朱培根 程立杰 何志康 陳 雷 趙振江

地鐵火災工況排煙模擬與實驗研究

朱培根1程立杰1何志康2陳 雷1趙振江2

1解放軍理工大學國防工程學院
2南京地鐵運營有限責任公司

本文以南京地鐵一號線南延線通風系統(tǒng)為研究對象，采用清華大學開發(fā)的地鐵熱環(huán)境模擬分析軟件STESS進行通風模擬，結(jié)合實際的數(shù)據(jù)測量，對安全門地鐵火災工況下排煙模擬進行了研究。結(jié)果認為，在帶有安全門的站臺發(fā)生火災的時候，通過開啟4臺TVF風機，可以保證連接口處的速度到大于1.5m/s，滿足人員逃生的風速要求；在區(qū)間隧道發(fā)生火災時，通過隧道兩邊站臺各開啟4臺TVF風機進行送風排煙，可以保證隧道斷面風速大于2m/s，滿足人員逃生的風速要求。

安全門地鐵火災通風排煙

隨著城市地鐵的迅速發(fā)展，地鐵安全問題愈來愈引起人們的重視。地鐵火災與地面建筑或者其他地下建筑火災相比，有它的特殊性質(zhì)，它與外界的聯(lián)系主要為出入口，人員密集，排熱困難，因此與地面火災相比具有更大的危險性[1]。地鐵火災中所引起的危害主要是熱量、煙氣和缺氧這三種因素作用的結(jié)果，而煙氣對人員的不利影響是造成人員傷亡的主要原因[2]。因此，地鐵排煙系統(tǒng)在地鐵火災中對于人員的安全逃生起著重要的作用。地鐵火災事故通常有兩種：車站火災和區(qū)間隧道火災。當列車在站臺軌行區(qū)著火時，車廂內(nèi)乘客能夠逃出列車向站廳逃生，因此按車站發(fā)生事故來通風，為保證人員的安全疏散，要求站廳與站臺連接口斷面風速不小于1.5m/s；當列車在區(qū)間隧道內(nèi)著火時，通風系統(tǒng)需向火災區(qū)間提供一定送、排風量，以排除火災區(qū)域的煙氣，為保證人員的安全疏散，要求區(qū)間隧道斷面風速不小于2m/s。本文以南京地鐵一號線南延線通風系統(tǒng)為研究對象，采用清華大學開發(fā)的地鐵熱環(huán)境模擬分析軟件STESS，對列車在站臺軌行區(qū)著火和列車在區(qū)間隧道著火進行了通風排煙模擬，同時進行模擬火災工況下實際風速數(shù)據(jù)測量，對地鐵內(nèi)部列車發(fā)生火災時安全通風排煙進行研究。

1 土建情況

南京地鐵一號線南延線（以下簡稱南延線）于2010年5月正式通車，由一號線安德門站向南延伸至東山新市區(qū)，經(jīng)過南京南站，穿越雨花區(qū)和江寧區(qū)，止于中國藥科大學站。全線長25.08公里，共有車站15座，其中地下站8座，地下站臺間平均距離為1439m，雙龍大道站至南京南站間距2290m，為南延線地下線最長；勝太路站至河定橋站間距905m，為南延線地下線最短；本文主要對地下車站及其區(qū)間隧道的火災工況的通風進行研究。南延線地下車站工程路線示意圖見圖1。

圖1 南延線地下車站工程路線示意圖

2 STESS軟件簡介

STESS（Subway Thermal Environment Simulation Software）是由清華大學研究開發(fā)的地鐵熱環(huán)境模擬分析軟件，整個軟件包由圖形化輸入界面，核心計算程序及后處理程序構(gòu)成，輸入輸出全部圖形方式，整個軟件包運行簡便、直觀。STESS已先后用于北京4號線、5號線、10號線、上海、廣州、天津、大連、深圳、南京、武漢等地鐵線路的方案論證和優(yōu)選。朱培根教授運用地鐵熱環(huán)境模擬軟件（STESS），對我國南方某城市地鐵在不同環(huán)控運行模式下的不同位置（隧道和站臺）的風速、風量、壓力、溫度長期（逐月）和短期（逐時）的變化情況、車站環(huán)控負荷及全年環(huán)控能耗進行模擬與預測[3]。韓平借助地鐵熱環(huán)境動態(tài)模擬仿真軟件STESS，對地鐵全線的模擬和分析，確定地鐵長區(qū)間事故工況的通風方案、運行模式，驗證STESS軟件在隧道防災通風系統(tǒng)模擬分析中的適用性[4]。

3 通風模擬與數(shù)據(jù)測量

3.1 站臺火災的通風模擬與數(shù)據(jù)測量

一般情況下，站臺區(qū)候車和上下車的乘客密度最高，而站臺的宅間又相對狹小，離車站的出入口距離最遠，因此在車站公共區(qū)中其疏散條件最差，因此，列車在站臺軌行區(qū)發(fā)生火災時，保證送風量能阻止煙氣的蔓延、控制煙氣的流向，使乘客感受到新鮮的氣流并引導乘客疏散，盡快到達安全區(qū)域[5]。

南京地鐵一號線南延線典型的站臺每個站臺兩端各有2臺TVF風機（可逆轉(zhuǎn)耐高溫軸流風機），分別為送風機與排風機。2臺風機可以并聯(lián)到同側(cè)運行。在火災工況下，TVF風機通過閥門并到著火列車所在隧道一端，同時送風機逆轉(zhuǎn)，排風機正轉(zhuǎn)，表冷器旁通風閥打開，新風閥和排風閥完全打開，迂回風道卷簾門關閉，與站廳站臺結(jié)合處的排煙防火閥全部打開，利于煙氣的排放。地鐵站臺一側(cè)的通風管路圖如圖2所示。

圖2 站臺通風管路圖

當列車在站臺軌行區(qū)著火時，車廂內(nèi)乘客逃出列車向站廳逃生，因此按車站發(fā)生事故來通風，按照地鐵設計規(guī)范(GB50157-2003)，站廳與站臺連接口斷面風速不小于1.5m/s，只考慮同一時間只有一個事故點，當火災事故發(fā)生時，車站兩端豎井內(nèi)的TVF風機開啟，并均向外排風，使站臺形成負壓，新風從車站出入口進入，與人員逃生方向相反。站臺火災風機開啟示意圖如圖3所示。

圖3 站臺事故模式風機開啟示意圖

選取勝太路站位研究對象，勝太路站為島式站臺，共3個人員出入口，2個站臺和站廳連接口，其中一個迂回風道電動卷簾門因故障原因不能關閉。通過該站站臺、站廳、隧道及出入口等物理構(gòu)造的數(shù)據(jù)收集與整理，通過STESS建立該站臺模型，設置不同的風機運行臺數(shù)和不同的風機運行參數(shù)進行模擬，模擬不同通風工況下站臺各處的風速和風量分布情況。通過模擬可知，在火災工況下，通過4臺TVF風機以最大風量65m3/s進行送風，可以滿足連接口處的風速達到1.5m/s以上，方向與人員逃生的方向相反，滿足人員逃生時的風速要求。風速模擬數(shù)據(jù)見圖4。從圖4可知，2個連接口模擬斷面風速均大于1.5m/s，方向與人員逃生方向相反，符合規(guī)范要求。

圖4 站臺事故工況排風風速模擬結(jié)果（m/s）

按照模擬的通風工況，對勝太路進行實際的數(shù)據(jù)測量。勝太路站有列車?？浚熊囃？吭谏闲姓九_處。事故工況時開啟該站4臺區(qū)間事故風機，風機為排風模式，實際測量時采用風機最大風量65m3/s。風速實測結(jié)果見圖5。

圖5 站臺事故工況排風風速實測結(jié)果（m/s）

將實際測量的數(shù)據(jù)和模擬的數(shù)據(jù)相比較，可以發(fā)現(xiàn)兩者之間相差不大，模擬的數(shù)據(jù)和實際測量的數(shù)據(jù)基本是一致的。通過模擬和實際數(shù)據(jù)的測量可知，站臺發(fā)生火災時候，通過4臺TVF風機以最大風量進行排風，站廳與站臺連接口斷面風速大于1.5m/s，可以滿足人員逃生時的風速要求。

3.2 區(qū)間隧道火災的通風模擬與數(shù)據(jù)測量

當列車在區(qū)間隧道內(nèi)著火時，《地鐵設計規(guī)范》（GB50157-2003）要求司機盡量駛出隧道進入前方車站，此時的通風模式按站臺火災模式來運行；倘若列車無法駛?cè)肭胺杰囌径黄韧？吭趨^(qū)間隧道內(nèi)，此時的通風模式按區(qū)間隧道火災模式來運行[6]。

在區(qū)間隧道火災模式下，通風系統(tǒng)需向火災區(qū)間提供一定送、排風量，以排除火災區(qū)域的煙氣，利于人員逃生。在火災工況時，按照地鐵設計規(guī)范（GB50157-2003），區(qū)間隧道斷面風速應不小于2m/s，只考慮同一時間只有一個事故點。當阻塞事故發(fā)生時，事故列車的前方及后方車站連接事故隧道的通風機開啟，其中一個站臺TVF風機排風，另一個站臺TVF風機送風，迂回風道關閉，以提供足夠的風量給事故隧道。

取百家湖站至勝太路站區(qū)間隧道為研究對象，假設列車阻塞在上行線距百家湖站500米處，列車著火點距離列車頭部的距離不大于其距列車尾部的距離。百家湖站開啟4臺區(qū)間事故風機，風機為送風模式，迂回風道電動卷簾門全部關閉；勝太路站開啟4臺區(qū)間事故風機，風機為排風模式，迂回風道電動卷簾門全部關閉。在現(xiàn)場驗證時，勝太路站和百家湖站迂回風道各有1個電動卷簾門因故障不能關閉。風機開啟示意圖如圖6。圖中箭頭方向代表風的流動方向。

圖6 區(qū)間隧道事故模式風機開啟示意圖

通過區(qū)間隧道物理構(gòu)造數(shù)據(jù)的收集與整理，通過STESS建立合理的隧道模型，通過設置不同的風機運行臺數(shù)和不同的風機運行參數(shù)進行模擬，模擬不同通風工況下區(qū)間隧道內(nèi)的風速和風量情況。通過模擬可知，在火災工況下，通過8臺TVF風機的送風，可以滿足區(qū)間隧道斷面風速應不小于2m/s，方向與人員逃生的方向相反，滿足人員逃生時的風速要求。風速模擬數(shù)據(jù)見圖7。從圖7可知，隧道斷面s11風速大于2m/s，方向與人員逃生方向相反，符合規(guī)范要求。

圖7 區(qū)站間隧道事故工況風速模擬結(jié)果（m/s）

按照模擬的通風工況，進行實際的數(shù)據(jù)測量。測量的站臺為百家湖站至勝太路站，假設列車阻塞在上行線距百家湖站500米處。百家湖站至勝太路站區(qū)間隧道事故工況共開啟8臺區(qū)間事故風機，百家湖站4臺TVF風機均為送風模式，勝太路站4臺TVF風機均為排風模式，人員逃生方向朝向百家湖地鐵站，實際測量時采用風機最大風量65m3/s。風速實測見圖8。從圖8可知，斷面s11風速大于2m/s，方向與逃生方向相反，符合規(guī)范要求。

圖8 區(qū)間隧道事故工況通風風速實測結(jié)果（m/s）

同時將實際測量的數(shù)據(jù)和模擬的數(shù)據(jù)相比較，可以發(fā)現(xiàn)兩者之間相差不大，模擬的數(shù)據(jù)和實際測量的數(shù)據(jù)基本是一致的。通過模擬和實際數(shù)據(jù)的測量可知，區(qū)間發(fā)生火災時候，通過相鄰站臺每個站臺4臺TVF風機以最大風量進行排風，隧道內(nèi)的風速大于2m/s，方向與逃生方向相反，可以滿足人員逃生時的風速要求。

4 結(jié)論

借助地鐵熱環(huán)境動態(tài)模擬仿真軟件STESS，通過對地鐵站臺與隧道火災工況的模擬，為確定地鐵火災通風方案提供了依據(jù)。通過計算機模擬，可以直觀明確地知道不同火災模式下，不同排煙工況時隧道內(nèi)不同點的風速與風量。在模擬過程中，設置不同的排煙工況，如設置風機的運行臺數(shù)，設置風機的運行參數(shù)，可以通過模擬得到不同排煙工況下站臺和隧道里面的風速風量的情況，從中選擇合理的通風方案進行實際數(shù)據(jù)的測量。

從上面模擬與實際測量的結(jié)果可知，列車在站臺發(fā)生火災的時候，可以通過開啟4臺TVF風機通風，每臺TVF風機風量為65m3/s，連接口處風速可以滿足人員逃生要求；列車在區(qū)間隧道發(fā)生火災時，通過相鄰2個站臺每個站臺4臺TVF通風排煙，每臺TVF風機送風風量為65m3/s，隧道內(nèi)的風速滿足人員逃生要求。

[1]馮煉,劉應清.地鐵火災煙氣控制的數(shù)值模擬[J].地下空間, 2002,22(1):61-64

[2]Ran Gao,Angui Li,Xinpeng Hao,et al.Prediction of the spread of smoke in a huge transit terminal subwaystation under six different fire scenarios[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2012,31:128-138

[3]朱培根,朱穎心,李曉峰.地鐵通風與熱模擬方案及其分析[J].流體機械,2004,32(11):39-42

[4]韓平.STESS軟件在地鐵特長區(qū)間事故模擬中的應用研究[J].鐵道標準設計,2008,(4):100-101

[5]梁暉.地鐵火災防排煙設計探討[J].中國安全生產(chǎn)科學技術(shù), 2010,6(6):119-122

[6]朱常琳,高明亮.地鐵區(qū)間隧道火災人員疏散的微環(huán)境的數(shù)值分析[J].建筑科學，2011,27(12):104-108

Sm oke Extra c tion Sim ula tion a nd Expe rim e nta l Inve s tiga tion of Me tro in Fire Conditions

ZHU Pei-gen1,CHENG Li-jie1,HE Zhi-kang2,CHEN Lei1,ZHAO Zhen-jiang2
1 College of Defense Engineering,PLA University of Science and Technology 2 Nanjing Metro Operation Co.Ltd.

This paper carries on a simulation to the ventilation system of Nanjing Metro Line 1 South Extension,using the software named STESS which is developed by Tsinghua University for the simulation and analysis of Subway thermal environment，combined with the actual data measurement,researches smoke extraction simulation under subway fire conditions in security door.The results show that when there is fire on subway platform with security doors,opening 4 TVF fans can guarantee that the speed of wind at the connection port is greater than 1.5m/s which meets requirements of safety evacuation;When there is fire in the tunnel,open 4 TVF fans on both sides of the tunnel can guarantee that speed of wind speeding tunnel is greater than 2m/s which meets requirements of safety evacuation.

security doors,subway fire,ventilation for smoke exhaustion

1003-0344（2014）04-074-4

2013-5-21

朱培根（1964～），男，博士，教授；解放軍理工大學防護工程學院軍事環(huán)境研究中心（210007）；E-mail:Zhupeigen0713@163.com