城市軌道交通事故排煙工況分析研究

文、圖／北京市安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)研究院 梅楠 季學(xué)偉 侯占杰 時(shí)德軼 侯烺祎

城市軌道交通地下車站與地面建筑相比，由于其位于地下，工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜，環(huán)境密閉、通道狹窄，連通地面的疏散出口少，逃生路徑長，發(fā)生火災(zāi)后，會給人員疏散和滅火搶險(xiǎn)帶來困難，嚴(yán)重威脅乘客、地鐵職工和搶險(xiǎn)救援人員的生命安全。通風(fēng)排煙系統(tǒng)作為城市軌道交通環(huán)境與設(shè)備系統(tǒng)的重要組成部分，由于具有其換氣、排熱、保溫、排煙等重要功能，在保障正常運(yùn)營和乘客安全方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。近年來，我國城市軌道交通飛速發(fā)展，地下車站火災(zāi)排煙設(shè)計(jì)趨于成熟，能夠起到火災(zāi)情況下保證人員安全疏散的作用。

目前的國內(nèi)的排煙模擬研究，主要以驗(yàn)證現(xiàn)有系統(tǒng)可行性為主，并且都將滿足樓梯口補(bǔ)風(fēng)1.5m/s為主要衡量指標(biāo)，而忽略或弱化煙氣控制對保證乘客疏散安全的影響。本文通過模擬手段，以煙氣控制為衡量排煙工況的主要指標(biāo)，對地下車站6輛編組的屏蔽門型標(biāo)準(zhǔn)站站臺行李火災(zāi)工況進(jìn)行有益探索。

車站及通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車站結(jié)構(gòu)。本次模擬將6輛編組的屏蔽門型標(biāo)準(zhǔn)站作為模擬對象，車站上下共兩層，上層為站廳層，下層為站臺層，站體結(jié)構(gòu)總長225m、寬25m、高17m，有效站臺寬度為12m、長120m。站臺層層高4.6m，站廳層層高7.8m站臺通過三組樓扶梯、樓梯，與站廳層相連（如圖1所示）。

通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。地下車站的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)由隧道通風(fēng)系統(tǒng)、車站公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)（大系統(tǒng)）、設(shè)備管理用房區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)（小系統(tǒng)）、空調(diào)水系統(tǒng)等部分組成。車站軌行區(qū)隧道排熱系統(tǒng)兼作排煙系統(tǒng)，每個(gè)車站上、下行線出站端各設(shè)置2座活塞風(fēng)道，典型車站每站共設(shè)置4臺風(fēng)量60m3/s的TVF風(fēng)機(jī)，軌行區(qū)設(shè)置2臺風(fēng)量45m3/s排熱風(fēng)機(jī)、多個(gè)組合聯(lián)動風(fēng)閥。車站大系統(tǒng)主要由組合式空調(diào)機(jī)組、回/排風(fēng)機(jī)、排煙風(fēng)機(jī)、送/排風(fēng)管（道）及各種閥門等組成。在空調(diào)工況下，系統(tǒng)采用全空氣一次回風(fēng)系統(tǒng)，新風(fēng)與回風(fēng)在混合段（室）混合，經(jīng)組合式空調(diào)機(jī)組冷卻處理、風(fēng)機(jī)加壓后，通過站廳、站臺送風(fēng)管及風(fēng)口送入車站。

模擬設(shè)計(jì)

模型設(shè)計(jì)。采用全尺寸建模，嚴(yán)格按照車站結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)設(shè)置模型，模型結(jié)構(gòu)見圖2。

火源設(shè)計(jì)。模擬假設(shè)行李箱著火，火災(zāi)規(guī)模取2.5MW，火源尺寸2m×3m，按火災(zāi)增長系數(shù)為快速增長火考慮，約231s達(dá)到峰值后保持穩(wěn)定燃燒。

監(jiān)測單元設(shè)計(jì)。模型設(shè)置圖像、數(shù)值監(jiān)測單元，三個(gè)樓扶梯口各設(shè)置一個(gè)數(shù)值檢測面，距離火源-3m、-6m、-25m、+3m、+36m，分別設(shè)置人員安全高度（距離地面2m）以上，長7m，寬0.5m的數(shù)值監(jiān)測面，在人員安全高度和人員安全高度以上0.5m分別設(shè)置1個(gè)圖像檢測面。各監(jiān)測單元主要監(jiān)測煙氣蔓延面積、溫度、能見度、一氧化碳濃度等指標(biāo)。

計(jì)算網(wǎng)格設(shè)計(jì)。在保證計(jì)算精確地原則下，將車站模型的網(wǎng)格進(jìn)行非均勻劃分，設(shè)置站廳層、站臺層兩個(gè)計(jì)算網(wǎng)格，站臺層每個(gè)計(jì)算單元尺寸為1m×0.5m×0.25m，站廳層每個(gè)計(jì)算單元尺寸為1m×1m×0.25m，計(jì)算網(wǎng)格總單元數(shù)量為634608個(gè)，計(jì)算時(shí)間為600s。

模擬排煙工況設(shè)計(jì)。選取地下車站6輛編組的屏蔽門型標(biāo)準(zhǔn)站站臺行李火災(zāi)常規(guī)排煙工況和兩個(gè)對比工況進(jìn)行模擬。

常規(guī)排煙工況。站臺公共區(qū)行李火災(zāi)后，開啟兩側(cè)的4臺隧道風(fēng)機(jī)、軌行區(qū)排熱風(fēng)機(jī)、開啟站臺兩側(cè)端門4個(gè)端門，站臺公共區(qū)空調(diào)系統(tǒng)轉(zhuǎn)為排煙模式進(jìn)行輔助排煙，站臺屏蔽門處于關(guān)閉狀態(tài)。此工況簡稱為G1。

開啟一側(cè)端門排煙工況。站臺公共區(qū)行李火災(zāi)后，開啟兩側(cè)的4臺隧道風(fēng)機(jī)、軌行區(qū)排熱風(fēng)機(jī)、開啟站臺距離火災(zāi)較近一側(cè)2個(gè)端門，站臺公共區(qū)空調(diào)系統(tǒng)轉(zhuǎn)為排煙模式進(jìn)行輔助排煙，站臺屏蔽門處于關(guān)閉狀態(tài)。此工況簡稱為G2。

開啟一個(gè)端門排煙工況。站臺公共區(qū)行李火災(zāi)后，開啟兩側(cè)的4臺隧道風(fēng)機(jī)、軌行區(qū)排熱風(fēng)機(jī)、開啟站臺距離火災(zāi)較近一側(cè)1個(gè)端門，站臺公共區(qū)空調(diào)系統(tǒng)轉(zhuǎn)為排煙模式進(jìn)行輔助排煙，站臺屏蔽門處于關(guān)閉狀態(tài)。此工況存在一定限制條件，即隧道一側(cè)兩個(gè)風(fēng)機(jī)能夠通過一側(cè)軌行區(qū)的隧道排風(fēng)口進(jìn)行排風(fēng)，此工況簡稱為G3。

模擬情況

煙氣蔓延情況。在600s的模擬時(shí)間內(nèi)，G1、G2、G3工況均將煙氣控制在站臺層區(qū)域內(nèi)。地鐵疏散要求時(shí)間（360s），煙氣在站臺層的分布情況見圖3。由圖可知G2、G3工況煙氣控制范圍，明顯優(yōu)于G1。

溫度控制情況。距站臺高度2.5m的溫度場分布情況見圖4。由圖可知G2、G3工況溫度場控制范圍，明顯優(yōu)于G1。圖5反映了火源周邊的溫度變化情況，在距離火源-3m、-6m的監(jiān)測面反映出G1工況的火源周邊溫度略高于G2、G3工況。由于G2、G3工況關(guān)閉了距離火源處較遠(yuǎn)一側(cè)的端門，實(shí)際取消了該側(cè)排風(fēng)，故在火源+3m處，G1工況的溫度遠(yuǎn)大于G2、G3工況，通過數(shù)值監(jiān)測也較好的說明了，G2、G3在溫度場控制方面優(yōu)于G1工況。

能見度控制情況。距站臺高度2.5m的溫度場分布情況見圖5。由圖可知G2、G3工況能見度控制情況，明顯優(yōu)于G1。

CO濃度情況。距站臺高度2.5m的CO濃度分布情況見圖6。由圖可知G1、G2、G3工況的CO濃度控制情況基本一致。

樓梯口補(bǔ)風(fēng)速度情況。該標(biāo)準(zhǔn)站設(shè)置3組樓扶梯口，G 1 工況為常規(guī)排煙工況，3組樓梯口的補(bǔ)風(fēng)速度都達(dá)到了1.5m/s 的標(biāo)準(zhǔn)要求。G 2、G 3 工況距離開啟端門最遠(yuǎn)的樓梯口補(bǔ)風(fēng)速度均略小于標(biāo)準(zhǔn)要求的1.5m/s，詳見圖7。

結(jié)論

根據(jù)模擬結(jié)果可知，G1、G2、G3工況均具有良好的排煙效果，雖然G2、G3工況不能完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但由于遠(yuǎn)端并沒有煙氣蔓延，故不會對人員安全和疏散造成影響。通過類比煙氣蔓延情況、能見度控制情況、溫度控制情況、CO濃度，綜合判定G2、G3排煙工況的實(shí)際效果要優(yōu)于G1排煙工況。本次研究的地下車站6輛編組的屏蔽門型標(biāo)準(zhǔn)站站臺行李火災(zāi)優(yōu)化工況并未改變相關(guān)設(shè)施設(shè)置，通過調(diào)整端門的啟閉狀態(tài)取得了良好的排煙效果，后續(xù)會通過熱煙試驗(yàn)繼續(xù)驗(yàn)證優(yōu)化工況的可行性。