軌頂排煙口對地鐵地下車站火災(zāi)排煙效果影響研究*

李 建，史聰靈，胥 旋，車洪磊

(中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院 地鐵火災(zāi)與客流疏運安全北京市重點實驗室，北京 100012)

0 引言

地鐵因具有運量大、速度高、準(zhǔn)點率高、能耗低和污染少等優(yōu)點而成為城市客流輸送的主要工具?；馂?zāi)安全一直是地鐵安全設(shè)計中的重要方面，當(dāng)前在地鐵火災(zāi)研究方面主要采用火災(zāi)試驗研究和數(shù)值模擬研究，其中火災(zāi)試驗又分為全尺寸試驗和縮尺寸試驗。在試驗研究方面，Takeuchi等[1]采用1∶20小尺寸模型研究自然通風(fēng)隧道火災(zāi)情況下隧道內(nèi)煙氣溫度分布；史聰靈等[2-4]通過建立1∶10的地鐵站臺模型，研究車站公共區(qū)及軌行區(qū)火災(zāi)工況的煙氣擴散規(guī)律，分析了煙氣控制方案；王太晟等[5]搭建地鐵站臺液體縮尺模型試驗臺，發(fā)現(xiàn)地鐵車站內(nèi)煙氣蔓延規(guī)律，和活塞風(fēng)對煙氣蔓延的影響規(guī)律。在計算機模擬方面，Shafee和Yozgatligil[6]采用CFD數(shù)值模擬，研究了隧道坡度、阻塞比等對隧道煙氣蔓延的影響；史聰靈等[7-9]對深埋站點、集運系統(tǒng)、長大區(qū)間、多線換乘等多種特殊結(jié)構(gòu)車站進行了數(shù)值模擬，對屏蔽門開啟模式及區(qū)間隧道排煙模式等進行了專項研究；李炎鋒等[10]結(jié)合換乘站內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征和國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范，探討了換乘站防排煙系統(tǒng)設(shè)計和運行的技術(shù)難點，指出了換乘站火災(zāi)場景設(shè)計以及多因素耦合煙氣擴散規(guī)律是未來開展換乘站防排煙系統(tǒng)研究的重點方向。針對取消軌底/軌頂排煙口和車站隧道排熱/排煙風(fēng)機，學(xué)者從不同方面開展了研究。劉伊江[11]研究得出軌頂排風(fēng)道實際排熱效率很低，隧道內(nèi)熱沉積有其固有規(guī)律，不需要軌頂風(fēng)道排熱，當(dāng)列車火災(zāi)?？空九_時，軌頂排風(fēng)道作用較小，因此建議取消軌頂排風(fēng)道；張雄[12]采用SES軟件進行模擬計算，驗證地下車站排熱系統(tǒng)取消軌頂風(fēng)道、僅保留軌底風(fēng)道的可行性，發(fā)現(xiàn)取消軌底風(fēng)道后隧道內(nèi)最高溫度有小幅上升，但取消軌底風(fēng)道后，需增大軌頂風(fēng)道的斷面面積；唐凱[13]采用實測、數(shù)值模擬等方法，發(fā)現(xiàn)取消軌底風(fēng)道后隧道內(nèi)溫度變化不明顯，但冷凝器上方溫度較高，不利于列車空調(diào)正常運轉(zhuǎn)，建議制動效率為40%時，對于時速80 km/h的列車，可取消軌底風(fēng)道，但對于25%制動效率或者時速為100 km/h或更高的列車，不建議取消軌底風(fēng)道。

目前，學(xué)者們主要從車輛排熱及節(jié)能角度開展對取消軌底/軌頂排煙口和排熱風(fēng)機的研究，認為在滿足一定條件后，可以考慮取消軌底/軌頂風(fēng)口。但是，取消軌底/軌頂排煙口和排熱風(fēng)機后，發(fā)生火災(zāi)的情況下，車站和區(qū)間隧道排煙系統(tǒng)能否滿足排煙和車站人員疏散要求，目前鮮有研究涉及。本文將采用數(shù)值模擬的方法，研究取消軌頂風(fēng)口和車站隧道排熱風(fēng)機對車站火災(zāi)排煙效率的影響。

1 地鐵站物理模型

數(shù)值模擬選取的車站為目前國內(nèi)投入使用的典型地下2層島式車站，其中地下1層為站廳層，地下2層為站臺層。站臺有效長度為120 m，有效寬度為11 m，站臺層高度約為5.1 m。站臺與站廳之間設(shè)置3組樓扶梯，設(shè)置1座直梯。沿著站臺邊緣設(shè)置全封閉站臺門或者全高站臺門。

2 模擬工況及測點測面設(shè)置

針對全封閉站臺門系統(tǒng)和全高站臺門系統(tǒng)，分別在站臺公共區(qū)火災(zāi)和車站列車火災(zāi)2種火災(zāi)位置的情況下，比較軌頂排煙口對車站排煙的影響，數(shù)值模擬工況如表1所示。其中：SEF為車站公共區(qū)排煙風(fēng)機，風(fēng)量為30 m3/s；TVF為區(qū)間隧道風(fēng)機，風(fēng)量為60 m3/s；TEF為車站隧道排熱風(fēng)機，風(fēng)量為40 m3/s。

表1 模擬工況設(shè)置Table 1 Simulated working conditions settings

站臺火災(zāi)的可燃物多為乘客所攜帶行李，火源功率一般不超過2 MW[14]，但為了考慮最不利情況，將火源功率設(shè)置為2.5 MW?；鹪床捎胻2增長火，500 s時火源功率達到設(shè)定值，并保持穩(wěn)定。車站列車火災(zāi)中，火源功率設(shè)置為國內(nèi)地鐵設(shè)計中普遍采用的7.5 MW，其火災(zāi)升溫曲線約10 min達到峰值。

站臺火災(zāi)火源面積為0.8 m×0.8 m，火源位置為站臺中央；列車火災(zāi)按照1節(jié)車廂著火，并考慮50%冗余，因此火源面積為36 m×2.8 m。參考現(xiàn)有文獻[15]，網(wǎng)格尺寸取0.2 m×0.2 m×0.2 m，總網(wǎng)格數(shù)為5 062 500個。發(fā)生站臺公共區(qū)火災(zāi)時，全封閉站臺門情況下，開啟站臺兩側(cè)兩端各1扇滑動門；全高站臺門情況下，不開啟站臺門。車站列車火災(zāi)可能需要疏散乘客，因此開啟一側(cè)所有站臺門滑動門。站臺火災(zāi)危險高度Hs[16]為：

Hs=1.6+0.1H

(1)

式中：Hs為危險高度，m；H為建筑高度，m。模擬計算車站高度為5.1 m，因此危險高度Hs為2.11 m。

測點設(shè)置如圖1所示。測點包括：縱向測點，在站臺兩側(cè)每隔10 m設(shè)置熱電偶樹(圖中圓圈)，每束熱電偶最大高度接近站臺層有效高度，即5 m，按照0.5 m的間隔共設(shè)置10個熱電偶，站臺兩側(cè)共設(shè)置有24個熱電偶樹；水平測點，在站臺每側(cè)危險高度處，每隔10 m設(shè)置測點，測量參數(shù)包括煙氣溫度、CO濃度、可見度。

圖1 站臺火災(zāi)和車站列車火災(zāi)溫度測點布置Fig.1 Temperature measuring point distributions of subway platform fire and train fire

3 取消軌頂排煙口對站臺火災(zāi)防排煙影響

圖2～4為全封閉站臺門系統(tǒng)在站臺火災(zāi)期間頂棚煙氣溫度分布和危險高度煙氣溫度、CO濃度和可見度分布。從圖2可知，無軌頂排煙口工況下煙氣最高溫度稍高于有軌頂排煙口工況，例如在10 min時刻，前者最高溫度為109℃，后者最高溫度為91℃。

圖2 站臺火災(zāi)期間頂棚煙氣溫度分布Fig.2 Ceiling temperature distribution during platform fire

圖3 站臺火災(zāi)3 min后危險高度處煙氣溫度、CO濃度 和可見度分布Fig.3 Smoke temperature, CO concentration, visibility in 3 min of the platform fire

圖4 站臺火災(zāi)10 min后危險高度處煙氣溫度、CO濃度 和可見度分布Fig.4 Smoke temperature, CO concentration, visibility in 10 min of the platform fire

從圖3～4中可知，有無軌頂排煙口對危險高度煙氣溫度和CO濃度影響不大。例如，3 min和10 min時刻無軌頂排煙口工況下危險高度煙氣溫度相差不大。但有軌頂排煙口工況下危險高度可見度高于無軌頂排煙口工況。以上結(jié)果為全封閉站臺門系統(tǒng)下有無軌頂排煙口的影響。從數(shù)值模擬結(jié)果來看，全高站臺門系統(tǒng)下影響規(guī)律類似。

有軌頂排煙口工況下站臺公共區(qū)頂棚煙氣溫度稍低于無軌頂排煙口工況，且危險高度可見度高于無軌頂排煙口，而危險高度煙氣溫度和CO濃度則差別不大。站臺公共區(qū)火災(zāi)期間，公共區(qū)排煙口、風(fēng)機起主要排煙作用，區(qū)間隧道風(fēng)口、風(fēng)機和車站隧道軌頂排煙口、風(fēng)機起輔助排煙作用。從數(shù)值模擬結(jié)果來看，取消軌頂排煙口對站臺公共區(qū)火災(zāi)排煙效果影響有限。

4 取消軌頂排煙口對車站列車火災(zāi)防排煙影響

圖5為全封閉站臺門系統(tǒng)和全高站臺門系統(tǒng)下車站列車火災(zāi)期間頂棚煙氣溫度分布。從圖5中看出，無論是全封閉站臺門系統(tǒng)還是全高站臺門系統(tǒng)、火災(zāi)發(fā)展階段(3 min)還是火災(zāi)穩(wěn)定階段(10 min)，有軌頂排煙口工況下站臺頂棚煙氣最高溫度和蔓延范圍遠低于無軌頂排煙口工況。如圖5(d)中，有軌頂排煙口工況下，站臺公共區(qū)煙氣最高溫度約為43℃，煙氣蔓延范圍約為20 m；而無軌頂排煙口工況下，站臺公共區(qū)煙氣最高溫度約為94℃，煙氣蔓延范圍約為80 m。

圖5 車站列車火災(zāi)期間頂棚煙氣溫度分布Fig.5 Ceiling temperature distribution of station train fire

圖6(a)和6(c)分別為3 min時，全封閉站臺門系統(tǒng)有軌頂排煙口和無軌頂排煙口工況下危險高度處煙氣溫度分布，可以看出，無軌頂排煙口工況下，列車附近危險高度處熱煙氣蔓延范圍遠大于有軌頂排煙口工況。圖6(b)和6(d)也有類似結(jié)果，即無軌頂排煙口工況下危險高度熱煙氣蔓延范圍遠大于有軌頂排煙口工況。圖7和圖8分別為CO濃度分布和可見度分布，由圖可知，無軌頂排煙口工況下，危險高度CO濃度遠高于有軌頂排煙口工況，可見度遠低于有軌頂排煙口工況。

以上結(jié)論主要針對全封閉站臺門系統(tǒng)，從模擬結(jié)果來看，全高站臺門系統(tǒng)也有類似規(guī)律。

圖6 車站列車火災(zāi)危險高度處煙氣溫度分布Fig.6 Smoke temperature at danger height during station train fire

圖7 車站列車火災(zāi)危險高度處CO濃度分布Fig.7 Smoke CO concentration at danger height during station train fire

圖8 車站列車火災(zāi)危險高度處可見度分布Fig.8 Smoke visibility at danger height during station train fire

總之，車站列車火災(zāi)期間，無論是全封閉站臺門系統(tǒng)還是全高站臺門系統(tǒng)、火災(zāi)發(fā)展階段(3 min)還是火災(zāi)穩(wěn)定階段(10 min)，有軌頂排煙口工況下，站臺公共區(qū)排煙效果遠好于無軌頂排煙口工況。因為車站列車火災(zāi)期間，列車頂部的軌頂排煙口起到主要排煙作用，公共區(qū)排煙口、風(fēng)機和區(qū)間隧道排煙口、風(fēng)機起輔助排煙作用。一旦取消了軌頂排煙口，列車產(chǎn)生的煙氣無法及時排除，導(dǎo)致大量煙氣蔓延至站臺公共區(qū)，使得站臺公共區(qū)煙氣大量聚集，蔓延范圍遠高于有軌頂排煙工況。

5 結(jié)論

1)站臺公共區(qū)火災(zāi)期間，無軌頂排煙口工況下，頂棚煙氣最高溫度、煙氣蔓延范圍、危險高度CO濃度等與有軌頂排煙口工況下差別不大，但無軌頂排煙口工況下危險高度可見度低于有軌頂排煙口。

2)車站列車火災(zāi)期間，無論是全封閉站臺門系統(tǒng)還是全高站臺門系統(tǒng)、火災(zāi)發(fā)展階段還是火災(zāi)穩(wěn)定階段，有軌頂排煙口工況下，站臺公共區(qū)煙氣溫度、危險高度CO濃度、可見度等指標(biāo)遠優(yōu)于無軌頂排煙口工況。

3)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，相對于當(dāng)前主流有軌頂排煙口設(shè)計，取消軌頂排煙口對站臺公共區(qū)火災(zāi)排煙效果影響有限，但是會顯著降低車站列車火災(zāi)排煙效果。