带屏蔽门系统地铁车站火灾烟气控制模式研究

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摘 要：现代化的地铁车站出于乘客安全的考虑，屏蔽门系统被越来越多的引入。但是，屏蔽门系统对气流有较大的扰动，会对烟气流动规律产生一定影响，因此带屏蔽门系统的地铁车站沿用老式地铁车站的排烟应急模式势必存在一些问题。以地铁车站站台层公共区火灾为研究基础，运用理论分析和数值模拟相结合的方法，对带屏蔽门系统地铁车站烟气蔓延规律进行分析，对不同排烟方案进行对比，找出相对优势的排烟模式，希望对实际工程提供实用参考和宝贵建议。

关键词：屏蔽门系统 地铁火灾 排烟模式 数值模拟

中图分类号：U231.4 文献标识码：A 文章编号：1007—3973（2012）009—013—04

1 引言

由于地铁的快捷便利、乘坐舒适，越来越多的人在出行时选择了地铁。但是由于地铁运输量大，乘客众多，由于拥挤和其他因素造成乘客在站台候车时掉下停车轨道从而导致严重的伤亡事故屡见不鲜。据上海日报报道：上海地铁自1995年开通以来，截止2004年5月13日，已经有超过66人跳轨自杀，只有18人侥幸获救。

此类事件在国内外其他城市的地铁车站也时有发生，因此引起了国内外专家学者的高度重视。很多国家都采用了屏蔽门系统，如伦敦、新加坡、吉隆坡、曼谷等地铁，并且取得了良好的运行效果。国内由于受到乘客落轨等地铁事故的巨大冲击，国家有关部委也鼓励安装地铁屏蔽门系统。至今，屏蔽门系统被许多城市地铁采用，例如广州、深圳、上海、北京等地铁。其他在建和拟建的地铁也有意采用屏蔽门系统的设计理念。

但是，地铁车站在引入屏蔽门系统的同时，也带来了新的防排烟问题。在老式地铁车站，由于站台层公共区和轨道区域没有明显的阻隔，可以将两个区域作为一个防排烟分区来处理。当站台层公共区发生火灾时，可以通过开启轨道排烟系统甚至在必要时开启区间隧道排烟风机来辅助内部排烟的方式使地铁车站内连接站台和站厅楼梯开口处形成一定的正压，以满足规范中规定的1.5m/s向下气流的要求，抑制烟气进入楼梯，保证人员安全疏散。但是，当地铁车站设置屏蔽门系统情况下，站台层公共区和轨道产生了隔断，若仅仅依靠公共区排烟量无法满足1.5m/s向下气流的要求，而开启外部排烟系统辅助排烟的方式的烟气蔓延规律可能会受到屏蔽门系统的影响，因此本文通过多种方案的数值模拟，分析各种方案的烟气蔓延情况、温度分布情况和楼梯处风速来得出一种相对优势的排烟模式，找出一种适应此类地铁车站的防排烟应急方案。

2 研究的基础车站模型

2.1 车站模型情况

（1）车站空间

本车站为双层非换乘车站，车站地下一层为站厅层兼设备层，地下二层为岛式站台层。站台宽度为12m，有效站台长度为120m，在站台和站厅层中间设有800mm？00mm的支撑立柱，站台层高度为4.3m。

（2）疏散通道

站台与站厅层之间通过两组扶梯和两组步行楼梯连接，其开口连通部位的净空尺寸为5000mm？000mm，开口总面积为40m3。

（3）屏蔽门

车站沿站台边缘设有屏蔽门，总高度为3m，其中玻璃部分高度为2.2m，上部0.85m为钢结构，屏蔽门长度为117.72m，屏蔽门的活动门布置为：对应的车头、尾的第一个屏蔽门尺寸为1.6m？.15m，其他屏蔽门为2.0m？.15m。

2.2 车站防排烟系统组成

（1）车站通风排烟大系统

车站内平时设有通风空调，其中排烟风管与平时通风空调回风管合用，公共区排烟风量按照《地铁设计规范》中规定防烟分区1m3（min·m2）设计，为25m3/s，排烟风口利用平时的回风口。公共区送风量为排烟量50%，为12.5m3/s。

（2）区间隧道排烟系统

车站站台层两端设有区间隧道通风系统，配有TVF隧道风机各一台，每台风机风量为60m3/s，该风机既可以用来对区间隧道进行送风亦可逆转作排烟风机，风道静面积为18m3。该风机主要用于隧道平时换气和隧道内事故应急要求。

（3）车站隧道排烟系统

车站隧道通风系统包括轨顶及站台下排烟系统，配有2台车站隧道风机，每台排烟量为30m3/s，排烟和排风合用，轨顶与轨底按照3：2分配风量，即轨顶风量为36m3/s，轨底为24m3/s。

（4）站厅通风排烟系统

站厅层设有送风管和排风管，排烟和排风合用管道。站厅层总排烟量为25m3/s，送风量按照排烟量50%设计，为12.5m3/s。

3 站台层公共区火灾的主要排烟方式

由于车站通风空调系统不负担区间热负荷的排除，仅仅依靠站台层公共区排烟量25m3/s和站厅层12.5m3/s所形成的正压无法满足规范中要求的楼梯通道1.5m/s向下风速的要求。因此在防排烟的设计组织上需要做特殊的考虑。目前，带屏蔽门系统地铁车站排烟应急方案主要有以下两种：

（1）设计上不做特殊处理，发生火灾120s内，关闭所有的空调系统，开启地铁车站站台层公共区两个防烟分区大约25m3/s风量的排烟系统和站厅层风量12.5m3/s的送风系统。同时打开靠近火源一侧的屏蔽门系统，开启站台层轨道系统轨顶和轨底大约60m3/s风量的排烟系统辅助车站内部区域排烟。

（2）设计上不做特殊处理，发生火灾120s内，关闭所有的空调系统，开启站台层公共区域25m3/s风量的排烟系统和站厅层12.5m3/s风量的送风系统。同时打开靠近火源一侧的屏蔽门系统，开启站台层轨道系统轨顶和轨底为60m3/s风量的排烟和2台60m3/s风量的区间隧道TVF风机系统辅助车站内部区域排烟。

此外，由于考虑到屏蔽门系统对烟气流动规律的影响，一些学者也提出了其他一些方案，基本思想都是希望能够找寻一种排烟模式能够消除屏蔽门系统影响，同时加大站台公共区排烟量来保证楼梯走道无烟环境。针对这些方案，笔者经过分析对比，引入方案三：

（3）对车站防排烟设计进行改进，在车站公共区通风系统的排风系统和车站轨道排热系统进人排风道前进行技术处理，使得站台层公共区发生火灾时，排热风机能够共同参与排烟。具体排烟控制方案是发生火灾120s内，关闭所有空调系统，开启改进的站台公共区排烟系统，使排烟量达到轨道排烟系统和原站台公共区排烟系统排烟量总和，为85m3/s。同时开启站厅层12.5m3/s的送风系统。

4 排烟方案数值模拟

本文数值计算采用美国NIST开发的一种场模拟程序FDS，它是一种以火灾中流体运动为主要模拟对象的计算流体动力学软件。

4.1 参数设置

4.1.1 火灾荷载

由于现在许多地铁车站取消了站台层上的书报亭和杂货店，站台公共区内固定可燃物大幅下降，因此公共区域火灾主要是移动荷载。就是考虑旅客携带的行李物品。地铁车站内人员流动性非常大，难以统计所有可燃物的荷载分布，并无可供参考的荷载数值。

英国Building Research Establish出版报告：Design Principles for Smoke Ventilation in Enclosed Shopping Center中统计在人员聚集公共场所规模为2.0～2.5MW。

美国标准技术研究院（NIST）曾对利用泼洒液体燃料进行纵火的情况进行过一系列的试验研究。试验中，对不同条件下将少量液体燃料泼洒到地面上的火灾热释放速率进行了测试，试验中使用的液体燃料包括煤油和汽油等，并且通过利用这些试验的分析方法和试验数据为基础，对地铁站内可能发生的纵火情况做出合理的估计。在试验中采取液体燃料泼洒到不可渗透地面，液体燃料的性质考虑到一般情况取为汽油，燃料体积考虑随身携带的可能性取3000毫升，计算可以得出燃料泼洒面积为2.37m2，泼洒燃料引发的火灾规模可以按照同直径池火的火灾规模1/4计算，可以得到通过液体燃料纵火的情况下的火灾规模约1.74MW。

香港的地铁工程技术人员选用保守火灾规模为2MW，主要根据以下两点：（1）行李着火为主要因素，由乘客的行李手提包引起的火灾；（2）由2MW的火灾发展到轰然阶段的概率很低。因为在大多数由手提箱引起的火灾情况下，没有其他可燃物，火可能会在10—20min后熄灭。

鉴于站台公共区域可燃物的局限，同时考虑人为纵火的可能性，保守取值站台公共区域火灾的热释放速率为2MW，并设置为超快速增长火。

4.1.2 火灾数值模拟假设

火灾发生、发展和熄灭是一个随时间变化的复杂的物理化学过程，其中包括多种可燃物燃烧后烟气的复杂流动及各种形式的传热质。要对所有因素进行考虑是非常困难的，因此大多数学者专家对火灾模型进行了一些简化。为了便于火灾的数值模拟，本文也做了一下一些基本假设与简化：

（1）火灾发生前，隧道内温度和站台内部温度与地铁车站外部空间温度相同；

（2）通风新风与火灾产生的烟气均视为理想气体；

（3）隧道壁干燥无渗透；

（4）忽略一些较小的阻碍物对气流组织的影响和对人员疏散时的扰动；

（5）烟气在隧道内流动过程不再发生二次化学反应；

（6）忽略氧气含量对火源热释放速率的影响。

4.2 计算结果及分析

4.2.1 烟气蔓延情况对比（见图4）

（1）在排烟模式一下，防排烟效果不明显，烟气在站台层不断地向四周扩散，在240s时，烟气层局部高度下降到2.5m以下；在360s时，烟气已经充满了整个站台层公共区域。同时，在在整个模拟时间内，仍然有少量空气通过楼梯走道向站厅层蔓延，图上左端楼梯甚为明显。这是由于在屏蔽门处风压阻力较大，外界排烟量大量损失在区间隧道两端补给的新风上，导致在楼梯走道处无法达到预期的1.5m/s向下气流。

（2）在排烟模式二下，在站台层内部，烟气在横向上的蔓延受到了良好的一致，烟气基本控制在两个楼梯走道中间的局部区域。同时，楼梯走道处也形成了良好的无烟环境，没有烟气蔓延到站厅层。但是，在240s时，可以看出烟气在纵向上下沉较为迅速，局部区域下沉至1.8m以下，这是由于外部排烟系统和屏蔽门开启，烟气被抽出站台层内部区域进入隧道区间的过程中需要绕流过屏蔽门，导致烟气分层现象被破坏，烟气在短时间内迅速下沉。

（3）在排烟模式三下，烟气在防排烟系统开启后得到了很好的控制，站台层烟气没有向四周扩散。在高度上，烟气层都在2.5m以上；在水平上，烟气也被控制在2个楼梯走道之间区域。同时，站厅层也没有烟气进入，楼梯走道保持了良好的疏散环境。

4.2.2 温度分布对比

在计算模拟时，沿站台层中心线，在距离火源—5m、5m处布置了竖向热电偶串，每组热电偶串含8个测点。从图可以看出，起火0～120s内，不同方案排烟控制模式下，在离火源+5m、—5m各个高度热电偶的温度曲线基本重合，这也和各方案在排烟系统未开启前，离火源+5m、—5m各个热电偶的温度是一样的理论完全吻合。起火后240s，三种方案在距离站台层底部2m高度处的温度值都能够保持在40℃左右，在距离站台层底部3m高度处的温度值能够满足小于60℃，可见，开启排烟风机系统能够有效的将站台层的烟气控制在站台层的顶部，为人员的有效疏散创造了一个良好的环境。但是，对比三种方案可以看出，在方案三情况下热电偶串的温度都低于其它两个方案情况下热电偶串的温度，这说明在方案三排烟控制模式下比其他两个方案更有利于火灾烟气的排出和站台层热量的排除，为人员的有效疏散创造更为良好的环境。

5 结论

对以上对三个方案温度分布和烟气蔓延情况分析和对比后可以得出以下几个结论：

（1）方案一即开启站台层排烟和站厅层送风系统，并通过轨道排烟系统辅助的防排烟方式虽然能够在一定程度上控制火灾烟气的蔓延和高于人员安全临界值温度区域的扩展，但是轨道排烟损失较大，导致楼梯走道出入口达不到规范中要求的1.5m/s的向下气流，从而不能完全抑制烟气通过楼梯走道向站厅层蔓延，成为人员安全疏散的主要障碍。

（2）方案二即开启站台层排烟和站厅层送风系统，同时轨道排烟系统和区间隧道排烟系统共同辅助排烟的防排烟方式增大了排烟量，能够满足规范要求的1.5m/s的向下气流，但是在屏蔽门开启初期，由于屏蔽门外部空间排烟量太大，烟气快速越过站台层公共区域的防烟分区流向轨道和区间隧道内，在一定程度上破坏了烟气分层，造成烟气下层速度加快，超过安全临界值温度区域快速扩大，反而不利于人员的安全疏散。同时烟气大量进入区间隧道，扩大了烟气的危害范围，造成了新的不稳定因素。

（3）方案三即开启送风系统，同时站台排烟系统接入轨道排热风机共同排烟的方式不仅满足了楼梯走道规范要求的1.5m/s的向下气流，能够抑制烟气向站厅层蔓延，而且较其他两个方案来说，抑制了高温区域的扩张和烟气层的下降。同时没有扩大烟气的危害范围，只将烟气局限在站台层公共区域内，为人员安全疏散提供了有利环境，同时为灾后应急提供巨大的便利。

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