冷小秋　雷　波

地鐵軌行區(qū)雙向排煙方式數(shù)值模擬研究

冷小秋雷波

（西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院 成都 610031）

針對軌行區(qū)列車火災(zāi)的煙氣控制問題，提出了一種利用隧道風(fēng)機進行雙向排煙的方式。根據(jù)典型屏蔽門制式地鐵車站結(jié)構(gòu)建立無軌頂風(fēng)道的車站三維模型，采用數(shù)值模擬方法對該排煙方式下的煙氣擴散規(guī)律進行研究，分析了不同排煙量下站臺人員高度處煙氣溫度、CO濃度以及能見度的分布情況，給出了不同車站隧道橫截面積下滿足人員安全疏散條件時的隧道口最小排煙量。

地鐵；軌行區(qū)列車火災(zāi)；雙向排煙；數(shù)值模擬

0 引言

國內(nèi)屏蔽門制式地鐵站普遍采用軌頂風(fēng)道進行通風(fēng)排煙，在工程實施過程中，軌頂風(fēng)道存在著建設(shè)工期長、施工難度大以及安全性等問題，從節(jié)能、經(jīng)濟和縮短工期角度出發(fā)，研究軌行區(qū)（車站隧道）通風(fēng)及防排煙對地鐵工程建設(shè)具有重要意義。

目前對于取消地鐵軌頂風(fēng)道的研究相對較少。華正博、曹建等人分別采用一維和三維數(shù)值計算方法對成都、哈爾濱地鐵站無軌頂風(fēng)道時通風(fēng)排熱效果進行研究，結(jié)果表明采用活塞風(fēng)井或機械通風(fēng)方式足以達到理想的排熱效果[1,2]。事實上，深圳、西安、重慶、成都等城市部門相繼意識到軌道排風(fēng)系統(tǒng)的能耗問題，將軌道排風(fēng)系統(tǒng)長期停運[3]，國內(nèi)已運營的軌道交通狀況表明在空調(diào)季關(guān)閉軌頂排熱風(fēng)機也能滿足隧道內(nèi)的溫度要求[4-6]；對于無軌頂風(fēng)道時的排煙問題，朱躍采用數(shù)值模擬方法對成都某地鐵站無軌頂風(fēng)道時軌行區(qū)列車火災(zāi)排煙進行模擬研究，將軌行區(qū)納入站臺排煙系統(tǒng)中，采用隧道和站臺聯(lián)合排煙模式，提出加密站臺火災(zāi)區(qū)的排煙量為最有效的排煙模式，當站臺排煙量設(shè)置為35m3/s且對中部排煙口加密處理后在較小的隧道口排風(fēng)量下即可滿足站臺疏散環(huán)境的要求[7]。

本文針對軌行區(qū)列車火災(zāi)的煙氣控制問題，提出了一種利用隧道風(fēng)機進行雙向排煙的方式。根據(jù)典型側(cè)式地鐵車站的一般結(jié)構(gòu)，建立了無軌頂風(fēng)道車站的簡化三維模型，火災(zāi)發(fā)生時開啟隧道風(fēng)機雙向排煙，并關(guān)閉離火源最近三扇屏蔽門。利用數(shù)值模擬方法對該排煙方式下煙氣蔓延規(guī)律進行了研究，分析了不同隧道口排煙量下站臺人員高度處煙氣溫度、CO濃度以及能見度的分布情況，根據(jù)人員疏散安全性標準給出了不同軌行區(qū)斷面下的隧道口設(shè)計最小排煙量。

1 計算模型與方法

1.1 模型建立

本文采用三維火災(zāi)數(shù)值模擬軟件FDS(Fire Dynamic Simulator)進行計算，根據(jù)國內(nèi)既有工程建立簡化車站模型，模型如圖2所示。研究對象為典型地下二層側(cè)式車站，地下一層為站廳層，地下二層由軌道兩側(cè)站臺公共區(qū)、軌行區(qū)以及兩端設(shè)備管理用房組成，站臺通過兩部扶梯與站廳連接，樓梯開口部位設(shè)有擋煙垂壁，下緣延伸至吊頂500mm。站臺中間設(shè)置單洞雙線隧道，兩條隧道中間有隔墻隔開，原有的軌頂風(fēng)道被取消后軌行區(qū)斷面增大，上部煙氣容納高度增加1m左右，圖1為簡化車站中部剖面圖。隧道通風(fēng)排煙系統(tǒng)直接對起火隧道進行排煙和氣流組織，未起火隧道不受煙氣影響。

圖1 側(cè)式車站中部剖面圖

圖2 車站物理模型

為了簡化計算，本文只選取車站著火側(cè)進行模擬研究，并對模型作以下基本假設(shè)：

（1）車站隧道橫截面積一致，不考慮隧道內(nèi)的坡度與彎曲。

（2）列車采用地鐵B型車，列車長117.6m，列車斷面積10.64m2，斷面周長13.2m。

（3）站臺、站廳以及管理用房等簡化為長方體。

1.2 模擬參數(shù)設(shè)置

（1）火源設(shè)定

根據(jù)以往火災(zāi)事故案例分析；人為縱火和列車電氣設(shè)備故障造成電氣短路火災(zāi)發(fā)生概率較高，火災(zāi)發(fā)生主要集中在地鐵車廂和地鐵站臺。本文考慮停靠站臺列車發(fā)生火災(zāi)，定義火源為面火源，最大火災(zāi)強度為7.5MW，火災(zāi)功率曲線按超快速火考慮，200s達到火源峰值。

（2）網(wǎng)格劃分

式中：為火源功率，kW；∞為空氣密度，kg/m3；∞為空氣比熱容，kJ·kg-1K-1；∞為環(huán)境溫度，K；為重力加速度，m/s2。

（3）邊界條件

站廳層有四個出入口，設(shè)置為自由邊界，車站隧道端口設(shè)置為流量出口（排煙量）。環(huán)境與土壤層取恒溫25℃，隧道站臺主體結(jié)構(gòu)均采用混凝土材料。根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，當?shù)叵萝囌景l(fā)生火災(zāi)時，應(yīng)保證站廳到站臺樓梯口處具有不小于1.5m/s的向下氣流[11]。

2 評價標準及模擬工況

2.1 人員安全性標準

當列車發(fā)生火災(zāi)時，煙氣是造成人員傷亡的主要因素，主要表現(xiàn)為煙氣的熱作用和毒性，影響人員的安全疏散主要因素有：煙氣的溫度、CO濃度、人員可見度。國內(nèi)外對于地鐵火災(zāi)人員安全性已有相關(guān)規(guī)定，本文參考NFPA 130、PIARC、《地鐵設(shè)計防火標準》等[12,13]，制定疏散時間6min內(nèi)人員生命安全評估準則如下：（1）火源距離30m外疏散通道人員高度處的最高溫度不超過60℃；（2）人員高度處CO濃度不超過1150ppm；（3）逃生通道內(nèi)安全高度以上最高溫度不超過180℃；（4）人員高度處的煙氣能見度不低于10m。

2.2 模擬工況

隨著地鐵運營速度的提高，空氣流動受隧道及車體的限制以及空氣的壓縮性，導(dǎo)致隧道內(nèi)空氣壓力劇烈變化，由此引發(fā)一系列問題，工程上往往采取加大隧道橫截面積來減小隧道壓力波。以往地鐵列車速度多為60～100km/h，隧道空氣動力學(xué)效應(yīng)不明顯，綜合國內(nèi)車站建筑限界，取消軌頂風(fēng)道后軌行區(qū)矩形斷面設(shè)置為3.65×5.6m（A斷面），當列車運行速度達到120km/h時，軌行區(qū)斷面為4m×6m（B斷面），當列車速度達到140km/h時，軌行區(qū)斷面為4.6m×6.6m（C斷面）。本文針對以上三種軌行區(qū)斷面進行模擬計算，由模擬結(jié)果可知火災(zāi)發(fā)生后屏蔽門全開時，煙氣主要通過火源附近屏蔽門進入站臺，此時兩端隧道口必要排煙量大于60m3/s，因此本文考慮火災(zāi)發(fā)生后關(guān)閉離火源最近的三扇屏蔽門，其余屏蔽門打開，單側(cè)隧道口排煙量設(shè)置范圍為20～40m3/s。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 最不利著火位置

軌行區(qū)防排煙系統(tǒng)需實現(xiàn)各火災(zāi)工況下煙氣的有效控制，為人員提供安全的疏散條件。列車火災(zāi)一般有三種情況：（1）列車車廂內(nèi)飾、乘客行李發(fā)生火災(zāi)；（2）列車頂部的電氣設(shè)備發(fā)生火災(zāi)；（3）列車底部構(gòu)件發(fā)生火災(zāi)。本文對以上三種情況進行模擬，通過計算結(jié)果對比確定最不利火災(zāi)位置。在相同的火災(zāi)規(guī)模和煙氣控制策略下，各火災(zāi)工況下煙氣分布情況如圖3所示。

由圖3可見不同著火位置下煙氣的控制效果不同。列車外部、車廂端部火災(zāi)時產(chǎn)生煙氣基本被控制在軌行區(qū)范圍，疏散時間內(nèi)無煙氣擴散至站臺，而車廂中部發(fā)生火災(zāi)時，產(chǎn)生煙氣填充了整個車廂和軌行區(qū)，同時有較多煙氣蔓延至站臺中部區(qū)域，煙控效果較差，不利于人員的安全疏散；從火災(zāi)發(fā)生位置來講，火源位于列車外部時，車廂內(nèi)無煙氣填充，車內(nèi)人員可就近疏散至站臺；火源位于車廂端部時，煙氣集中在著火端，乘客可從未著火側(cè)進行疏散，疏散通道較為安全；當火源位于車廂中部時，車廂內(nèi)濃煙給人員逃生造成一定的影響，乘客需從火源兩側(cè)進行逃離，所需安全疏散時間較長。綜上所述，列車車廂中部為最不利火災(zāi)位置，下文均采用此著火位置進行模擬計算。

圖3 不同火災(zāi)工況下煙氣分布范圍

3.2 煙氣擴散過程

為了分析列車火災(zāi)煙氣擴散的一般規(guī)律，選取A斷面進行分析，當車站隧道口排煙量為20m3/s時計算得到火災(zāi)發(fā)生360s內(nèi)煙氣分布和溫度分布如圖4～圖6所示。

圖4中火災(zāi)發(fā)生初期煙氣生成量較少，在熱壓作用下煙氣上升至車廂和車站隧道頂部并形成頂棚射流向兩端緩慢擴散，隨著火源功率加大，煙氣產(chǎn)生量逐漸增加，擴散速度加快，火源附近關(guān)閉的屏蔽門阻礙了煙氣快速進入站臺，至90s時車廂內(nèi)煙氣蔓延至火源兩側(cè)開啟的屏蔽門處，部分煙氣通過屏蔽門開始涌入站臺，車廂內(nèi)煙氣蔓延速度減慢；至180s時軌行區(qū)內(nèi)煙氣已擴散至隧道兩端，進入站臺區(qū)的煙氣覆蓋了整個中部區(qū)域，有少量煙氣由于負壓的作用被抽入軌行區(qū)，此時站臺煙氣濃度較?。?00s時火源燃燒達到穩(wěn)定，煙氣產(chǎn)生量大大增加，站臺內(nèi)煙氣濃度逐漸升高；至360s時站臺煙氣呈現(xiàn)明顯的分區(qū)分布，中部區(qū)域煙氣濃度較大，在樓梯口向下氣流和土建結(jié)構(gòu)的阻擋作用下無煙氣蔓延至站臺兩端和站廳層。

圖4 360s內(nèi)煙氣分布情況

圖5為站臺區(qū)域Y=-2m截面溫度分布情況。從圖中可以看出120s時煙氣從火源兩側(cè)開啟屏蔽門涌入站臺，在熱壓作用下迅速上升至近頂棚區(qū)域并逐漸向中部擴散；180s時高溫?zé)煔赓N附頂棚占據(jù)了整個站臺中部，頂部形成明顯的溫度分層，此時煙氣層均保持在2m以上區(qū)域，溫度最高達到40℃左右；270s時火源功率已經(jīng)到達最大值，頂部溫度層厚度增加，從兩側(cè)蔓延至站臺中間的熱煙氣層首先下降至人員高度，溫度最高達55℃；360s時煙氣層下降至安全高度以下，站臺中部區(qū)域溫度進一步升高，對人員逃生造成一定的影響。

圖5 360s內(nèi)站臺Y=-2截面縱向溫度分布

圖6給出了360s內(nèi)站臺頂棚溫度分布情況。從圖6中可見各時刻頂棚溫度分布情況較為類似，站臺中部頂棚溫度隨時間呈M型變化，由于煙氣蔓延過程中不斷卷吸周圍冷空氣，兩側(cè)進煙屏蔽門附近頂部溫度最高，中間溫度相對較低，360s內(nèi)頂棚溫度最高不超過60℃，遠遠小于安全標準180℃，不會對人員造成輻射灼傷。

圖6 站臺頂棚溫度分布

3.3 人員安全性分析

為了便于各參數(shù)的對比分析，不同通風(fēng)條件下站臺測點設(shè)置位置均相同，360s時站臺區(qū)域Y=-2.4m截面上1.8m高度處各煙氣參數(shù)分布情況如圖7~圖9所示。

由圖7和圖8可見，在隧道風(fēng)機雙向排煙方式下站臺兩端無煙氣蔓延，溫度均保持在25℃左右，中部區(qū)域人員高度處溫度和CO濃度較高。隨著隧道口排煙量的增加，隧道內(nèi)負壓增大使得進入站臺煙氣量減少，站臺中部溫度、CO濃度均有所減小。兩樓梯附近溫度高于站臺中間溫度，當隧道口排煙量為20～24m3/s時，人員高度處溫度最高不超過45℃，CO濃度變化規(guī)律與溫度相似，最高達60ppm；當隧道口排煙量增加至26～30m3/s時，站臺中部人員高度處溫度在30℃左右波動，CO濃度低于20ppm，各隧道口排煙量下人員高度處溫度和CO濃度均處于安全范圍內(nèi)。

圖9中隨著隧道口排煙量的加大，站臺中部下降至安全高度處的煙氣量越少，煙氣流動較不穩(wěn)定，能見度波動幅度大。當隧道口排煙量為26～30m3/s時站臺區(qū)域能見度基本保持10m以上，當隧道口排煙量為20～24m3/s時站臺中部區(qū)域能見度均低于10m，會對疏散人群造成一定的影響。從以上分析可知，火源功率一定時能見度成為人員安全疏散的關(guān)鍵性因素，當隧道口排煙量增加至26m3/s時，站臺各參數(shù)均滿足人員安全疏散條件，A斷面軌行區(qū)隧道口最小排煙量為26m3/s。

圖7 A斷面下站臺人員高度處溫度分布

圖8 A斷面下站臺人員高度處CO濃度分布

圖9 A斷面下站臺人員高度處能見度分布

3.4 無軌頂風(fēng)道排煙設(shè)計建議

前文選取A斷面進行結(jié)果分析，計算結(jié)果表明列車發(fā)生火災(zāi)時采用隧道風(fēng)機雙向排煙是可行的。根據(jù)模擬結(jié)果得到不同軌行區(qū)斷面所對應(yīng)的隧道口最小排煙量如表1所示。

表1 不同軌行區(qū)斷面下隧道口最小排煙量

從上表可以看出，不同軌行區(qū)斷面下較小隧道口排煙量即可達到人員安全疏散要求，為了滿足《地鐵防火設(shè)計規(guī)范》中的樓梯口向下風(fēng)速要求，三種斷面下的隧道口最小排煙量均為28m3/s。為了獲得隧道口必要排煙量，可以選取合適的隧道風(fēng)機，也可以考慮開啟與火災(zāi)站臺相鄰車站的隧道風(fēng)機進行輔助排煙。

4 結(jié)論

（1）針對無軌頂風(fēng)道時軌行區(qū)列車火災(zāi)，采用隧道風(fēng)機雙向排煙方式，并同時關(guān)閉離火源最近三扇屏蔽門，當兩端隧道口排煙量達到一定值時，可以有效地控制軌行區(qū)和站臺煙氣的擴散。

（2）為滿足人員疏散安全性要求，不同軌行區(qū)斷面對應(yīng)的隧道口最小排煙量范圍為20m3/s~26m3/s；在保證樓梯口1.5m/s的向下風(fēng)速的條件下，B型列車火災(zāi)時三種軌行區(qū)斷面單側(cè)隧道口排煙量不宜小于28m3/s。

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Numerical Analysis on Bilateral Smoke Exhaustin Metro Track Area

LengXiaoqiu Lei Bo

(School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031)

Aiming at the problem of smoke control , a bilateral smoke exhaust method for tunnel ventilation fan is purposed. Establish the three-dimensional model of the metro station with no OTE system according to the structure of typical underground railway station with PSD. Study the smoke diffusion law by means of numerical simulation method, analysis the distribution of temperature, CO concentration and visibility at the height of the people at different tunnel outlets, give the design minimum smoke emission of the tunnel opening to meet the safety evacuation conditions of different station tunnels.

subway; train fire in metro track; a bilateral smoke extraction mode; numerical simulation

U231+.96

A

1671-6612（2019）03-235-05

冷小秋（1993.09-），女，在讀碩士研究生，E-mail：lengxq2019@163.com。

雷波（1961.05-），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：leibo@home.swjtu.edu.cn

2019-03-26