地鐵火災(zāi)工況排煙模擬與實(shí)驗(yàn)研究

朱培根 程立杰 何志康 陳 雷 趙振江

地鐵火災(zāi)工況排煙模擬與實(shí)驗(yàn)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(xué)國防工程學(xué)院
2南京地鐵運(yùn)營有限責(zé)任公司

本文以南京地鐵一號(hào)線南延線通風(fēng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用清華大學(xué)開發(fā)的地鐵熱環(huán)境模擬分析軟件STESS進(jìn)行通風(fēng)模擬，結(jié)合實(shí)際的數(shù)據(jù)測(cè)量，對(duì)安全門地鐵火災(zāi)工況下排煙模擬進(jìn)行了研究。結(jié)果認(rèn)為，在帶有安全門的站臺(tái)發(fā)生火災(zāi)的時(shí)候，通過開啟4臺(tái)TVF風(fēng)機(jī)，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(fēng)速要求；在區(qū)間隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，通過隧道兩邊站臺(tái)各開啟4臺(tái)TVF風(fēng)機(jī)進(jìn)行送風(fēng)排煙，可以保證隧道斷面風(fēng)速大于2m/s，滿足人員逃生的風(fēng)速要求。

安全門地鐵火災(zāi)通風(fēng)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(zāi)與地面建筑或者其他地下建筑火災(zāi)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(zāi)相比具有更大的危險(xiǎn)性[1]。地鐵火災(zāi)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(duì)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(zāi)中對(duì)于人員的安全逃生起著重要的作用。地鐵火災(zāi)事故通常有兩種：車站火災(zāi)和區(qū)間隧道火災(zāi)。當(dāng)列車在站臺(tái)軌行區(qū)著火時(shí)，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(fēng)，為保證人員的安全疏散，要求站廳與站臺(tái)連接口斷面風(fēng)速不小于1.5m/s；當(dāng)列車在區(qū)間隧道內(nèi)著火時(shí)，通風(fēng)系統(tǒng)需向火災(zāi)區(qū)間提供一定送、排風(fēng)量，以排除火災(zāi)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(fēng)速不小于2m/s。本文以南京地鐵一號(hào)線南延線通風(fēng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用清華大學(xué)開發(fā)的地鐵熱環(huán)境模擬分析軟件STESS，對(duì)列車在站臺(tái)軌行區(qū)著火和列車在區(qū)間隧道著火進(jìn)行了通風(fēng)排煙模擬，同時(shí)進(jìn)行模擬火災(zāi)工況下實(shí)際風(fēng)速數(shù)據(jù)測(cè)量，對(duì)地鐵內(nèi)部列車發(fā)生火災(zāi)時(shí)安全通風(fēng)排煙進(jìn)行研究。

1 土建情況

南京地鐵一號(hào)線南延線（以下簡稱南延線）于2010年5月正式通車，由一號(hào)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(xué)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(tái)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(duì)地下車站及其區(qū)間隧道的火災(zāi)工況的通風(fēng)進(jìn)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(xué)研究開發(fā)的地鐵熱環(huán)境模擬分析軟件，整個(gè)軟件包由圖形化輸入界面，核心計(jì)算程序及后處理程序構(gòu)成，輸入輸出全部圖形方式，整個(gè)軟件包運(yùn)行簡便、直觀。STESS已先后用于北京4號(hào)線、5號(hào)線、10號(hào)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(yùn)用地鐵熱環(huán)境模擬軟件（STESS），對(duì)我國南方某城市地鐵在不同環(huán)控運(yùn)行模式下的不同位置（隧道和站臺(tái)）的風(fēng)速、風(fēng)量、壓力、溫度長期（逐月）和短期（逐時(shí)）的變化情況、車站環(huán)控負(fù)荷及全年環(huán)控能耗進(jìn)行模擬與預(yù)測(cè)[3]。韓平借助地鐵熱環(huán)境動(dòng)態(tài)模擬仿真軟件STESS，對(duì)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(fēng)方案、運(yùn)行模式，驗(yàn)證STESS軟件在隧道防災(zāi)通風(fēng)系統(tǒng)模擬分析中的適用性[4]。

3 通風(fēng)模擬與數(shù)據(jù)測(cè)量

3.1 站臺(tái)火災(zāi)的通風(fēng)模擬與數(shù)據(jù)測(cè)量

一般情況下，站臺(tái)區(qū)候車和上下車的乘客密度最高，而站臺(tái)的宅間又相對(duì)狹小，離車站的出入口距離最遠(yuǎn)，因此在車站公共區(qū)中其疏散條件最差，因此，列車在站臺(tái)軌行區(qū)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，保證送風(fēng)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(dǎo)乘客疏散，盡快到達(dá)安全區(qū)域[5]。

南京地鐵一號(hào)線南延線典型的站臺(tái)每個(gè)站臺(tái)兩端各有2臺(tái)TVF風(fēng)機(jī)（可逆轉(zhuǎn)耐高溫軸流風(fēng)機(jī)），分別為送風(fēng)機(jī)與排風(fēng)機(jī)。2臺(tái)風(fēng)機(jī)可以并聯(lián)到同側(cè)運(yùn)行。在火災(zāi)工況下，TVF風(fēng)機(jī)通過閥門并到著火列車所在隧道一端，同時(shí)送風(fēng)機(jī)逆轉(zhuǎn)，排風(fēng)機(jī)正轉(zhuǎn)，表冷器旁通風(fēng)閥打開，新風(fēng)閥和排風(fēng)閥完全打開，迂回風(fēng)道卷簾門關(guān)閉，與站廳站臺(tái)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(tái)一側(cè)的通風(fēng)管路圖如圖2所示。

圖2 站臺(tái)通風(fēng)管路圖

當(dāng)列車在站臺(tái)軌行區(qū)著火時(shí)，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(fēng)，按照地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50157-2003)，站廳與站臺(tái)連接口斷面風(fēng)速不小于1.5m/s，只考慮同一時(shí)間只有一個(gè)事故點(diǎn)，當(dāng)火災(zāi)事故發(fā)生時(shí)，車站兩端豎井內(nèi)的TVF風(fēng)機(jī)開啟，并均向外排風(fēng)，使站臺(tái)形成負(fù)壓，新風(fēng)從車站出入口進(jìn)入，與人員逃生方向相反。站臺(tái)火災(zāi)風(fēng)機(jī)開啟示意圖如圖3所示。

圖3 站臺(tái)事故模式風(fēng)機(jī)開啟示意圖

選取勝太路站位研究對(duì)象，勝太路站為島式站臺(tái)，共3個(gè)人員出入口，2個(gè)站臺(tái)和站廳連接口，其中一個(gè)迂回風(fēng)道電動(dòng)卷簾門因故障原因不能關(guān)閉。通過該站站臺(tái)、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(tái)模型，設(shè)置不同的風(fēng)機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)和不同的風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行模擬，模擬不同通風(fēng)工況下站臺(tái)各處的風(fēng)速和風(fēng)量分布情況。通過模擬可知，在火災(zāi)工況下，通過4臺(tái)TVF風(fēng)機(jī)以最大風(fēng)量65m3/s進(jìn)行送風(fēng)，可以滿足連接口處的風(fēng)速達(dá)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(shí)的風(fēng)速要求。風(fēng)速模擬數(shù)據(jù)見圖4。從圖4可知，2個(gè)連接口模擬斷面風(fēng)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(tái)事故工況排風(fēng)風(fēng)速模擬結(jié)果（m/s）

按照模擬的通風(fēng)工況，對(duì)勝太路進(jìn)行實(shí)際的數(shù)據(jù)測(cè)量。勝太路站有列車?？?，列車?？吭谏闲姓九_(tái)處。事故工況時(shí)開啟該站4臺(tái)區(qū)間事故風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)為排風(fēng)模式，實(shí)際測(cè)量時(shí)采用風(fēng)機(jī)最大風(fēng)量65m3/s。風(fēng)速實(shí)測(cè)結(jié)果見圖5。

圖5 站臺(tái)事故工況排風(fēng)風(fēng)速實(shí)測(cè)結(jié)果（m/s）

將實(shí)際測(cè)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(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)基本是一致的。通過模擬和實(shí)際數(shù)據(jù)的測(cè)量可知，站臺(tái)發(fā)生火災(zāi)時(shí)候，通過4臺(tái)TVF風(fēng)機(jī)以最大風(fēng)量進(jìn)行排風(fēng)，站廳與站臺(tái)連接口斷面風(fēng)速大于1.5m/s，可以滿足人員逃生時(shí)的風(fēng)速要求。

3.2 區(qū)間隧道火災(zāi)的通風(fēng)模擬與數(shù)據(jù)測(cè)量

當(dāng)列車在區(qū)間隧道內(nèi)著火時(shí)，《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50157-2003）要求司機(jī)盡量駛出隧道進(jìn)入前方車站，此時(shí)的通風(fēng)模式按站臺(tái)火災(zāi)模式來運(yùn)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(shí)的通風(fēng)模式按區(qū)間隧道火災(zāi)模式來運(yùn)行[6]。

在區(qū)間隧道火災(zāi)模式下，通風(fēng)系統(tǒng)需向火災(zāi)區(qū)間提供一定送、排風(fēng)量，以排除火災(zāi)區(qū)域的煙氣，利于人員逃生。在火災(zāi)工況時(shí)，按照地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50157-2003），區(qū)間隧道斷面風(fēng)速應(yīng)不小于2m/s，只考慮同一時(shí)間只有一個(gè)事故點(diǎn)。當(dāng)阻塞事故發(fā)生時(shí)，事故列車的前方及后方車站連接事故隧道的通風(fēng)機(jī)開啟，其中一個(gè)站臺(tái)TVF風(fēng)機(jī)排風(fēng)，另一個(gè)站臺(tái)TVF風(fēng)機(jī)送風(fēng)，迂回風(fēng)道關(guān)閉，以提供足夠的風(fēng)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(duì)象，假設(shè)列車阻塞在上行線距百家湖站500米處，列車著火點(diǎn)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(tái)區(qū)間事故風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)為送風(fēng)模式，迂回風(fēng)道電動(dòng)卷簾門全部關(guān)閉；勝太路站開啟4臺(tái)區(qū)間事故風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)為排風(fēng)模式，迂回風(fēng)道電動(dòng)卷簾門全部關(guān)閉。在現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證時(shí)，勝太路站和百家湖站迂回風(fēng)道各有1個(gè)電動(dòng)卷簾門因故障不能關(guān)閉。風(fēng)機(jī)開啟示意圖如圖6。圖中箭頭方向代表風(fēng)的流動(dòng)方向。

圖6 區(qū)間隧道事故模式風(fēng)機(jī)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(shè)置不同的風(fēng)機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)和不同的風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行模擬，模擬不同通風(fēng)工況下區(qū)間隧道內(nèi)的風(fēng)速和風(fēng)量情況。通過模擬可知，在火災(zāi)工況下，通過8臺(tái)TVF風(fēng)機(jī)的送風(fēng)，可以滿足區(qū)間隧道斷面風(fēng)速應(yīng)不小于2m/s，方向與人員逃生的方向相反，滿足人員逃生時(shí)的風(fēng)速要求。風(fēng)速模擬數(shù)據(jù)見圖7。從圖7可知，隧道斷面s11風(fēng)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(fēng)速模擬結(jié)果（m/s）

按照模擬的通風(fēng)工況，進(jìn)行實(shí)際的數(shù)據(jù)測(cè)量。測(cè)量的站臺(tái)為百家湖站至勝太路站，假設(shè)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(tái)區(qū)間事故風(fēng)機(jī)，百家湖站4臺(tái)TVF風(fēng)機(jī)均為送風(fēng)模式，勝太路站4臺(tái)TVF風(fēng)機(jī)均為排風(fēng)模式，人員逃生方向朝向百家湖地鐵站，實(shí)際測(cè)量時(shí)采用風(fēng)機(jī)最大風(fēng)量65m3/s。風(fēng)速實(shí)測(cè)見圖8。從圖8可知，斷面s11風(fēng)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(fēng)風(fēng)速實(shí)測(cè)結(jié)果（m/s）

同時(shí)將實(shí)際測(cè)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(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)基本是一致的。通過模擬和實(shí)際數(shù)據(jù)的測(cè)量可知，區(qū)間發(fā)生火災(zāi)時(shí)候，通過相鄰站臺(tái)每個(gè)站臺(tái)4臺(tái)TVF風(fēng)機(jī)以最大風(fēng)量進(jìn)行排風(fēng)，隧道內(nèi)的風(fēng)速大于2m/s，方向與逃生方向相反，可以滿足人員逃生時(shí)的風(fēng)速要求。

4 結(jié)論

借助地鐵熱環(huán)境動(dòng)態(tài)模擬仿真軟件STESS，通過對(duì)地鐵站臺(tái)與隧道火災(zāi)工況的模擬，為確定地鐵火災(zāi)通風(fēng)方案提供了依據(jù)。通過計(jì)算機(jī)模擬，可以直觀明確地知道不同火災(zāi)模式下，不同排煙工況時(shí)隧道內(nèi)不同點(diǎn)的風(fēng)速與風(fēng)量。在模擬過程中，設(shè)置不同的排煙工況，如設(shè)置風(fēng)機(jī)的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，設(shè)置風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，可以通過模擬得到不同排煙工況下站臺(tái)和隧道里面的風(fēng)速風(fēng)量的情況，從中選擇合理的通風(fēng)方案進(jìn)行實(shí)際數(shù)據(jù)的測(cè)量。

從上面模擬與實(shí)際測(cè)量的結(jié)果可知，列車在站臺(tái)發(fā)生火災(zāi)的時(shí)候，可以通過開啟4臺(tái)TVF風(fēng)機(jī)通風(fēng)，每臺(tái)TVF風(fēng)機(jī)風(fēng)量為65m3/s，連接口處風(fēng)速可以滿足人員逃生要求；列車在區(qū)間隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，通過相鄰2個(gè)站臺(tái)每個(gè)站臺(tái)4臺(tái)TVF通風(fēng)排煙，每臺(tái)TVF風(fēng)機(jī)送風(fēng)風(fēng)量為65m3/s，隧道內(nèi)的風(fēng)速滿足人員逃生要求。

[1]馮煉,劉應(yīng)清.地鐵火災(zāi)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(fēng)與熱模擬方案及其分析[J].流體機(jī)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(yīng)用研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2008,(4):100-101

[5]梁暉.地鐵火災(zāi)防排煙設(shè)計(jì)探討[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù), 2010,6(6):119-122

[6]朱常琳,高明亮.地鐵區(qū)間隧道火災(zāi)人員疏散的微環(huán)境的數(shù)值分析[J].建筑科學(xué)，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(xué)防護(hù)工程學(xué)院軍事環(huán)境研究中心（210007）；E-mail:Zhupeigen0713@163.com