃燒試驗(yàn)結(jié)果所取的值[5-6]。具體計(jì)算過程可以參照《建筑防排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》第4.6.11～4.1.13條，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 地鐵軌行區(qū)封閉段機(jī)械排煙量計(jì)算

站臺(tái)兩側(cè)分別設(shè)置排煙機(jī)房，每個(gè)排煙機(jī)房設(shè)置3臺(tái)排煙風(fēng)機(jī)(表3)，分別為左線軌行區(qū)、右線軌行區(qū)、站臺(tái)公共區(qū)機(jī)械排煙考慮(圖7)。排煙口均勻布置，滿足防煙分區(qū)內(nèi)任一點(diǎn)距排煙口距離不大于30 m，煙氣直接通過風(fēng)管排至室外。

圖7 排煙系統(tǒng)原理

表3 排煙風(fēng)機(jī)參數(shù)

運(yùn)行模式：發(fā)生火災(zāi)時(shí)開啟相應(yīng)防煙分區(qū)對(duì)應(yīng)排煙風(fēng)機(jī)進(jìn)行機(jī)械排煙，由隧道洞口及公共區(qū)樓扶梯進(jìn)行自然補(bǔ)風(fēng)，補(bǔ)風(fēng)風(fēng)速約為2 m/s。

3.3.2 機(jī)械排煙場(chǎng)景模擬

場(chǎng)景L1-1為地鐵上行線列車火災(zāi)，場(chǎng)景L1-2為地鐵下行線列車火災(zāi)，煙氣場(chǎng)景參數(shù)見表4，火災(zāi)位置見圖8。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，開啟車站列車軌行區(qū)軌頂排煙系統(tǒng)(排煙量19.7萬m3/h)，同時(shí)開啟站臺(tái)排煙系統(tǒng)(排煙量10.0萬m3/h)，保證人員疏散的安全。

(1)基本參數(shù)

表4 煙氣場(chǎng)景參數(shù)

圖8 場(chǎng)景L1-1、2火災(zāi)位置示意(單位：m)

(2)模擬結(jié)果(圖9，圖10)

圖9 場(chǎng)景L1-1模擬結(jié)果

圖10 場(chǎng)景L1-2模擬結(jié)果

(3)結(jié)果分析

①場(chǎng)景描述

地鐵站臺(tái)發(fā)生10MW列車火災(zāi)，發(fā)生火災(zāi)的全封閉車道部分機(jī)械排煙系統(tǒng)和站臺(tái)機(jī)械排煙系統(tǒng)有效。

②煙氣流動(dòng)情況

火災(zāi)發(fā)生120 s后，地鐵全封閉車道部分機(jī)械排煙系統(tǒng)和站臺(tái)機(jī)械排煙系統(tǒng)啟動(dòng)，大量煙氣被排出，整個(gè)火災(zāi)過程中有部分煙氣蔓延至站臺(tái)區(qū)域，并被站臺(tái)機(jī)械排煙系統(tǒng)排出。

③人員耐受性及疏散安全性分析：

a)至1 200 s，除火源附近外，地面上方2 m處能見度均大于10 m，人員可安全疏散；

b)至1 200 s，除火源附近外，地面上方2 m處溫度均小于60 ℃，人員可安全疏散；

c)至1 200 s，除火源附近外，地面上方2 m處CO濃度均小于500 ppm，人員可安全疏散。

本工況危險(xiǎn)來臨時(shí)間(ASET)大于1 200 s，地鐵站臺(tái)及列車上人員安全疏散所需時(shí)間(RSET)為611 s，ASET>RSET，煙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠滿足人員安全疏散的要求[7]。

(4)小結(jié)

地鐵列車發(fā)生火災(zāi)時(shí)，機(jī)械排煙系統(tǒng)有效時(shí)，可以起到很好的控?zé)熍艧熜Ч?/p>

3.3.3 排煙口布置優(yōu)化

通過分析模擬結(jié)果中煙氣沉降的規(guī)律，在站臺(tái)及軌行區(qū)火災(zāi)的工況中，煙氣沉降最容易發(fā)生在站臺(tái)中心區(qū)約177 m的范圍內(nèi)。在此基礎(chǔ)上排煙口可以集中布置在站臺(tái)中心區(qū)域內(nèi)，排煙場(chǎng)景模擬結(jié)果與全站臺(tái)范圍內(nèi)排煙口均勻布置結(jié)果相近，在人員安全疏散所需時(shí)間內(nèi)，能見度、溫度及CO濃度均滿足人員安全疏散要求，177 m之外的隧道范圍側(cè)面設(shè)置2.4 m高且不到頂景觀墻，不形成封閉車道。此方案減少了風(fēng)管的敷設(shè)，在節(jié)省投資、管線綜合及裝修配合方面都更加有利。

3.3.4 排煙口與裝修效果

站臺(tái)區(qū)排煙管全部安裝在吊頂上方，不影響公共區(qū)裝修造型。裝修效果見圖11。

圖11 排煙風(fēng)管裝修效果

4 結(jié)論

在地鐵與鐵路同臺(tái)換乘的綜合樞紐車站中，應(yīng)將自然排煙的可行性納入初期建筑方案中優(yōu)先考慮。但由于建筑形式的特殊性，地鐵站臺(tái)往往不能滿足地鐵規(guī)范所描述自然排煙的條件，同時(shí)通過FDS進(jìn)行火災(zāi)模擬，煙氣自然蔓延條件下，能見度無法保證人員安全疏散。在采用機(jī)械排煙方式時(shí)，應(yīng)優(yōu)化布置排煙風(fēng)管及風(fēng)口，盡量減少對(duì)整體裝修效果的影響。