地鐵站廳至站臺樓扶梯口處煙控方案探討

金 鑫，倪天曉，彭錦志，冉啟兵，文 康，張 新

（中聯(lián)科銳消防科技有限公司，湖南長沙 410007）

1 引言

近年來，由于經(jīng)濟的快速發(fā)展，人口大量向城市聚集，導(dǎo)致城市交通運輸壓力大增，為解決城市內(nèi)交通運輸問題，越來越多的城市加入到軌道交通的建設(shè)隊伍中。截至2020年年底，中國內(nèi)地共有45個城市開通城市軌道交通運營線路244條，運營線路總長度7 969.7 km。城市軌道交通以其準時、高效成為人們出行的首選交通工具，但因其人員密集且大部分位于地下，其消防安全一直備受各界關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計，1903年至2004年地鐵火災(zāi)事故中從起火部位分析，列車起火、站廳和站臺起火占59%，從致死直接原因分析，因窒息、燒灼和中毒致死占83%，因此，為進一步提高應(yīng)對地鐵站臺火災(zāi)的應(yīng)急能力，需要加強車站的防排煙設(shè)計，確保所處火災(zāi)區(qū)域的人員有足夠的時間疏散至安全區(qū)域，減少乘客因火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣而受到傷害。

現(xiàn)行規(guī)范GB 51298-2018《地鐵設(shè)計防火標準》針對地鐵車站的消防設(shè)計進行相關(guān)的規(guī)定。與民用建筑疏散設(shè)計有所不同，地鐵地下車站站臺的疏散設(shè)計是以滿足乘客在4 min內(nèi)全部撤離站臺，并在6 min內(nèi)全部疏散至站廳公共區(qū)或其他安全區(qū)域為原則，由此可知，當(dāng)?shù)叵抡九_或軌行區(qū)發(fā)生火災(zāi)，采取一定措施防止煙氣蔓延至站廳公共區(qū)時，站廳公共區(qū)可視為室內(nèi)安全區(qū)域。然而GB 51298-2018規(guī)定允許采用敞開的樓扶梯作為乘客從站臺撤離至站廳的通道。當(dāng)站臺或軌行區(qū)火災(zāi)時，如何防止煙氣不通過敞開的樓扶梯通道蔓延至站廳，保證站廳公共區(qū)域為室內(nèi)安全區(qū)域，成為疏散設(shè)計成立的關(guān)鍵問題。現(xiàn)行GB 51298-2018、《地鐵設(shè)計規(guī)范》《城市軌道交通技術(shù)規(guī)范》以及北京、上海、重慶、浙江、成都等地方標準只規(guī)定通過站臺的排煙量應(yīng)保證站廳到站臺的樓梯或扶梯口處具有不小于1.5 m/s的向下氣流，防止煙氣蔓延至站廳，但均未給出具體計算過程。本文通過對站臺排煙量計算參數(shù)流速和過流斷面面積進行分析，明確站臺排煙量的計算過程以及過流斷面界面，并提出相應(yīng)的技術(shù)措施。同時對在樓扶梯洞口處采用防煙空氣幕防止煙氣從站臺蔓延至站廳區(qū)域的措施進行分析，為地鐵地下車站站臺選擇安全適用、經(jīng)濟合理的防排煙系統(tǒng)實施提供參考依據(jù)。

2 站廳至站臺煙控主要技術(shù)措施

地鐵站臺公共區(qū)域除與站廳公共區(qū)域通過樓扶梯口連通外，與其他區(qū)域均進行分隔，形成一個封閉空間。當(dāng)站臺區(qū)域排煙時，由站廳通向站臺的樓扶梯口進行補風(fēng)，從而在樓扶梯通道內(nèi)形成向下的氣流。此時樓扶梯通道斷面上氣流的向下流速一般是不相等的，中點的流速較大，邊沿流速較低，過流斷面的流量計算公式為：

式（1）中，u為dA上的流速，m/s；dA為單位過流斷面面積，m2。

從計算流量的要求出發(fā)，一般定義斷面平均流速計算流量，即：

式（2）中，Qv為體積流量，m3/s；A為過流斷面面積，m2；v為過流斷面平均風(fēng)速，m/s。由公式（2）可知，流量與流速、過流斷面面積成正比，流速與過流斷面面積成反比，為保證站廳到站臺的樓梯或扶梯口處具有不小于1.5 m/s的向下氣流，可以通過減小過流斷面面積或增加排煙量或同時減小過流斷面面積和增加排煙量來實現(xiàn)。

2.1 減小過流斷面面積

當(dāng)樓扶梯兩側(cè)不封閉時，向下氣流通過樓扶梯通道處的過流斷面分別為站廳樓板洞口面積A1和樓扶梯正面與兩側(cè)面積A2。樓扶梯兩側(cè)不封閉過流斷面面積示意如圖3所示。

當(dāng)樓扶梯兩側(cè)封閉時，向下氣流通過樓扶梯通道處的過流斷面分別為站廳樓板洞口面積A1、樓扶梯梯段截面面積A3和站臺樓扶梯入口段截面面積A4。樓扶梯兩側(cè)封閉過流斷面面積示意如圖4所示。

以某地鐵車站的站廳公共區(qū)至站臺的樓扶梯形式為例，計算氣流各過流斷面總面積如表1所示。

由表1可知，計算過流斷面總面積時，站廳樓板洞口面積最大，當(dāng)樓扶梯側(cè)面封閉時，站臺樓扶梯入口段截面面積最小，因此，為減少站臺排煙量，減小樓梯口敞開面積是有效途徑，將兩側(cè)三角區(qū)域封閉，僅留乘客通行面，不僅可有效減小站臺排煙量，還能起到封閉樓扶梯的作用，形成半封閉樓梯。

表1 氣流各過流斷面面積 m2

根據(jù)有關(guān)試驗證明，煙氣沿樓梯、豎向管井的垂直擴散速度為3～4 m/s，隧道內(nèi)零坡度的合理縱向誘導(dǎo)風(fēng)速在0～1.58 m/s之間，因此認為GB 51298-2018所提出的站廳到站臺的樓梯或扶梯口處具有不小于1.5 m/s的向下氣流指的是站臺樓扶梯入口段的氣流，過流斷面面積按站臺樓扶梯入口段截面面積來取值。

2.2 增加站臺區(qū)域的排煙量

2.2.1 站臺區(qū)域排煙量的計算

從GB 51298-2018要求保證站廳到站臺的樓梯或扶梯口處具有不小于1.5 m/s的向下氣流的目的來看，主要是為防止站臺或軌行區(qū)發(fā)生火災(zāi)時產(chǎn)生的煙氣蔓延至站廳公共區(qū)，從而減少火災(zāi)影響范圍，并且延長人員到達安全區(qū)域的可用疏散時間。根據(jù)GB 51298-2018第8.2.4條規(guī)定，排煙風(fēng)機的風(fēng)量應(yīng)按排煙指標、軌行區(qū)列車火災(zāi)規(guī)模及保證站廳到站臺的樓梯或扶梯口處具有不小于1.5 m/s的向下氣流計算所得排煙量取最大值，具體計算結(jié)果如下：

（1）根據(jù)GB 51298-2018規(guī)定的公共區(qū)不小于60 m3/（m2· h）的排煙指標，計算常規(guī)6 節(jié)編組列車站臺排煙量為20～30 m3/ s；

排比句式的使用也是本文的一個寫作特點。排比是一種修辭手法，利用意義相關(guān)或相近，結(jié)構(gòu)相同或相似和語氣相同的詞組或句子成串并排，達到一種加強語勢的效果。用排比來說理，條理分明；用排比來抒情，節(jié)奏和諧，感情洋溢；用排比來敘事寫景，層次清楚、描寫細膩、形象生動。排比的行文朗朗上口，有極強的說服力，能增強文章的表達效果和氣勢。本文作者用排比寫人，將人物刻畫得栩栩如生，同時也增強描寫的氣勢。如文中第2段：He believed himself to be one of,one of,one of,重復(fù)使用,強化讀者的認識：這確實是一位超級自負的人物，集莎士比亞，貝多芬和柏拉圖所有優(yōu)質(zhì)特點于一身的人物。

（2）車站軌行區(qū)列車火災(zāi)，其火災(zāi)規(guī)模為7.5～10.5 MW。我國目前尚無此情況的排煙計算方式，參照2007 年日本針對韓國大邱火災(zāi)編制的《地鐵火災(zāi)對策標準與解說》中的計算方法，列車發(fā)生常規(guī)火災(zāi)時，若疏散時間控制在 7 min以內(nèi)，則排煙量可以按以下公式計算：

式（3）中，CS為空間內(nèi)允許的煙氣濃度，1/m；Ve為火源區(qū)段排煙設(shè)備的排煙量，m3/min；V為火源區(qū)段的有效容積，m3；t為疏散結(jié)束的時間，min；A0為垂直線路方向的有效面積（扣除柱子、樓梯或扶梯等），m2；AV為列車橫斷面積，m2。經(jīng)計算得到常規(guī)6節(jié)編組車站列車火災(zāi)的排煙量不小于35 m3/s。

（3）由上述地鐵車站案例可知，取過流斷面總面積為45.2 m2，由公式（2）計算可得排煙量不小于67.8 m3/s。

由上述計算結(jié)果可知，保證站廳到站臺的樓梯或扶梯口處具有不小于1.5 m/s的向下氣流所需排煙量遠大于按排煙指標和列車火災(zāi)規(guī)模計算所得排煙量。

2.2.2 增加站臺排煙量的具體措施

增加站臺排煙量可通過提高排煙系統(tǒng)的排風(fēng)量實現(xiàn)，該措施需要增大風(fēng)管管徑和排煙口風(fēng)速，在實際工程設(shè)計中幾乎不采用。由于地鐵地下站臺內(nèi)設(shè)置排熱風(fēng)機，以及車站軌行區(qū)設(shè)置排煙風(fēng)機，因此站臺排煙系統(tǒng)可采用排煙風(fēng)機+輔助排煙的方式，輔助排煙可通過排熱風(fēng)機及軌行區(qū)的排煙風(fēng)機實現(xiàn)。

（1）站臺排煙風(fēng)機的設(shè)計排煙量按排煙指標計算所得，并考慮1.2倍的漏風(fēng)及損耗系數(shù)。

（2）設(shè)置在站臺兩端的排熱風(fēng)機按照排煙風(fēng)機的要求進行設(shè)置，排熱風(fēng)機的排風(fēng)量一般不小于40 m3/s，且應(yīng)根據(jù)過流斷面面積計算結(jié)果進行復(fù)核，站臺火災(zāi)時，聯(lián)動啟動排熱風(fēng)機。

（3）車站軌行區(qū)排煙風(fēng)機的排煙量應(yīng)滿足按列車火災(zāi)規(guī)模計算所得排煙量。當(dāng)站臺發(fā)生火災(zāi)時，確認無地鐵列車在車站軌行區(qū)停留時，可聯(lián)動開啟站臺兩端屏蔽門，同時聯(lián)動啟動軌行區(qū)的排煙風(fēng)機。

3 其他技術(shù)措施

防止煙氣蔓延至站廳區(qū)域的技術(shù)措施除在站臺排煙時使樓扶梯洞口形成不小于1.5 m/s的向下氣流外，還可采用防火分隔的方式。由于采用防火墻、防火門或防火卷簾等建筑構(gòu)件又會影響建筑效果以及人員疏散，因此人們在積極研究探索其他替代的分隔方式，如采用在樓梯口設(shè)置防煙空氣幕。

3.1 防煙空氣幕工作原理

防煙空氣幕是由風(fēng)幕機噴射出一定射流角度及速度的幕狀氣流，阻隔高溫?zé)煔獾穆?，以阻止煙氣進入樓扶梯通道內(nèi)，保證站廳區(qū)域的安全性，且不影響人員的自由出入。由于防煙空氣幕的上下區(qū)域存在著一定的壓力差，因此，防煙空氣幕能夠阻止橫貫射流面兩側(cè)氣體的流動，從而有效地減少火災(zāi)煙氣與防煙空氣幕上側(cè)的新鮮空氣交換。相關(guān)研究人員通過進行全尺寸實驗、地鐵火災(zāi)模擬實驗和數(shù)值模擬模型對地鐵車站敞開樓梯采用空氣幕防煙的技術(shù)進行研究，結(jié)果表明空氣幕能夠防止煙氣從站臺公共區(qū)蔓延至站廳公共區(qū)，并給出空氣幕的設(shè)計風(fēng)速為5～7 m/s、最佳的傾角為15°～30°。

設(shè)置防煙空氣幕時，樓扶梯兩側(cè)需要封堵，且需要開啟站臺公共區(qū)域的排煙系統(tǒng)，站臺區(qū)域的煙氣才能得到很好的控制，不會向站廳區(qū)域蔓延。

3.2 防煙空氣幕優(yōu)缺點分析

采用防煙空氣幕的方式防止站臺或軌行區(qū)產(chǎn)生的煙氣蔓延至站廳公共區(qū)，其作用等效于防火分隔，是直接有效的防煙方式，因為防煙空氣幕的柔性阻隔作用，有利于人員疏散和消防救援。同時，使用防煙空氣幕存在一定的不利影響，首先防煙空氣幕系統(tǒng)阻斷站廳至站臺的自然補風(fēng)通路，因此必須在站臺層設(shè)置機械補風(fēng)系統(tǒng)，補風(fēng)量不應(yīng)小于排煙量的50%；其次防煙空氣幕需在每個樓扶梯洞口處增設(shè)風(fēng)機設(shè)備，會增加系統(tǒng)的初投資；最后防煙空氣幕與排煙系統(tǒng)一樣，平常不會開啟使用，使用頻率低。因此在實際工程中運用的較少。

4 結(jié)論及建議

站臺排煙系統(tǒng)采用排煙風(fēng)機+輔助排煙的方式，通過理論計算能夠保證站廳到站臺的樓梯或扶梯口處具有不小于1.5 m/s的向下氣流，通過對計算參數(shù)的分析，得出以下結(jié)論：

（1）GB 51298-2018所提出的站廳到站臺的樓梯或扶梯口處具有不小于1.5 m/s的向下氣流指的是站臺樓扶梯入口段的氣流，為斷面的平均流速；

（2）站臺排煙量是基于站臺區(qū)域除樓扶梯洞口外再沒有其他門窗洞口情況下計算所得，因此站臺與設(shè)備區(qū)和軌行區(qū)需進行完全分隔，為減少樓扶梯通道過流斷面面積，樓扶梯兩側(cè)應(yīng)封閉，過流斷面可按照站臺樓扶梯入口段截面面積計算；

（3）采用防煙空氣幕時，站臺區(qū)域應(yīng)設(shè)置機械補風(fēng)系統(tǒng)，補風(fēng)量不應(yīng)小于排煙量的50%，并同時開啟站臺排煙系統(tǒng)，以保證防煙效果。

5 結(jié)語

在實際工程案例中，地鐵站廳至站臺樓梯或扶梯口無論采用排煙控制方式，還是采用防煙空氣幕分隔方式，均是為防止站臺或軌行區(qū)發(fā)生火災(zāi)后，產(chǎn)生的煙氣通過樓梯或扶梯口蔓延至站廳公共區(qū)，從而減小火災(zāi)影響范圍，縮短人員到達安全區(qū)域的時間。采用排煙控制方式是現(xiàn)階段較常用的方式，由于可利用排熱風(fēng)機設(shè)備進行輔助排煙，不需要額外增加風(fēng)機設(shè)備，且系統(tǒng)相對簡單；采用防煙空氣幕方式，效果較為理想，系統(tǒng)獨立，不受排煙系統(tǒng)影響，但需在每個洞口處增加1套風(fēng)機，站臺同時增加機械補風(fēng)系統(tǒng)，會增加投資。在實際的工程案例中，應(yīng)結(jié)合項目的實際情況，選用合理的防煙系統(tǒng)，為人員的安全疏散保駕護航。