摘  要: 在分析地铁车站火灾烟控和乘客疏散要求的基础上，分析了地铁防排烟设计的基本思路和模式，结合某多层结构地下车站，给出了通风排烟系统的设计方案。利用模拟仿真的方法对通风排烟系统火灾事故情况下的运行效果进行了验证评估。计算表明，隧道烟控流速、楼扶梯开口流速、可用安全疏散时间等指标均可达到规范的要求。提出的设计方案和事故运行模式可提供作为一种地下车站通风排烟系统设计的模式。

关键词: 地铁车站; 烟气控制; 通风排烟系统; 设计; 验证

 

      目前，国内约三十个城市正在建设或规划建设城市轨道交通线路，国内新建的轨道交通线路均具有较好的防灾能力，但 1987 年伦敦地铁国王十字车站火灾、2003 年韩国大丘地铁火灾均产生了较大的人员伤亡，已引起了世界各国对城市轨道交通系统防灾能力的深刻反思和高度重视^［1］。地铁因其地下空间相对封闭、人流密集，通道疏散条件有限，一旦发生火灾事故，若产生的烟气不能及时控制排除，就很容易造成人员中毒窒息。因此，地铁火灾烟气控制至关重要。我国地铁设计规范中对烟气排烟量、疏散时间及楼扶梯开口流速均有相关规定，对于普通标准地铁车站的防排烟系统设计有一定的指导意义^［2］。同时国内外设计很多采用性能化设计、模拟分析、模型试验甚至实体实验来设计、验证防排烟系统最终的设计、运营方案^{［3 －11］}，因此除常规的车站设计外，地铁车站有关排烟能力仍需要进行计算或实验的验证。

      本文结合某多层结构地下车站，阐述了地铁通风排烟设计的基本思路和要点，基于提出的某三层地下车站的通风排烟系统的设计方案，利用模拟仿真的方法对通风排烟系统火灾事故情况下的运行效果进行了验证评估。

 

      地铁车站通风排烟系统设计的首要安全指标是要提供至少6 分钟可用安全疏散时间^［2］。从乘客的心理和行为角度出发，当迎着新风方向疏散时乘客才有较好的安全感和能听从车站工作人员的指挥，所以，地下车站防排烟系统设计除保证火灾区域排烟量外，应能为乘客的疏散路径提供一定新鲜空气和迎面风速，控制烟气流向。在隧道内，控制烟气流向时应形成不小于 2m/s 的水平风速，其排烟量应按此值进行确定。

      当地下车站站台发生火灾时，楼扶梯开口或楼扶梯斜通道是烟气向上蔓延的关键路径，烟气沿楼梯、竖向管井中蔓延过程中具有较大热浮力和烟囱效应，因此，这些部位的风速需达到一定流速才能有效的控制烟气向上一层蔓延。现行《地铁设计规范》规定的排烟量按建筑面积为 1m³/ min·m²的排烟量计算，同时要站台火灾时楼扶梯口需形成向下1． 5m / s 的风速要求，这些规定已体现出烟气控制排除基本原则^［2］。但 1． 5m/s 风速是否足够控制热烟气不向上层扩散也需要进一步研究。地下车站公共区防排烟系统需要根据不同楼扶梯开口条件、乘客疏散特点进行设计，同时系统设计后需进一步通过计算模拟或实验验证，以确保设计方案确实可以达到阻止烟气蔓延和诱导乘客安全疏散的目的，下面结合某地铁车站，介绍不同公共区域的防排烟系统设计思路。

 

      站台层一般是地下车站的最下层，火灾时自然状态下烟气的流向与乘客疏散方向相同且乘客疏散的条件最差。若站台长度为 140m，站台宽度为 12m时，扣除站台上的设备用房面积，一般站台公共区的有效面积不超过 1500m²，根据现行的《地铁设计规范》按每个防烟分区面积不会超过 750m²划分为两个防烟分区^［2］，最大计算排烟量约为 90000m³/ h，考虑10%漏风系数后约为10 ×10⁴m³/ h，而140m 站台内会均布两组扶梯和一组楼梯，其开口面积总计约为 30 －32m²，若地下车站公共区排烟的新风补给全部采用通过出入口自然引入，楼扶梯开口处的风速仅为 0. 93m/s，无法控制烟气不向上一层蔓延。目前各城市地下车站站台层的层高一般为 4. 2－4. 4m，装修吊顶( 通透式) 完成后为 3. 0m，同时吊顶以上设有大量的管线，空间所剩无几，蓄烟的效果差。因此，若在不改善层高的前提下，站台层排烟能力应以控制烟气不向上一层蔓延作为设计原则，即站台火灾时楼扶梯及斜通道至少保持规范规定的大于1. 5m / s 的向下风速，因此一般车站站台的排烟量将需达到至少 128m³/ s，相当于现行规范要求排烟量 4倍的能力。这样大的排烟量若仅依靠车站站台的排烟系统实现显然非常困难，因此必须借助车站隧道通风排烟系统的辅助排烟。

      以某地铁车站屏蔽门系统型式的隧道通风排烟系统为例( 图 1) 。隧道通风系统一般会在车站两端头配置两台流量达 60m³/ s 的隧道风机^［12］，正常运营时一般不开启。车站隧道排风系统一般会在车站两端环控机房内配置车站隧道排风机，每侧车站停车位置范围内排风量达到 40 －50m³/ s，正常运营时该系统处于运行状态。当车站站台发生火灾时可在通过 BAS 系统控制打开屏蔽门，同时开启打开屏蔽门侧的区间隧道风机，利用开启屏蔽门侧车站隧道排风系统和该侧的两台隧道通风机协助车站站台排烟系统进行排烟，补给风通过站台负压从车站的出入口通道经站厅引入。这样调整后的排烟量至少可达到约 150m³/ s( 隧道风机排除的风量有约 20% 通过相邻区间补给) ，基本可满足控制烟气不向上蔓延的要求。

      以上述某多层结构地铁车站的通风排烟系统设计为原型，通过数值模拟的方法，计算分析火灾通风排烟系统的有效性。

      该地下三层车站总长 164. 2m，标准段线间距16. 2m，有效站台计算长度 140m，屏蔽门总长135. 5m。站台与站厅之间通过 3 组楼扶梯连接: 左侧 3 组扶梯、中间 1 个楼梯和右端 2 组扶梯 1 组楼梯。计算考虑 6 辆编组列车，列车的全长为139. 98m，宽度为 3m，高度为 3. 8m。列车客室内地板面与站台面齐平，离轨面为 1. 10m。

      车站每端设置 2 台车站区间事故风机( 60m³/ s，为可逆风机) ，当区间发生阻塞或火灾事故时，同时对事故区间送风或排风。车站隧道顶部设置排烟风道，两侧隧道共连接 2 台车站隧道风机，风量为 40m³/ s。车站公共区共划分 4 个防烟分区( 表 1) ，因此按照《地铁设计规范》，车站 A 端和 B 端公共区排烟风机风量分别为: 76560m³/ h，车站大系统原理图见图 2。

      计算采用大涡场模拟软件 FDS( Fire DynamicsSimulator 火灾动力学模拟) 进行数值模拟，FDS 原理是火灾的场模拟计算，通过大涡模型对连续方程、动量方程、能量方程以及压力收敛方程进行求解，可得到温度、压力、气体成分、可见度等参数的空间分布。其默认湍流模型采用 Smagorinsky 形式的大涡模型，燃烧模型采用的是混和分数模型，辐射传热通过对非散射灰体近似的气体利用有限体积方法求解其辐射传输方程，大约为 100 个离散角。

      车站三维计算模型如图 3 所示。模型按照车站的设计图纸进行简化，包括站台、设备房、站厅、起火列车、屏蔽门、外界开口及通风排烟系统风口。为了保证网格的精确解析，在流动和热交换迅速的区域采用局部网格加密，对着火区域、站台、隧道、站厅等区域分别设置 Mesh 和网格解析大小，如此可有效地减少计算时间消耗。

 

      起火列车停在车站时，执行车站列车火灾排烟模式，起火隧道的排烟量为: 区间隧道排 烟( 60m³/ s) 、车站隧道排烟( 40m³/ s) 。由于人员疏散需要，起火侧安全门打开，同时考虑列车火灾会导致安全门破裂( 假定为着火车厢长度) ，因此需打开站台排烟风机，同时关闭站厅排烟。

      对于地铁列车火灾规模按照前人的研究成果^［6，9］，列车火灾模拟可按每辆车 5MW，一次列车火灾规模按每小时烧毁 1． 5 辆车计算。计算采用的最大火灾强度按照 7． 5MW 考虑，这样计算得出的结论会更保守一些，着火车厢长度范围约为 1． 5 车厢长度，火灾曲线升温曲线可按约 10min 达到峰值考虑( 图 4) 。

      起火隧道内的气流组织形式和流速分布见图5。从起火列车停靠隧道的气流组织模式图可以看出，两端完全发展区域将形成 4m/s 左右向内的流速，车站隧道部分流速较小。因此现有排烟量的设计可以确保隧道内的烟气控制的平均风速大于2m / s，满足《地铁设计规范》的要求。

      图 6 和图 7 为计算得到的典型的起火车站隧道内烟气扩散情况及温度随时间变化( 600s) 。打开隧道两端的区间隧道风机会在隧道两端形成较大的向内的空气流速，由于区间隧道风机的补风主要从区间内补充，形成空气流短路，因此烟气不会扩散出车站隧道的两端区域。区间隧道风机对车站列车火灾的排烟作用不大，但可起到组织气流作用，可阻止烟气蔓延出车站隧道两端。对于车站列车火灾来说，轨顶排烟口起主要排烟作用。600s 时隧道内着火车厢区域的顶棚烟气层可以达到 175℃。

      图 8 为站台 － 站厅楼扶梯开口的速度场分布。从楼梯开口中心截面的速度场变化过程开看，站台和站厅及过道层的扶梯开口和楼梯开口处的流速的向下流速均可达到 3． 5m/s 左右，满足《地铁设计规范》要求，同时也满足控制烟气不向上层蔓延。

      图9 和图10 为6 分钟时站台安全高度处的烟气温度、可见度变化。人员安全疏散的危险判据为:( 1) 安全高度处人体直接接触的烟气温度超过 60℃;( 2) 安全高度处有害燃烧产物的临界浓度达到对人体构成伤害的危险浓度，典型的是 CO 的浓度达到0. 25% ; ( 3) 安全高度处减光度达到影响人员行动速度的极限值( 5 －10m) 。从图 9 和图 10 看，6 分钟时烟气层在站台中间部位，即安全门破碎开口附近可降到安全高度以下，但在站台两端区域并未降到安全高度。站台中间区域 2m 高处的温度较低，不会对人员造成影响。6 分钟时，中间区域 2m 高处的可见度降到4m 以下，但两端楼扶梯的可见度要大于10m，人员可以通过两侧的扶梯开口进入上层站厅层。因此可用安全疏散时间满足《地铁设计规范》的要求。

      地铁是城市大运量等级的轨道交通系统，地铁的防排烟系统设计需要对地铁火灾场景推演和验证，才能制定较为完善的规范和有针对性的设计防排烟系统。

      ( 1) 研究分析证明，采用不小于 2m/s 的迎面风速可有效控制隧道内烟气水平蔓延的方向。