邱少輝

中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司

某超大型地下火車站列車火災(zāi)煙氣控制模式研究

邱少輝

中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司

本文利用FDS軟件模擬了某超大型地下火車站短站臺發(fā)生列車火災(zāi)時，采用“軌頂及站臺層排煙，站廳層送風(fēng)”煙氣控制模式下站臺層的防排煙效果，通過對站臺層發(fā)生列車火災(zāi)時煙氣的蔓延過程、能見度、溫度場及CO濃度等指標進行分析，結(jié)果表明該煙氣控制模式對控制列車火災(zāi)是行之有效的。

超大型地下火車站列車火災(zāi)煙氣控制模式防排煙效果

0 引言

由于城市建設(shè)用地日趨緊張，將鐵路引入城市變得越來越困難，于是人們嘗試將普通的鐵路建于地下以解決土地資源緊張和出行要求之間的矛盾。不管是大規(guī)模的地鐵站還是新型的地下火車站，由于屬于地下建筑，與外界連通的開口少，同時人員集中、客流量大，其消防安全問題都受到人們的普遍關(guān)注。

相對來說，列車體積大，而且現(xiàn)代電氣化列車本身具有大量的電氣設(shè)備，同時旅客攜帶的行李和車廂內(nèi)部的裝飾物、座椅等都有可能是火災(zāi)載荷，因此列車火災(zāi)的規(guī)模較大，對地下車站的影響亦最大。根據(jù)“可信最不利”的設(shè)計原則，列車火災(zāi)是地下火車站防排煙設(shè)計中的重點研究問題，而良好的煙氣控制是保障火災(zāi)時人員安全疏散的關(guān)鍵[1～5]。本文利用FDS軟件模擬了某超大型地下火車站發(fā)生列車火災(zāi)時，采用“軌頂及站臺層排煙，站廳層送風(fēng)”的煙氣控制模式下站臺層的排煙效果，并根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化設(shè)計方案。

1 FDS模型建立及輸出參數(shù)

1.1 工程概況

國內(nèi)某超大型地下火車站，是廣深港高速客運專線的一個重要客運站，整個車站全部位于地下。車站外包總長1190m，外包總寬81.34m和42.34m，建筑外包總高度28.607m，有效站臺中心底板埋深31.107m。車站共包括三層，地下一層（B1層）為人行交通轉(zhuǎn)換層，主要用于乘客在車站和相鄰建筑、交通系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換。地下二層（B2層）為站廳層，主要用于旅客進出站。地下三層（B3層）為站臺層，共設(shè)有4座島式站臺（2座供停靠16節(jié)編組列車的長站臺，2座供?？?節(jié)編組列車的短站臺），8條到發(fā)線，如圖1所示。

1.2 車站列車火災(zāi)時排煙氣流的組織

根據(jù)車站站臺超長的特點，將B3站臺層沿軌行區(qū)方向分成5個獨立的分區(qū)，并設(shè)置了5套軌頂排熱兼排煙系統(tǒng)，平時用于排除?？苛熊嚠a(chǎn)生的熱量；發(fā)生火災(zāi)時，經(jīng)由軌頂風(fēng)道及橫向跨軌風(fēng)道，通過切換安裝在軌頂風(fēng)道側(cè)壁及底部的風(fēng)口和電動閥，排除站臺及軌行區(qū)的煙氣，如圖2所示。車站共設(shè)置了5臺排熱兼排煙風(fēng)機（其中2臺風(fēng)量為100m3/s，3臺風(fēng)量為120m3/s），長站臺最大排風(fēng)、排煙量為560m3/s，短站臺最大排風(fēng)、排煙量為360m3/s。

參考地鐵車站“起火層排煙，上層送風(fēng)”的煙氣控制模式[6]，車站發(fā)生列車火災(zāi)時采用如下煙控模式：開啟軌頂及站臺層排煙系統(tǒng)進行排煙，關(guān)閉B3站臺層送風(fēng)系統(tǒng)，同時B2站廳層送風(fēng)。

1.3 列車火災(zāi)規(guī)模確定

本文參考EUREKA試驗結(jié)果對國產(chǎn)和諧號CRH動車組列車火災(zāi)發(fā)展曲線進行估計，僅考慮一節(jié)列車車廂起火的火災(zāi)場景，采用22MW作為設(shè)計的火災(zāi)規(guī)模，該數(shù)值在列車火災(zāi)規(guī)模區(qū)間范圍中屬于較高值，主要是考慮到地下車站的危險性遠大于地上站，采用較高的火災(zāi)規(guī)模作為設(shè)計的依據(jù)可以增加安全系數(shù)，提高整個車站的安全性。

1.4 列車火災(zāi)排煙量確定

對于列車火災(zāi)來說，達到轟然后，高溫煙氣可以通過兩側(cè)的開窗同時向軌頂及站臺區(qū)域蔓延。煙氣從窗口溢出后，形成雙側(cè)線性羽流，如圖3所示。

目前，全世界已發(fā)展多個煙羽流模型的計算方法，包括美國NFPA92B、英國機電工程師協(xié)會技術(shù)備忘錄19、我國上海防排煙設(shè)計規(guī)程等等。M Law在1995年發(fā)展了線性羽流煙氣生成量計算模型如下[7]：

式中：M為列車雙側(cè)煙羽流的產(chǎn)煙率，kg/s；Q為火源熱釋放速率，kW；w為羽流寬度，此處為火災(zāi)單側(cè)總開口寬度，m；y為火源所在平面到煙氣層高度，m；h為列車開口等效高度，m。

在計算中清晰高度的取值為屏蔽門上沿高度，即3m，其目的是為了將煙氣控制在軌行區(qū)內(nèi)，即將軌行區(qū)的煙氣層控制在屏蔽門上方。軌行區(qū)排煙量的具體計算參數(shù)取值及計算結(jié)果如表1所示。

由于軌行區(qū)列車和站臺屏蔽門的距離僅有0.5m，列車火災(zāi)煙氣通過敞開的列車門和屏蔽門進入到站臺的可能性很大，因此站臺層公共區(qū)的排煙量按照《地鐵設(shè)計規(guī)范》進行計算，其中長站臺總排煙量為64m3/s，短站臺總排煙量為30m3/s。

1.5 車站FDS模型

基于“可信最不利”的列車火災(zāi)場景，利用FDS軟件模擬發(fā)生列車火災(zāi)時，采用“軌頂及站臺排煙，B2站廳層送風(fēng)”的煙控模式，建立模型如圖4所示。

2 列車火災(zāi)模擬結(jié)果與分析

2.1 初始條件

1）火災(zāi)規(guī)模：22MW快速發(fā)展列車火，火源熱釋放速率曲線見圖5。

2）火源位置：著火列車?？?號軌行區(qū)，著火車廂位于短站臺中部，如圖6所示。

3）煙控方式：排煙區(qū)域為2號軌行區(qū)、1號軌行區(qū)和2號短站臺公共區(qū)，各軌行區(qū)排煙量均為140m3/s，2號短站臺公共區(qū)排煙量為30m3/s，B2站廳層送風(fēng)。車站軌頂排熱兼排煙系統(tǒng)在120s內(nèi)開啟；扶梯口處固定擋煙垂壁為吊頂下0.5m。

4）模擬假設(shè)：車廂窗戶玻璃達到600℃破碎，屏蔽門達到300℃破碎。

2.2 火災(zāi)發(fā)展和煙氣蔓延描述

火災(zāi)發(fā)展初期，煙氣首先充滿車廂，隨著火災(zāi)規(guī)模的增大，煙氣通過車門和破裂的車窗溢出。由于車門距站臺屏蔽門僅有0.5m左右，在109s時，煙氣開始侵入站臺。此后，由于多個車窗和多處站臺屏蔽門破裂，更多煙氣進入站臺。在整個模擬時間1800s內(nèi)，非停靠站臺的屏蔽門始終沒有發(fā)生破裂。在B2層送風(fēng)和軌頂、站臺排煙的作用下，站臺兩組樓扶梯入口處形成了較大的向下氣流速度（最大向下氣流速度不小于2m/s），直至模擬結(jié)束未有煙氣通過樓扶梯開口向上一層蔓延，如圖7所示。

2.3 能見度分布

從圖8、圖9中可以看出，在300s左右，靠近起火車廂站臺中部2組樓扶梯之間的頂板下方形成一薄層能見度小于10m區(qū)域。此后，由于車窗和玻璃墻陸續(xù)破裂，煙氣涌入站臺，站臺能見度下降區(qū)域顯著擴大，在660s時，站臺中部2組樓扶梯之間，部分區(qū)域距站臺地面2m高度處的能見度已小于10m。750s左右，站臺中部右端一組樓扶梯受煙氣影響，入口處距地2m高度處的能見度小于10m，此后，站臺中部2組樓扶梯之間能見度繼續(xù)下降，煙氣向站臺兩端蔓延沉降。1450s左右，受煙氣影響站臺中部左端一組樓扶梯入口處距地2m高度處的能見度小于10m。至1800s模擬結(jié)束，由于軌行區(qū)和站臺內(nèi)排煙的作用，兩組樓扶梯口處維持了較大的向下風(fēng)速（最大處達到2m/s左右），始終未有煙氣通過樓扶梯口處侵入站廳層，著火層上方站廳層能見度未見明顯變化。

從能見度角度，短站臺2組樓扶梯之間的區(qū)域可用安全疏散時間為660s，該站臺中部右端一組樓扶梯可用疏散時間為750s，站臺中部左端一組樓扶梯可用疏散時間為1450s，站廳以及人行交通轉(zhuǎn)化層的可用安全疏散時間不小于1800s。

2.4 溫度分布

圖10為平行于軌道方向的站臺剖面不同時刻溫度場的分布。如圖所示，在280s左右，站臺內(nèi)靠近著火車廂區(qū)域頂板下開始出現(xiàn)少量超過60℃的高溫煙氣。此后由于車窗和屏蔽門陸續(xù)破裂，大量煙氣涌入站臺，聚集于靠近著火車廂的站臺頂板下，溫度上升區(qū)域的范圍擴大、高溫煙氣層厚度增加，但至1800s模擬結(jié)束，溫度高于60℃的煙氣區(qū)域范圍依然主要限于站臺中部兩組樓扶梯口處的擋煙垂壁之間，整個模擬過程中站臺各區(qū)域2m以下高度內(nèi)的煙氣溫度均為超過60℃。從溫度場角度，在模擬的1800s內(nèi)，距站臺地面2m高度范圍內(nèi)的煙氣溫度未超過60℃，能滿足人員安全疏散的要求。

2.5 CO濃度

從圖11中可以看出，站臺頂棚區(qū)域局部CO濃度有明顯上升，但小于人體可接受的水平，遠低于225ppm。在整個1800s的模擬時間內(nèi)，整個站臺區(qū)域的CO濃度一直維持在人體可接受水平。

2.6 可供人員安全疏散的時間

綜合考慮煙氣溫度、CO濃度、能見度對人員疏散的影響，在“B2站廳層送風(fēng)及軌頂、站臺排煙”的煙氣控制模式下，短站臺中部兩組樓扶梯之間的區(qū)域可用安全疏散時間為660s，該站臺一組樓扶梯可用疏散時間為750s，另一組樓扶梯可用疏散時間為1450s，其他區(qū)域可用安全疏散時間為不小于1800s。

3 結(jié)論

通過FDS軟件數(shù)值模擬分析結(jié)果可得出如下結(jié)論：

1）在發(fā)生22MW列車火災(zāi)時，由于列車與屏蔽門的距離僅有0.5m，煙氣將通過車廂門和屏蔽門進入到站臺，開啟站臺排煙將有利于控制煙氣的蔓延，延緩環(huán)境進一步惡化；

2）發(fā)生列車火災(zāi)時，在車站軌頂排熱兼排煙系統(tǒng)強大的抽吸力和B2站廳層送風(fēng)系統(tǒng)的雙重作用下，樓扶梯開口處的向下氣流流速超過1.5m/s，有效地阻擋了煙氣向上層的蔓延。在模擬的1800s內(nèi)，站廳層均未受到煙氣影響；

3）發(fā)生列車火災(zāi)時，通過對站臺層煙氣的蔓延過程、能見度、溫度場及CO濃度等指標進行分析，結(jié)果表明采用“軌頂及站臺層排煙，站廳層送風(fēng)”煙氣控制模式對控制列車火災(zāi)是行之有效的。

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Stud y on the Sm oke Con tro l M odes fo r the Tra ins on Fire in La rge-Sc a le Unde rg round Sta tion

QIU Shao-hui
China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.,Ltd.

This paper uses the FDSsoftware to simulate the effectof fume-prevention&extraction for the situation of trainson fire in a large-scaleunderground train station,which adopts the“extracting smoke from the track leveland the platform level,and supplying fresh air through station hall”smoke controlmodel.According to simulation results of smoke spread process,visibility,temperature field and CO concentration on the platform,it is believed that this kind of fume-prevention&extractionmodel iseffective to fire control in underground train station.

large-scaleunderground station,trainson fire,smoke controlmodes,effectof fume-prevention&extraction

1003-0344（2014）03-063-4

2013-5-26

邱少輝（1982～），男，碩士，工程師；中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司城建院暖通所（430063）；E-mail:tsyqsh@163.com