地鐵站通風排煙系統有效性分析*

潘一平

(湖南省公安消防總隊，湖南長沙 410205)

自1863年1月10日英國倫敦開通第1條地鐵“大都會號”后，經過140多年的時間，世界上已有40多個國家和地區的127座城市建造了地鐵［1］。尤其是近幾十年來，隨著世界經濟的飛速發展和城市化進程的日益加快，地鐵已成為國際化大都市的重要標志，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。但是在地鐵推動城市發展，給人們生活和生產帶來便利的同時，作為其主要災害的火災也頻繁發生，并造成了巨大的社會影響和經濟損失，其中由于煙氣中毒和窒息而死亡的人數占很大比重［2－4］，因此對火災情況下地鐵站通風排煙系統的有效性進行驗證顯得十分必要。

1 地鐵火災的特點及其危害

1.1 地鐵火災的特點

地鐵站具有人員密度大、內部封閉、空氣不易流通等特點，因此做好地鐵的防火工作十分不易，地鐵火災的特點［5］具體表現在:(1)人的心理恐慌程度大，行動混亂程度高;(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 地鐵火災中煙氣的危害

國內外研究數據表明，在火災中人員傷亡的原因主要是煙氣中毒和窒息，地鐵火災也不例外，對于地鐵火災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)的有效熱值的數量。實驗表明，當人體接受的熱輻射通量超過0.25 W/cm2并持續3 min以上時將造成嚴重灼傷;

(2)高溫煙氣的危害:當上部煙氣層的溫度高于180℃時，這時對人體的輻射將造成人員傷害;當煙氣層下降到與人體直接接觸的高度時，對人的危害將是直接燒傷，這種臨界值約為60℃;

(3)CO濃度:CO是煙氣中對人員最具威脅的成分，本文設定CO濃度達到1‰時為危險濃度;

(4)煙氣遮光性:隨著減光度增大，人的行走速度減慢，在刺激性煙氣的環境下，行走速度減慢得更厲害。在本文中設定能見度小于10 m時達到危險時刻。

2 地鐵站通風排煙系統相關規范要求

2.1 通風排煙系統的要求

《地鐵設計規范》［7］GB50157 －2003 第 12.1.4條:地鐵通風與空調系統應具有下列功能:

(1)當列車在正常運行時應保證地鐵內部空氣環境在規定標準范圍內;

(2)當列車阻塞在區間隧道內時應保證阻塞處的有效通風功能:

(3)當列車在區間隧道發生火災事故時應具備防災排煙、通風功能;

(4)當車站內發生火災事故時應具備防災排煙、通風功能。

第12.1.5條:地鐵列車在隧道內高速運行時會產生活塞效應，據資料分析，當系統布置合理時，每列車產生的活塞風風量約為1 500～1 700 m3，這種不費能源的通風方式應首先考慮使用。但活塞效應所產生的換氣量是有限的，而且在地鐵的實際建設中，經常受到周邊環境的影響，導致活塞風道無法修建，或由于風亭出口位置的關系，致使活塞風道長度過大，以至活塞效應失效，故本條規定在單靠活塞效應不足以排除隧道內的余熱時，應設置機械通風系統。

第19.1.36條:防煙、排煙系統與事故通風應具有下列功能:

(1)當區間隧道發生火災時，應能背著乘客疏散方向排煙，迎著乘客疏散方向送新風;

(2)當地下車站的站廳、站臺或設備及管理用房發生火災時應具備防煙、排煙和通風功能;

(3)當列車阻塞在區間隧道時，應能對阻塞區間進行有效通風。

2.2 站臺站廳排煙量要求

《地鐵設計規范》第19.1.39條:地下車站站臺、站廳火災時的排煙量，應根據1個防煙分區的建筑面積按l m3/(m2·min)計算。當排煙設備負擔2個防煙分區時，其設備能力應按同時排除2個防煙分區的煙量配置。當車站站臺發生火災時，應保證站廳到站臺的樓梯和扶梯口處具有不小于1.5 m/s的向下氣流。

2.3 區間隧道排煙量的要求

《地鐵設計規范》第19.1.40條:區間隧道火災的排煙量，按單洞區間隧道斷面的排煙流速不小于2 m/s計算，但排煙流速不得大于11 m/s。

3 地鐵火災煙氣蔓延模擬計算

3.1 某地鐵站的結構介紹

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層為設備層，地下3層為站廳層，地下5層為站臺層。該地鐵站長度為180 m，寬度為25.6 m，深度為31.2 m，具體結構如圖1所示。

圖1 某地鐵站結構示意圖Fig.1 Sketch of a subway station structure

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

圖2 站臺層空間分布情況Fig.2 Platform layer space distribution

圖3 計算模型網格劃分Fig.3 Meshs for calculation model

地鐵車站站臺層與列車隧道之間設屏蔽門，由于該地鐵站為島式車站，故設上下2行屏蔽門，屏蔽門尺寸為2 m×2.2 m(長×高)，每個屏蔽門之間間隔4.55 m，共計58個屏蔽門。對于站臺火災屏蔽門關閉，對于隧道列車火災著火隧道側屏蔽門開啟，而另一側關閉。

3.2 地鐵站通風排煙系統介紹

通過分析各個火災工況的模擬結果，得到各工況下隧道頂部的最高溫度值和隧道內高溫區分布范圍。

3.2.1 地鐵車站公共區通風空調排煙系統

本地鐵車站公共區通風空調排煙系統(簡稱為車站大系統)采用通風空調系統與排煙系統合用方案。根據《地鐵設計規范》第19.1.39條的規定，考慮到各層層高不同，站臺層設4個送風口，各送風口送風風速為6 m/s，總送風量為54 m3/s，排煙口風速3 m/s，總排煙量為60 m3/s。地下4層設備層設6個送風口，各送風口送風風速為6 m/s，總送風量為90 m3/s，排煙口風速3 m/s，總排煙量為90 m3/s。其他4層每層設6個送風口，每個送風口送風量為6 m/s，總送風量為80 m3/s，排煙口風速3 m/s，總排煙量為 80 m3/s。

3.2.2 區間隧道排煙系統

本地鐵區間隧道排煙系統采用TVF(隧道風機)與TEF(排煙風機)合并、雙活塞風井方案，具體來說車站2端各設有互為備用的TVF1和TVF2隧道風機，每1端各設1個TEF排煙風機，根據《地鐵設計規范》第19.1.40條規定，火災發生時，隧道兩端TVF(隧道風機)啟用，煙氣由隧道中間向兩端流動，由于隧道截面積為19.2 m2，故可設每臺風機送風量為40 m3/s，隧道總排煙量為80 m3/s。

3.3 火災場景設計

根據國內外大量火災事故及火災模擬的研究，對于多層地鐵站火災，火源功率一般在10 MW以下［8－10］，本文主要目的為計算并驗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間(6 min)內的安全性，即6 min內人員能夠由站臺層或著火隧道內安全撤離到站廳層(安全層)。國內外對于列車站臺火災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，規模較大，站臺火災采取最大功率為8 MW的超火災荷載火源和最大功率為5 MW的一般火災荷載火源，相應其火源位置分別設站臺中間和站臺左端樓梯入口附近進行模擬。對于隧道列車火災，采用國內外普遍運用的火源功率5 MW。本文火源增長方式一律為t2快速增長火，即滿足Q=αt2，其中火源增長系數α=0.046 89。綜合考慮，共設計了3個火災場景，如表1所示。

表1 數值模擬工況設置Table 1 Fire scenarios of numerical simulation

3.4 計算模型的建立

利用FDS建立數值模擬計算模型，本地鐵站長度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，層數較多，且總體積較大(超過10萬立方米)，為減少網格數量，共設置了11個mesh，網格劃分如圖3所示，建成的站臺層內部結構及隧道內結構如圖4所示。

圖4 計算模型示意圖Fig.4 Sketch of calculation model

4 結果分析

利用美國國家標準技術研究院(NIST)開發的火災動力學模擬軟件FDS對設計的火災場景進行模擬計算，各場景的模擬結果分別如圖5～圖7所示。

4.1 場景一模擬結果及分析

由圖5可以看出，站臺層與站臺層扶梯開口處由于火災原因溫度高于環境溫度，但除站臺層中央火源附近區域外，其他區域溫度均未超過100℃，煙氣層均未降至安全高度以下，CO濃度不超過0.1%，均未達到危險狀態。在站臺層扶梯口處，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。可見，對于8 MW的地鐵站站臺火災，該通風排煙系統能夠有效控制火災煙氣的蔓延，保證人員安全疏散。

圖5 火災場景一模擬結果Fig.5 Simulation results of first fire scenario

4.2 場景二模擬結果及分析

由圖6可以看出，站臺層1號樓梯口處無煙氣流動，溫度仍然保持為環境溫度，且能見度幾乎不受影響。站臺層與站臺層2號扶梯開口處由于離火源較近溫度高于環境溫度，但除2號扶梯開口火源附近區域外，其他區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%，均未達到危險狀態。在站臺層2號扶梯口處，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，對于5 MW的站臺火災，該通風排煙系統能夠有效控制火災煙氣的蔓延，保證人員安全疏散。

圖6 火災場景二模擬結果Fig.6 Simulation results of second fire scenario

圖7 火災場景三模擬結果Fig.7 Simulation results of second fire scenario

4.3 場景三模擬結果及分析

由圖7可以看出，站臺層1號扶梯口處無煙氣流動，溫度仍然保持為環境溫度，且能見度幾乎不受影響。站臺層與站臺層2號扶梯開口處由于離火源較近溫度高于環境溫度，但除2號扶梯開口火源附近區域外，其他區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%，均未達到危險狀態。從而可以得知，該通風排煙系統對于5 MW的地鐵站站臺火災，能夠保證煙氣按設計要求進行蔓延。

5 結語

以當前國內外地鐵火災的研究背景為基礎，通過對某地鐵站火災特點的分析，指出地鐵站通風排煙系統的重要性，利用FDS軟件建立數值模型，并針對3種火源分布情況進行模擬計算，根據計算結果得出站點內煙氣溫度、有毒氣體濃度(以CO為主)、能見度、煙氣流動速度等特征參數的分布情況，結果表明該地鐵站在站臺火災及隧道火災下的各項特征參數均能滿足人員安全疏散的要求，為地鐵通風排煙系統的有效性驗證提供了分析手段和方法。

［1］陳桂香，黃宏偉，尤建新.對地鐵項目全壽命周期風險管理的研究［J］.地下空間與工程學報，2006，2(1):47－51.CHEN Gui-xiang，HUANG Hong-wei，YOU Jian － xin.Study on life cycle risk management of metro［J］.China Journal of Underground Space and Engineering，2006，2(1):47－51.

［2］趙明橋，彭立敏，劉正初，等.地鐵區間隧道火災煙氣分區控制試驗研究［J］.鐵道科學與工程學報，2010，7(4):25－30.ZHAO Ming-qiao，PENG Li-min，LIU Zheng-chu，et al.Experiments study on smoke zoning control in metro tunnel［J］.Journal of Railway Science and Engineering，2010，7(4):25－30.

［3］鐘 委.地鐵站火災煙氣流動特性及控制方法研究［D］.合肥:中國科學技術大學，2007.ZHONG Wei.Study on smoke flow characters and management in subway station fire［D］.Hefei:University of Science and Technology of China，2007.

［4］趙明橋，彭立敏，彭錦志，等.地鐵車站火災煙氣分區控制試驗研究［J］.鐵道科學與工程學報，2011，8(1):91－96.ZHAO Ming-qiao，PENG Li-min，PENG Jin-zhi，et al.Experiments study on smoke zoning control in subway station［J］.Journal of Railway Science and Engineering，2011，8(1):91－96.

［5］紀 杰.地鐵站火災煙氣流動及通風控制模式研究［D］.合肥:中國科學技術大學，2008.JI Jie.Studies on smoke movement and ventilation control mode in subway station fire［D］.Hefei:University of Science and Technology of China，2008.

［6］楊立中，鄒 蘭.地鐵火災研究綜述［J］.工程建設與設計，2005(11):8－12.YANG Li-zhong，ZOU Lan.Review on tunnel and subway fire researches［J］.Construction ＆ Design for Project，2005(11):8－12.

［7］GB 50157—2003，地鐵設計規范［S］.GB 50157—2003，Code for design of metro［S］.

［8］鐘茂華，史聰靈，鄧云峰.地鐵淺埋島式站臺列車火災煙氣蔓延的數值模擬研究［J］.中國安全科學學報，2005，15(11):10 －15.ZHONG Mao-hua，SHI Cong-ling，DENG Yun-feng.Numerical simulation of smoke spread during subway train fire in shallow embedded island platform［J］.China Safety Science Journal，2005，15(11):10 －15.

［9］鐘 委，霍 然，王浩波.地鐵火災場景設計的初步研究［J］.安全與環境學報，2006，6(3):32 －34.ZHONG Wei，HUO Ran，WANG Hao-bo.Preliminary study on fire scenario’s design of subway fires［J］.Journal of Safety and Environment，2006，6(3):32 －34.

［10］張 茜，曹建華，王文倩.典型地鐵火災場景中煙氣蔓延與控制研究［J］.中國安全生產科學技術，2011，7(7):20－25.ZHANG Qian，CAO Jian-hua，WANG Wen-qian.Study on smoke propagation and control of a typical fire scenario in the subway［J］.Journal of Safety Science and Technology，2011，7(7):20 －25.