地鐵車站軌頂排熱系統(tǒng)協(xié)同站臺排煙技術(shù)試驗研究

王小飛，車輪飛，蔡崇慶，邱少輝，劉宇圣

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢 430063）

地鐵車站是一個狹長且密閉的地下空間，通常人員密度大，而站臺公共區(qū)相較站廳，空間更為狹小，火災(zāi)時對排煙系統(tǒng)效率要求高。根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》的要求，火災(zāi)時為防止煙氣通過樓扶梯口向站廳蔓延，樓扶梯口處向下氣流速度不應(yīng)小于1.5 m/s[1]。結(jié)合地鐵車站樓扶梯口部面積，要形成向下1.5 m/s風(fēng)速所需的風(fēng)量遠大于站臺層自身排除煙氣所需的通風(fēng)量，因此僅靠站臺排煙系統(tǒng)無法滿足規(guī)范要求，往往需要開啟車站兩端隧道風(fēng)機和排熱風(fēng)機，同時開啟車站端部的屏蔽門，對站臺公共區(qū)進行協(xié)同排煙，以加大通風(fēng)量。

然而火災(zāi)發(fā)生時開啟屏蔽門會帶來諸多安全隱患。首先應(yīng)確認無列車越行才能打開站臺門；其次當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，乘客有可能因為慌張、擁擠或煙氣阻擋視線而意外跌落入軌行區(qū)；再次，根據(jù)地鐵運營部門的反饋，站臺火災(zāi)時，需安排專門的工作人員協(xié)助開啟屏蔽門并維持開門處的秩序，這無形中增加了應(yīng)急協(xié)同的工作量，同時也嚴重威脅到工作人員的生命安全。

新實施的《地鐵設(shè)計防火標準》第8.1.3條及條文解釋進一步明確了需要充分利用屏蔽門的封閉性來提高站臺煙氣排除的效率，減少煙氣受列車活塞效應(yīng)的擾動影響[2]。為滿足新要求，目前某些車站的做法是從站臺兩端的排熱風(fēng)室分別引出站臺專用排煙管道至站臺公共區(qū)內(nèi)，站臺火災(zāi)時通過開啟排熱風(fēng)機經(jīng)此排煙管協(xié)助站臺排煙。但此方案的適用性有待驗證。此外，由于專用排煙管道尺寸較大，對站臺管線排布影響較大。綜上，相關(guān)研究提出一種新型站臺排煙技術(shù)——軌頂排熱系統(tǒng)協(xié)同站臺排煙技術(shù)，既能滿足規(guī)范要求，又能避免屏蔽門開啟所造成安全隱患，同時不占同站臺管線布置空間。本文針對此新技術(shù)，在武漢某地鐵車站進行現(xiàn)場試驗，以驗證該技術(shù)的可行性。

1 試驗對象簡介

1.1 車站概況

本次試驗對象為武漢市某地鐵車站，車站為地下兩層單柱島式換乘車站，總建筑面積38604 m2，站臺寬12 m，凈高4.7 m，采用全高站臺門制式。8A列車編組，站后設(shè)置折返線及停車線(長度約450 m)。車站公共區(qū)有3個出入口，如圖1所示。共設(shè)有5組樓扶梯聯(lián)通站廳與站臺樓扶梯位置，如圖2所示。

圖1 站廳平面示意 Figure 1 Station plan

圖中左端為車站小里程端，右端為大里程端。根據(jù)現(xiàn)場測量，每組樓扶梯口部面積(最小開口處)如表1所示。

根據(jù)以上參數(shù)，為滿足所有樓扶梯口部向下1.5 m/s風(fēng)速，站臺層需要的總排風(fēng)量不小于75.9 m3/s (273240 m3/h)。

1.2 車站通風(fēng)設(shè)備布置情況簡介

本站兩端設(shè)置雙活塞風(fēng)道，每個風(fēng)道配置一臺隧道風(fēng)機，風(fēng)量60 m3/s(216000 m3/h)，共4臺。車站軌行區(qū)設(shè)置軌頂排熱風(fēng)道，風(fēng)道兩端各設(shè)置一臺排熱風(fēng)機，風(fēng)量50 m3/s(180000 m3/h)，共2臺。站臺層排煙系統(tǒng)設(shè)置有2臺排煙風(fēng)機，風(fēng)量76900 m3/h，各負擔(dān)一半的站臺公共區(qū)排煙量。站廳層設(shè)置有2臺組合式空調(diào)器，風(fēng)量分別為51500 m3/h、64500 m3/h。具體參數(shù)如表2所示。

表2 車站通風(fēng)設(shè)備參數(shù)表(站臺排煙相關(guān)設(shè)備)Table 2 Parameters of station ventilation equipment (platform smoke exhaust equipment)

1.3 站臺排煙系統(tǒng)設(shè)置

為綜合比較各種站臺排煙模式的效果，本次試驗在站臺層設(shè)置了多種排煙系統(tǒng)，包含了公共區(qū)排煙系統(tǒng)(大系統(tǒng))、站臺專用排煙管道輔助排煙系統(tǒng)、軌頂排熱系統(tǒng)協(xié)同站臺排煙系統(tǒng)。

公共區(qū)排煙系統(tǒng)(大系統(tǒng))設(shè)置有站臺排煙管，與公共區(qū)回風(fēng)管共用管道，風(fēng)管排煙口集中設(shè)置在站臺中部。為減小試驗對車站的影響，站臺專用排煙管道輔助排煙系統(tǒng)在站臺公共區(qū)端部從軌頂風(fēng)道引出站臺專用排煙管，并通過電動閥與既有的排熱風(fēng)道進行轉(zhuǎn)換。以小里程端右線一側(cè)為例，D-1關(guān)閉，D-2打開時，軌頂風(fēng)道正常使用，站臺專用排煙管關(guān)閉；反之則關(guān)閉軌頂風(fēng)道，排熱風(fēng)機通過專用排煙管道抽排站臺內(nèi)空氣。站臺每端左右線各一組專用排煙管道，共4組。軌頂排熱系統(tǒng)協(xié)同站臺排煙系統(tǒng)在車站軌頂排熱風(fēng)道側(cè)邊設(shè)置常閉電動排煙口，尺寸為2000 mm× 800 mm。以小里程端一側(cè)右線為例，靠近站臺門端部設(shè)置2個排煙口，間距1 m，靠近站臺中部設(shè)置1個排煙口，整個站臺層共12個排煙口，當(dāng)需要依靠此排煙口排煙時，打開軌頂風(fēng)道轉(zhuǎn)換風(fēng)閥D-2，同時關(guān)閉風(fēng)閥D-1(以小里程右線為例)。站臺排煙系統(tǒng)設(shè)置如圖2所示。

圖2 站臺公共區(qū)排煙系統(tǒng)設(shè)置示意圖 Figure 2 Smoke exhaust systems in the public area of the platform

2 試驗方案

2.1 測試工況設(shè)置

本次試驗將站臺排煙方案分為3大類別，分別為大系統(tǒng)排煙風(fēng)機獨立排煙模式、站臺專用排煙風(fēng)管輔助排煙模式、軌頂排熱系統(tǒng)協(xié)同排煙模式。大系統(tǒng)排煙風(fēng)機獨立排煙模式僅開啟站臺公共區(qū)排煙風(fēng)機，通過站臺大系統(tǒng)排煙管道對公共區(qū)進行排煙。

站臺專用排煙風(fēng)管輔助排煙模式是在開啟大系統(tǒng)排煙風(fēng)機的基礎(chǔ)上，通過打開站臺專用排煙風(fēng)管且關(guān)閉軌頂排熱風(fēng)道轉(zhuǎn)換風(fēng)閥，排熱風(fēng)機通過專用排煙管輔助站臺排煙，提升站臺排煙量。

軌頂排熱系統(tǒng)協(xié)同排煙模式則是通過打開軌頂側(cè)部設(shè)置的排煙口(關(guān)閉站臺專用排煙管)，排熱風(fēng)機經(jīng)側(cè)排煙口協(xié)同站臺排煙，同時為減小軌頂風(fēng)道既有的底部排熱風(fēng)口漏風(fēng)影響，開啟車站兩端的隧道風(fēng)機，使軌行區(qū)形成負壓，以削弱排熱風(fēng)口的漏風(fēng)影響，誘導(dǎo)排熱風(fēng)機更多地對軌頂風(fēng)道側(cè)排煙口進行抽排。為分析隧道風(fēng)機開啟方式及軌頂風(fēng)道側(cè)排煙口開啟的不同組合形式對站臺排煙效果的影響，在此模式基礎(chǔ)上，又根據(jù)隧道風(fēng)機開啟臺數(shù)、側(cè)排煙口開啟數(shù)量及位置、站廳補風(fēng)形式的不同組合細分為6種不同的工況。具體工況如表3所示。

表3 試驗測試工況模式Table 3 Test modes

2.2 測試方法及工具

本次試驗測試數(shù)據(jù)采用現(xiàn)場多次測量取平均值方法記錄，使用風(fēng)速測量工具為天建華儀WWFWZY-1型萬向風(fēng)速測量儀。

樓扶梯口部風(fēng)速測量點選取為各組樓扶梯最窄斷面且風(fēng)速最大處，風(fēng)口風(fēng)速測量點選取為風(fēng)口中心點，風(fēng)管風(fēng)速測量點選取為風(fēng)管橫截面中心點。為模擬真實的火災(zāi)煙霧，測試采用了消防演習(xí)專用煙霧彈，每次測試在站臺中部(站臺排煙最不利點)同時釋放2罐煙霧彈。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 試驗結(jié)果

本次測試過程中車站及相鄰區(qū)間無列車運行，樓扶梯口部風(fēng)速測量結(jié)果如表4所示。

表4 車站樓扶梯口部風(fēng)速測量結(jié)果匯總 Figure 4 Summary of anemometer results of the wind speed at escalators opening m/s

3.2 結(jié)果分析

本次試驗結(jié)果以樓扶梯口部風(fēng)速高于1.5 m/s為合格。

從工況1結(jié)果可以直接看出，僅依靠站臺大系統(tǒng)排煙風(fēng)機排煙，無法滿足所有樓扶梯口部向下風(fēng)速的 要求。即便對于標準車站2組樓扶梯+1組垂直電梯及轉(zhuǎn)角樓梯的組合形式，站臺大系統(tǒng)排煙風(fēng)機也很難滿足風(fēng)量要求。

從工況2 結(jié)果可以看出，此方案下所測試樓扶梯口部風(fēng)速除1號樓梯滿足風(fēng)速要求以外，其余4部樓扶梯斷面風(fēng)速均低于1.5 m/s，不滿足要求。

從工況3、工況4測量結(jié)果可以看出，樓扶梯口部風(fēng)速均滿足要求，開啟車站兩端共4臺隧道風(fēng)機輔助軌行區(qū)形成負壓，關(guān)閉站廳公共區(qū)送風(fēng)機，進行自然補風(fēng)時，梯口風(fēng)速略低于機械補風(fēng)的工況，下降率約為15%，可認為在類似本站(出入口較少，風(fēng)阻較大)的車站站臺排煙時，站廳采用機械補風(fēng)對提升站臺排煙效果作用較小，從減少設(shè)備開啟數(shù)量、提高排煙系統(tǒng)可靠性的角度出發(fā)，可采用自然補風(fēng)形式。

從工況4~7的結(jié)果可以看出，隨著車站兩端隧道風(fēng)機開啟數(shù)量逐步減少，站臺樓扶梯口部風(fēng)速也呈下降趨勢，說明隧道風(fēng)機開啟后通過站臺門的縫隙抽排了站臺層的空氣，這些站臺門漏風(fēng)量客觀上有助于站臺樓扶梯口風(fēng)速的提升，隧道風(fēng)機開啟越多，這種額外的抽排風(fēng)量越大。當(dāng)隧道風(fēng)機僅開啟1臺時(活塞風(fēng)道左右線轉(zhuǎn)換風(fēng)閥開啟，隧道風(fēng)機同時作用于左右線)，在軌行區(qū)形成的負壓較小，不足以削弱排熱風(fēng)口的排風(fēng)量，造成軌頂風(fēng)道側(cè)排煙口排煙量偏小，站臺層總排煙量達不到樓扶梯口向下1.5 m/s風(fēng)速所需的風(fēng)量。

從工況6、8、9測量結(jié)果可以看出，在其他條件相同的情況下，通過軌頂風(fēng)道側(cè)排煙口不同開啟形式，樓扶梯口部風(fēng)速均能滿足要求，且風(fēng)速基本一致。但站臺層煙氣排除效果卻存在差異，工況6由于所有側(cè)排煙口均打開，樓扶梯口部風(fēng)速相較另外2個工況稍高一些，同時由于靠近站臺中部的4個軌頂側(cè)排煙口排煙量較為可觀，能夠有效提升站臺中部煙氣的排出效率，約4 min整個站臺煙氣排除完畢。而工況8關(guān)閉中部4個軌頂側(cè)排煙口后，在站臺中部釋放的模擬煙氣僅靠站臺大系統(tǒng)排煙口進行排除，排煙速度緩慢一些，大約在放煙后6 min左右煙氣才基本排除完畢，排煙效率有所降低。工況9相較工況6，煙氣排除效率基本一致，僅樓扶梯口部風(fēng)速略微下降。

4 結(jié)論

根據(jù)本次在地鐵車站進行的站臺排煙測試結(jié)果分析，可以得到如下結(jié)論：

1)軌頂排熱系統(tǒng)協(xié)同站臺排煙技術(shù)可行，車站樓扶梯口部風(fēng)速可滿足向下1.5 m/s風(fēng)速要求。類似于本次試驗的8A編組等大型車站，僅開啟一臺隧道風(fēng)機時，在軌行區(qū)形成的負壓較小，不足以削弱足夠的排熱風(fēng)口排風(fēng)量，造成軌頂風(fēng)道側(cè)排煙口排煙量偏小，最終可能導(dǎo)致樓扶梯口風(fēng)速不達標。而開啟2臺或更多隧道風(fēng)機時，均可滿足樓扶梯口風(fēng)速要求，且開啟的隧道風(fēng)機數(shù)量越多，樓扶梯口部風(fēng)速越大。

2)站廳自然補風(fēng)與機械補風(fēng)兩種模式對站臺樓扶梯口部風(fēng)速影響差異較小。但機械補風(fēng)是由車站新風(fēng)井進入，雖然新、排風(fēng)井間距均超過10 m以上，但室外風(fēng)向變化莫測，存在因風(fēng)向變化導(dǎo)致風(fēng)亭排出的煙氣被吹向新風(fēng)井，進而被機械補風(fēng)系統(tǒng)重新送入車站內(nèi)，嚴重影響車站內(nèi)的人員疏散安全，同時從減少設(shè)備開啟數(shù)量、提高排煙系統(tǒng)可靠性的角度出發(fā)，建議優(yōu)先采用自然補風(fēng)模式。

3)在站臺中部區(qū)域設(shè)置一定數(shù)量的軌頂側(cè)排煙口，可以有效提高站臺中部煙氣的排除，解決站臺最不利排煙區(qū)域煙氣排除效率低的問題。

4)軌頂排熱系統(tǒng)協(xié)同站臺排煙技術(shù)僅需在軌頂風(fēng)道側(cè)邊設(shè)置一定數(shù)量的排煙口，方案適用性較強。對于新建車站而言，在設(shè)計階段直接確定好側(cè)排煙口位置、數(shù)量即可，對于已建成車站，僅需根據(jù)頂風(fēng)道實際情況，經(jīng)結(jié)構(gòu)專業(yè)驗算，對側(cè)排煙口開孔位置和尺寸進行協(xié)調(diào)優(yōu)化，確保開孔面積不小于1.6 m2即能滿足協(xié)同排煙要求，車站其他土建結(jié)構(gòu)無需進行任何改動。

5)采用在站臺公共區(qū)端部設(shè)置專用排煙風(fēng)管(從軌頂風(fēng)道接出)輔助站臺排煙模式能夠在一定程度上提升站臺排煙量，但對于此次所測試的車站，公共區(qū)設(shè)有5部樓扶梯，開孔面積相較普通的標準車站明顯增加，采用此模式仍不足以確保所有樓扶梯口部風(fēng)速均滿足要求。同時，站臺專用排煙管尺寸較大，且只能布置在車站端部靠近站臺門處，嚴重影響了該區(qū)域的管線布置。