與鐵路同臺駁接地鐵站臺排煙方案探討

陳鵬飛,陳雅莉,肖澤南,陳 靜

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055；2.中國建筑科學研究院有限公司建筑防火研究所,北京 100013)

近年來，隨著國內軌道交通的快速發展，越來越多的綜合軌道交通樞紐不斷出現，地鐵與鐵路換乘的建筑形式特殊，現有的消防設計規范已不太適應此類建筑的功能需求，或對這種特殊的建筑形式無相應的說明與解釋。因此針對這些換乘車站的消防設計尤其是防排煙設計需要進行特定的研究分析[1]。

1 傳統地鐵高架車站排煙方案

傳統地鐵的高架車站，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行排煙，在頂棚或側面幕墻上部設置可開啟外窗進行排煙。站臺層發生火災時，煙氣由于溫度較高產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兩側開口排出至室外，煙氣在站臺層不會沉降至人員疏散的危險高度以下，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形式及排煙方案存在的問題

對于地鐵與鐵路同臺駁接的車站，其平面、剖面如圖1～圖3所示。從圖2、圖3可以看出，地鐵站臺層由于高架候車廳及南北兩側落客平臺的覆蓋，使得374 m長的地鐵站臺，完全被上部空間所覆蓋，而且由于候車廳的設計使得上部無法開孔。374 m的長度已經突破了《地鐵設計規范》規定“小于300 m”和《地鐵設計防火標準》規定“小于1列車的長度”范圍。同時與傳統高架側式站臺不同，本例站臺為島式站臺，兩端還設有設備管理用房，是否可以繼續采用自然排煙沒有相關依據，也沒有成功的案例。若采用自然排煙，站臺層上部無條件開設自然排煙口，采用何種形式的自然排煙設計需要進一步分析。如果采用機械排煙，如何不影響裝修效果以及綜合樞紐站臺層整體建筑效果，需要進一步研究[2]。

圖2 樞紐一層(站臺層)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排煙方案的比選

如圖4所示站臺在地面的兩層島式車站，站臺層高度為8 m，站臺頂板設有橫縱梁，梁下高度6.2 m。站臺兩側南、北方各有地鐵設備及管理用房，設備管理用房高度為4.7 m，設備管理用房屋頂設有女兒墻，女兒墻高1.5 m，達到站臺頂板梁下。圖2綠色區域為地鐵站臺層。其中站臺層西側(圖2上側為西)為國鐵附屬用房區，用景觀墻與地鐵站臺分隔；站臺層東側為國鐵站臺區，用2.5 m高聲屏障與地鐵站臺分隔；站臺層頂部為國鐵候車區及南北落客平臺，西入口大廳與地鐵軌行區采用鋼結構和鋼化玻璃與地鐵軌行區分隔，圖4所示藍色區域均聯通。如圖5所示地鐵站臺西側設有景觀墻，高度達到站臺板頂。車站最東側設有景觀墻，高度達到站臺板頂。由此，地鐵站臺區域形成374 m長的封閉車行道。

圖4 地鐵站臺相對位置剖面

在此條件下，依據GB50157—2013《地鐵設計規范》第28.4.2條：連續長度大于300 m的區間隧道和全封閉車道需設置機械防煙和機械排煙設施。第28.4.4條，連續長度大于60 m，但不大于300 m的區間隧道和全封閉車道宜采用自然排煙；當無條件采用自然排煙時，應設置機械排煙。

依據GB51298-2018《地鐵設計防火標準》第8.1.1條，連續長度大于1列列車長度的地下區間和全封閉車道，需要設置排煙設施。

圖5 地鐵站臺層相對位置平面

根據本站實際情況，站臺層頂部由于國鐵候車區及南北落客平臺的設置，不能滿足可開啟有效排煙面積不小于站臺面積2%，且排煙口的位置距最遠排煙點的水平距離不超過30 m的自然排煙條件的要求，因此需要設置機械排煙。

3.1自然擴散排煙方案

根據本站建筑條件，假設火源位于地鐵站臺層軌行區列車車廂處，設計火災功率為10 MW。其基本參數如表1所示。

表1 自然擴散模擬基本參數

標定人員安全疏散的指標有能見度、溫度、CO濃度，通過以往的案例及模擬計算結果。其中能見度指標最敏感，當距地面上方2 m處能見度低于10 m時，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志。模擬結果見圖6。

圖6 自然擴散方案地面上方2 m高處能見度火災模擬結果

結果顯示，無自然排煙口情況下，煙氣擴散至整個站臺區域，并且在地鐵站臺和國鐵站臺外墻處發生較大沉降，當1 200 s時，地鐵站臺公共區部分區域地面上方2 m處的能見度低于10 m，因此僅僅依靠既有自然擴散條件進行排煙時，人員安全疏散將會受到威脅[3-4]。

3.2 設置自然排煙口方案

根據GB51298—2018《地鐵設計防火標準》第8.2.2條規定：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小于所在場所地面面積的2%，且區域內任一點至最近自然排煙口的水平距離不應大于30 m。常閉的自然排煙口(窗)應設置自動和手動開啟的裝置。第8.3.5規定：設置隔聲罩的地上區間和路塹式地下區間的自然排煙口應設于區間外墻上方或頂板上，有效面積不應小于該區間水平投影面積的5%；

通過計算，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，最少均勻設置8個排煙口，每個排煙口面積需18 m2。

雖然站臺兩側與國鐵附屬用房相鄰區域的景觀墻可以設置自然排煙口，但站臺國鐵候車區進站區相連的挑空區域(圖5橙色區域)長度為177 m，不能設置自然排煙口，自然排煙方案無法實現。

3.3 機械排煙方案

3.3.1 站臺及軌行區機械排煙方案

排煙量計算方法：根據火災功率計算排煙量。地鐵列車為B型車，近期采用6節編組，遠期采用8節編組，其中火災功率按遠期編組計算為10MW，是根據天津消防研究所實際列車燃燒試驗結果所取的值[5-6]。具體計算過程可以參照《建筑防排煙系統技術標準》第4.6.11～4.1.13條，計算結果見表2。

表2 地鐵軌行區封閉段機械排煙量計算

站臺兩側分別設置排煙機房，每個排煙機房設置3臺排煙風機(表3)，分別為左線軌行區、右線軌行區、站臺公共區機械排煙考慮(圖7)。排煙口均勻布置，滿足防煙分區內任一點距排煙口距離不大于30 m，煙氣直接通過風管排至室外。

圖7 排煙系統原理

表3 排煙風機參數

運行模式：發生火災時開啟相應防煙分區對應排煙風機進行機械排煙，由隧道洞口及公共區樓扶梯進行自然補風，補風風速約為2 m/s。

3.3.2 機械排煙場景模擬

場景L1-1為地鐵上行線列車火災，場景L1-2為地鐵下行線列車火災，煙氣場景參數見表4，火災位置見圖8。當發生火災時，開啟車站列車軌行區軌頂排煙系統(排煙量19.7萬m3/h)，同時開啟站臺排煙系統(排煙量10.0萬m3/h)，保證人員疏散的安全。

(1)基本參數

表4 煙氣場景參數

圖8 場景L1-1、2火災位置示意(單位：m)

(2)模擬結果(圖9，圖10)

圖9 場景L1-1模擬結果

圖10 場景L1-2模擬結果

(3)結果分析

①場景描述

地鐵站臺發生10MW列車火災，發生火災的全封閉車道部分機械排煙系統和站臺機械排煙系統有效。

②煙氣流動情況

火災發生120 s后，地鐵全封閉車道部分機械排煙系統和站臺機械排煙系統啟動，大量煙氣被排出，整個火災過程中有部分煙氣蔓延至站臺區域，并被站臺機械排煙系統排出。

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。

本工況危險來臨時間(ASET)大于1 200 s，地鐵站臺及列車上人員安全疏散所需時間(RSET)為611 s，ASET>RSET，煙控系統設計能夠滿足人員安全疏散的要求[7]。

(4)小結

地鐵列車發生火災時，機械排煙系統有效時，可以起到很好的控煙排煙效果。

3.3.3 排煙口布置優化

通過分析模擬結果中煙氣沉降的規律，在站臺及軌行區火災的工況中，煙氣沉降最容易發生在站臺中心區約177 m的范圍內。在此基礎上排煙口可以集中布置在站臺中心區域內，排煙場景模擬結果與全站臺范圍內排煙口均勻布置結果相近，在人員安全疏散所需時間內，能見度、溫度及CO濃度均滿足人員安全疏散要求，177 m之外的隧道范圍側面設置2.4 m高且不到頂景觀墻，不形成封閉車道。此方案減少了風管的敷設，在節省投資、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

站臺區排煙管全部安裝在吊頂上方，不影響公共區裝修造型。裝修效果見圖11。

圖11 排煙風管裝修效果

4 結論

在地鐵與鐵路同臺換乘的綜合樞紐車站中，應將自然排煙的可行性納入初期建筑方案中優先考慮。但由于建筑形式的特殊性，地鐵站臺往往不能滿足地鐵規范所描述自然排煙的條件，同時通過FDS進行火災模擬，煙氣自然蔓延條件下，能見度無法保證人員安全疏散。在采用機械排煙方式時，應優化布置排煙風管及風口，盡量減少對整體裝修效果的影響。