摘 要:为研究地铁站通风排烟系统的有效性，以某地铁站为原型，利用 FDS 对地铁区间隧道火灾与站台火灾进行数值模拟，得出站点内烟气温度、有毒气体浓度( 以 CO 为主) 、能见度，烟气层高度等特征参数的分布规律，分析深埋地铁站通风排烟系统的设计安全目标，探索有效性评估分析的手段和方法。

关键词:地铁站台火灾; 隧道火灾; 数值模拟; 烟气蔓延

 

      自1863 年1 月10 日英国伦敦开通第1 条地铁“大都会号”后，经过 140 多年的时间，世界上已有40 多个国家和地区的 127 座城市建造了地铁^［1］。尤其是近几十年来，随着世界经济的飞速发展和城市化进程的日益加快，地铁已成为国际化大都市的重要标志，在解决大中型城市交通拥挤问题方面起着不可替代的作用。但是在地铁推动城市发展，给人们生活和生产带来便利的同时，作为其主要灾害的火灾也频繁发生，并造成了巨大的社会影响和经济损失，其中由于烟气中毒和窒息而死亡的人数占很大比重^{［2 －4］}，因此对火灾情况下地铁站通风排烟系统的有效性进行验证显得十分必要。

 

      地铁站具有人员密度大、内部封闭、空气不易流通等特点，因此做好地铁的防火工作十分不易，地铁火灾的特点^［5］具体表现在: ( 1) 人的心理恐慌程度大，行动混乱程度高; ( 2) 浓烟积聚不散; ( 3)温度上升快，峰值高; ( 4) 人员疏散难度大; ( 5) 扑救困难。

      国内外研究数据表明，在火灾中人员伤亡的原因主要是烟气中毒和窒息，地铁火灾也不例外，对于地铁火灾烟气的危害主要有以下几种^［6］:

      ( 1) 热辐射: 热辐射通量表示辐射到表面( 如人体皮肤) 的有效热值的数量。实验表明，当人体接受的热辐射通量超过 0． 25 W/cm²并持续 3 min以上时将造成严重灼伤;

      ( 2) 高温烟气的危害: 当上部烟气层的温度高于 180 ℃时，这时对人体的辐射将造成人员伤害;当烟气层下降到与人体直接接触的高度时，对人的危害将是直接烧伤，这种临界值约为 60 ℃;

      ( 3) CO 浓度: CO 是烟气中对人员最具威胁的成分，本文设定 CO 浓度达到 1‰时为危险浓度;

      ( 4) 烟气遮光性: 随着减光度增大，人的行走速度减慢，在刺激性烟气的环境下，行走速度减慢得更厉害。在本文中设定能见度小于 10 m 时达到危险时刻。

 

      《地铁设计规范》^［7］GB50157 － 2003 第 12． 1． 4条: 地铁通风与空调系统应具有下列功能:

      ( 1) 当列车在正常运行时应保证地铁内部空气环境在规定标准范围内;

      ( 2) 当列车阻塞在区间隧道内时应保证阻塞处的有效通风功能:

      ( 3) 当列车在区间隧道发生火灾事故时应具备防灾排烟、通风功能;

      ( 4) 当车站内发生火灾事故时应具备防灾排烟、通风功能。

      第 12． 1． 5 条: 地铁列车在隧道内高速运行时会产生活塞效应，据资料分析，当系统布置合理时，每列车产生的活塞风风量约为1 500 ～1 700 m³，这种不费能源的通风方式应首先考虑使用。但活塞效应所产生的换气量是有限的，而且在地铁的实际建设中，经常受到周边环境的影响，导致活塞风道无法修建，或由于风亭出口位置的关系，致使活塞风道长度过大，以至活塞效应失效，故本条规定在单靠活塞效应不足以排除隧道内的余热时，应设置机械通风系统。

      第 19． 1． 36 条: 防烟、排烟系统与事故通风应具有下列功能:

      ( 1) 当区间隧道发生火灾时，应能背着乘客疏散方向排烟，迎着乘客疏散方向送新风;

      ( 2) 当地下车站的站厅、站台或设备及管理用房发生火灾时应具备防烟、排烟和通风功能;

      ( 3) 当列车阻塞在区间隧道时，应能对阻塞区间进行有效通风。

      《地铁设计规范》第 19． 1． 39 条: 地下车站站台、站厅火灾时的排烟量，应根据 1 个防烟分区的建筑面积按 l m³/ ( m²·min) 计算。当排烟设备负担 2 个防烟分区时，其设备能力应按同时排除 2 个防烟分区的烟量配置。当车站站台发生火灾时，应保证站厅到站台的楼梯和扶梯口处具有不小于1． 5 m / s的向下气流。

      《地铁设计规范》第 19． 1． 40 条: 区间隧道火灾的排烟量，按单洞区间隧道断面的排烟流速不小于2 m / s 计算，但排烟流速不得大于 11 m / s。

 

      某地铁站为深埋多层岛式地铁站，共 5 层，地下 1 层为入口通道，地下 2 层与地下 4 层为设备层，地下 3 层为站厅层，地下 5 层为站台层。该地铁站长度为 180 m，宽度为 25． 6 m，深度为31． 2 m，具体结构如图 1 所示。

      从站台层站台高度 1． 6 m 至整个地铁站的最高点 31． 2 m，在这 5 层空间内设有横向间距 9． 1m，纵向间距 6． 4 m 的 34 根 1． 2 m × 0． 8 m( 长 ×宽) 的柱子，柱子与柱子之间为高度达 0． 6 m 的梁。另层与层之间设 2 座并排 3 列的自动扶梯。3 列扶梯宽度共为4． 8 m。自动扶梯与楼层开口连通部位尺寸为 8 m ×4． 8 m( 长 × 宽) 。其中站台空间分布情况如图 2 所示。

 

 

      地铁车站站台层与列车隧道之间设屏蔽门，由于该地铁站为岛式车站，故设上下 2 行屏蔽门，屏蔽门尺寸为 2 m × 2． 2 m( 长 × 高) ，每个屏蔽门之间间隔 4． 55 m，共计 58 个屏蔽门。对于站台火灾屏蔽门关闭，对于隧道列车火灾着火隧道侧屏蔽门开启，而另一侧关闭。

      通过分析各个火灾工况的模拟结果，得到各工况下隧道顶部的最高温度值和隧道内高温区分布范围。

      本地铁车站公共区通风空调排烟系统( 简称为车站大系统) 采用通风空调系统与排烟系统合用方案。根据《地铁设计规范》第 19． 1． 39 条的规定，考虑到各层层高不同，站台层设 4 个送风口，各送风口送风风速为 6 m/s，总送风量为 54 m³/ s，排烟口风速 3 m/s，总排烟量为 60 m³/ s。地下 4 层设备层设 6 个送风口，各送风口送风风速为 6 m/s，总送风量为 90 m³/ s，排烟口风速 3 m / s，总排烟量为 90m³/ s。其他 4 层每层设 6 个送风口，每个送风口送风量为 6 m/s，总送风量为 80 m³/ s，排烟口风速 3m / s，总排烟量为 80 m³/ s.

      本地铁区间隧道排烟系统采用 TVF( 隧道风机)与 TEF( 排烟风机) 合并、双活塞风井方案，具体来说车站2 端各设有互为备用的 TVF1 和 TVF2 隧道风机，每1 端各设 1 个 TEF 排烟风机，根据《地铁设计规范》第19．1．40 条规定，火灾发生时，隧道两端TVF( 隧道风机) 启用，烟气由隧道中间向两端流动，由于隧道截面积为19．2 m²，故可设每台风机送风量为 40m³/ s，隧道总排烟量为 80 m³/ s。

      根据国内外大量火灾事故及火灾模拟的研究，对于多层地铁站火灾，火源功率一般在10 MW以下^{［8 －10］}，本文主要目的为计算并验证地铁站的排烟模式，而地铁站排烟模式的有效性取决于是否能保证人员在安全疏散时间( 6 min) 内的安全性，即 6 min 内人员能够由站台层或着火隧道内安全撤离到站厅层( 安全层) 。国内外对于列车站台火灾的火源功率并没有明确的界定，而本文所建立模型为多层深埋岛式地铁站，规模较大，站台火灾采取最大功率为 8 MW 的超火灾荷载火源和最大功率为 5 MW 的一般火灾荷载火源，相应其火源位置分别设站台中间和站台左端楼梯入口附近进行模拟。对于隧道列车火灾，采用国内外普遍运用的火源功率 5 MW。本文火源增长方式一律为 t²快速增长火，即满足 Q = αt²，其中火源增长系数 α =0． 046 89。综合考虑，共设计了 3 个火灾场景，如表 1 所示。

      利用 FDS 建立数值模拟计算模型，本地铁站长度 180 m，左宽度 25． 6 m，右宽度 21． 6 m，高度31． 2 m，共 5 层，由于两端宽度不一，层数较多，且总体积较大( 超过 10 万立方米) ，为减少网格数量，共设置了 11 个 mesh，网格划分如图 3 所示，建成的站台层内部结构及隧道内结构如图 4 所示。

      利用美国国家标准技术研究院( NIST) 开发的火灾动力学模拟软件 FDS 对设计的火灾场景进行模拟计算，各场景的模拟结果分别如图5 ～图7 所示。

      由图 6 可以看出，站台层 1 号楼梯口处无烟气流动，温度仍然保持为环境温度，且能见度几乎不受影响。站台层与站台层 2 号扶梯开口处由于离火源较近温度高于环境温度，但除 2 号扶梯开口火源附近区域外，其他区域烟气层均未降至安全高度以下，温度也未超过100 ℃，CO 浓度不超过0. 1%，均未达到危险状态。在站台层 2 号扶梯口处，能见度超过 10 m，烟气层高度均保持在 2 m 以上，烟气层温度均保持在 30 ℃以下，CO 浓度为零。可见，对于 5 MW 的站台火灾，该通风排烟系统能够有效控制火灾烟气的蔓延，保证人员安全疏散。

      由图 7 可以看出，站台层 1 号扶梯口处无烟气流动，温度仍然保持为环境温度，且能见度几乎不受影响。站台层与站台层 2 号扶梯开口处由于离火源较近温度高于环境温度，但除 2 号扶梯开口火源附近区域外，其他区域烟气层均未降至安全高度以下，温度也未超过 100 ℃，CO 浓度不超过0． 1%，均未达到危险状态。从而可以得知，该通风排烟系统对于 5 MW 的地铁站站台火灾，能够保证烟气按设计要求进行蔓延。

 

      以当前国内外地铁火灾的研究背景为基础，通过对某地铁站火灾特点的分析，指出地铁站通风排烟系统的重要性，利用 FDS 软件建立数值模型，并针对 3 种火源分布情况进行模拟计算，根据计算结果得出站点内烟气温度、有毒气体浓度( 以 CO 为主) 、能见度、烟气流动速度等特征参数的分布情况，结果表明该地铁站在站台火灾及隧道火灾下的各项特征参数均能满足人员安全疏散的要求，为地铁通风排烟系统的有效性验证提供了分析手段和方法。

 

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