地鐵站臺火災(zāi)通風(fēng)設(shè)計(jì)論文

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摘要本文采用了理論分析、CFD數(shù)值模擬分析等方法對某地鐵單層站臺發(fā)生火災(zāi)時(shí)的通風(fēng)排煙系統(tǒng)的各種可能運(yùn)行模式進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明，不同的模式下通風(fēng)排煙效果相關(guān)很大，同時(shí)火災(zāi)發(fā)生的位置不同，相應(yīng)的最優(yōu)通風(fēng)排煙模式也有所不同。我國的《地下鐵道設(shè)計(jì)規(guī)范》提供了站臺火災(zāi)排煙的基本規(guī)范，但具體采用何種通風(fēng)排煙模式應(yīng)結(jié)合站臺和防排煙系統(tǒng)的實(shí)際情況分析確定。

關(guān)鍵詞地鐵站臺火災(zāi)排煙通風(fēng)模式計(jì)算流體力學(xué)（CFD）

1引言

在地鐵營建與運(yùn)營過程中，地鐵火災(zāi)是不容忽視的問題。1987年11月18日在倫敦King''''sCross地鐵站發(fā)生一起大火，造成31人死亡，大量人員傷亡，成為震驚世界的重大火災(zāi)事故[1]。由于地鐵建筑與外界的聯(lián)系只有車站的出入口，而且站臺和車廂內(nèi)人員密集，一旦發(fā)生火災(zāi)危害極大。所以，雖然地鐵火災(zāi)的發(fā)生是一個(gè)小概率事件，但必須引起人們的重視，并在地鐵系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段就給予充分的考慮。

地下鐵道火災(zāi)事故通常可以分為兩種情況：車站火災(zāi)和區(qū)間隧道火災(zāi)；當(dāng)列車在隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)應(yīng)力爭將列車開至臨近車站疏散乘客，此時(shí)可按照車站站臺火災(zāi)工況進(jìn)行處理。一旦發(fā)生火災(zāi)不同的特點(diǎn)，應(yīng)制定防排煙系統(tǒng)相應(yīng)的優(yōu)化運(yùn)行模式。本文將以某一實(shí)際工程的地鐵列車發(fā)生火災(zāi)集靠在單層站臺作為研究對象，利用理論分析和CFD的數(shù)值模擬分析等方法探討最優(yōu)的通風(fēng)排煙模式。

自1974年計(jì)算流體力學(xué)（ComputationalFluidDynamics:CFD）如用于通風(fēng)空調(diào)領(lǐng)域擬分析以來，CFD技術(shù)越來越多地應(yīng)用于指導(dǎo)空調(diào)通風(fēng)建筑的氣流場和溫度場院的設(shè)計(jì)及分析。利用CFD技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)求解流體流動所遵循的控制方程，可以獲得流體流動區(qū)域內(nèi)的流速、溫度、組分濃度等物理量的詳細(xì)分布情況，從而指導(dǎo)和優(yōu)化設(shè)計(jì)。本次模擬采用的是由清華大學(xué)建筑環(huán)境與設(shè)備研究所開發(fā)的通風(fēng)三維流動、傳熱與燃燒的數(shù)值模擬軟件STACH-3，其曾應(yīng)用于地鐵隧道區(qū)間的火災(zāi)模擬分析，其模擬結(jié)果在火源附近以外的區(qū)域均與實(shí)測結(jié)果有較好的吻合[2]。

2研究對象物理模型

2．1站臺土建結(jié)構(gòu)

研究對象為一單層側(cè)式站臺，有效空間中長120m，寬16.8m，高4.65m，其斷面示意圖如圖1所示。站臺有四個(gè)出入口。

圖1站臺斷面示意圖

2．2站臺通風(fēng)系統(tǒng)

本站臺利用機(jī)械通風(fēng)來保持站臺合適溫度，帶走負(fù)荷。正常環(huán)控工況下，站臺兩端上方各設(shè)1臺軸流風(fēng)機(jī)（可反轉(zhuǎn)）向站臺送風(fēng)，如圖2的示；同時(shí)各設(shè)有1臺軸流風(fēng)機(jī)負(fù)責(zé)從站臺地板下空間抽取排風(fēng)，形成了站臺端部集中送風(fēng)、站臺地板下空間作為回/排風(fēng)道，均勻排風(fēng)的站送、站排的通風(fēng)形式。每臺風(fēng)機(jī)風(fēng)量為60m3/s左右，全壓1000Pa。

圖2站臺正常工況通風(fēng)系統(tǒng)示意圖（平面圖）

當(dāng)站臺發(fā)生火災(zāi)時(shí)，將利用正常工況下的集中送風(fēng)口作為集中排煙風(fēng)口使用，由車站進(jìn)出口時(shí)風(fēng)。此時(shí)，通過閥門的切換，可以將正常工況下的回風(fēng)機(jī)與送風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，通過原集中送風(fēng)口將站臺的煙氣及時(shí)排向地面。鄰近站臺的通風(fēng)系統(tǒng)與此站臺一致。

2．3火源強(qiáng)度設(shè)定

火災(zāi)強(qiáng)度的合理設(shè)定一直是地鐵火災(zāi)工況模擬分析中的難點(diǎn)。目前由于權(quán)威的實(shí)測數(shù)據(jù)，所以在本次模擬計(jì)算中參考了國內(nèi)其他地鐵設(shè)計(jì)采用的火災(zāi)強(qiáng)度，為10.5MW。

3可能的通風(fēng)模式

站臺發(fā)生火災(zāi)時(shí)主要依靠的是布置在站臺兩端的正常工況下的集中送風(fēng)口進(jìn)行排煙，由于排煙口的集中布置，不同的風(fēng)機(jī)運(yùn)行模式對通風(fēng)排煙的效果相差很大，而且列車發(fā)生火災(zāi)位置不同也會有很大的影響。因此需要針對不同的火災(zāi)發(fā)生位置，研究如何合理調(diào)動站臺的四臺風(fēng)機(jī)，以保證有最大的安全區(qū)和安全疏散通道，讓乘客和工作人員安全撤離火災(zāi)現(xiàn)場。利用CFD軟件模擬火災(zāi)發(fā)生時(shí)的氣流場和溫度場，為研究和分析合理的風(fēng)機(jī)運(yùn)行模式提供了有利的手段。

按照我國的《地下鐵道設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]基本要求，考慮列車兩種位置（列車頭部、中部）發(fā)生火災(zāi)的情況，分別制定了站臺防排煙系統(tǒng)的可能運(yùn)行模式，如表1所示。在這些運(yùn)行模式中，只考慮鄰近區(qū)間或者站臺的風(fēng)機(jī)聯(lián)合工作，其他區(qū)間或者站臺風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況影響較小，可以不予考慮。圖3為模擬站臺列車火災(zāi)采用的物理模型。

圖3側(cè)式站臺列車火災(zāi)通風(fēng)排煙物理模型

防排煙系統(tǒng)的各種可能運(yùn)行模式表1

工況1：列車中部發(fā)生火災(zāi)

模式1.1關(guān)閉原送風(fēng)機(jī)，站臺兩端各開一臺排風(fēng)機(jī)

模式1.2站臺兩端各開兩臺風(fēng)機(jī)排風(fēng)，原送風(fēng)機(jī)逆轉(zhuǎn)作排風(fēng)機(jī)

模式1.3關(guān)閉原送風(fēng)機(jī)，站臺兩端各開一臺排風(fēng)機(jī)，鄰近區(qū)間或站臺各開1臺排風(fēng)機(jī)

模式1.4站臺兩端各開兩臺風(fēng)機(jī)排風(fēng)，原送風(fēng)機(jī)逆轉(zhuǎn)作排風(fēng)機(jī)；鄰近區(qū)間或站臺各開1臺排風(fēng)機(jī)

工況2：列車頭部或者尾部發(fā)生火災(zāi)

模式2.1關(guān)閉原送風(fēng)機(jī)，站以兩端各開一臺排風(fēng)機(jī)

模式2.2靠近火災(zāi)一側(cè)開啟兩臺排風(fēng)機(jī)，原送風(fēng)機(jī)逆轉(zhuǎn)作排風(fēng)機(jī)，另一端兩風(fēng)機(jī)均關(guān)閉

模式2.3靠近火災(zāi)一側(cè)開啟兩臺排風(fēng)機(jī)，原送風(fēng)機(jī)逆轉(zhuǎn)作排風(fēng)機(jī)，另一端兩風(fēng)機(jī)均關(guān)閉；同時(shí)開啟一臺右側(cè)鄰近火災(zāi)區(qū)域

的區(qū)間風(fēng)機(jī)或者站臺風(fēng)機(jī)排風(fēng)

模式2.4靠近火災(zāi)一側(cè)開啟兩臺排風(fēng)機(jī)，原送風(fēng)機(jī)逆轉(zhuǎn)作排風(fēng)機(jī)，另一端開啟一臺送風(fēng)機(jī)

模式2.5靠近火災(zāi)一側(cè)開啟兩臺排風(fēng)機(jī)，原送風(fēng)機(jī)逆轉(zhuǎn)作排風(fēng)機(jī)，另一端兩風(fēng)機(jī)均關(guān)閉；同時(shí)開啟一臺右側(cè)鄰近火災(zāi)區(qū)域

的區(qū)間風(fēng)機(jī)或站臺風(fēng)機(jī)排風(fēng)

表2詳細(xì)給出了在上述各種模式下，由網(wǎng)絡(luò)流動計(jì)算模型計(jì)算得出的從出入口和站臺左右隧道進(jìn)入站臺的風(fēng)量。

表2

左隧道進(jìn)風(fēng)量右隧道進(jìn)風(fēng)量出入口進(jìn)風(fēng)總量出入口平均風(fēng)速

模式1.131.930.962.81.16

模式1.263.461.41252.31

模式1.3-56.3-49.51061.96

模式1.4-85-781633.02

模式2.131.930.962.81.16

模式2.22628621.15

模式2.335-3841.56

模式2.47015.830.80.57

模式2.580-17541

注：1.表格中風(fēng)量的單位均為m3/s，風(fēng)速的單位為m/s;

2.數(shù)值前如有負(fù)號，表示為出風(fēng)狀態(tài)。

4分析與討論

對于站臺火災(zāi)問題，選取最佳的通風(fēng)方式首先應(yīng)該滿足兩個(gè)基本原則，1）從進(jìn)出口來的風(fēng)要保證一定的速度，以有效壓制煙氣的擴(kuò)散，保證人員撤離通道安全。2）盡可能不要讓煙過多擴(kuò)散進(jìn)入周圍隧道，否則這將會為后期周圍隧道煙氣處理帶來麻煩。按照上述的原則，首先對上述兩種火災(zāi)工況下的各種模式進(jìn)行比選。對于火災(zāi)工況1，模式1.3和模式1.4都由于鄰近的區(qū)間或站臺排風(fēng)機(jī)的作用，使得從出入口進(jìn)來的新鮮氣流迅速被隧道帶走，同時(shí)也將帶走大量的煙氣，雖然進(jìn)出口風(fēng)速很大，排煙效果卻不好。對于模式1.1和模式1.2，后者從出入口和隧道的來流風(fēng)速大約是前者的2倍，而且在模式1.2中出入口平均風(fēng)速達(dá)到2.3m/s，更加安全。

圖4和圖5比較了模式1.1和模式1.2的三維溫度場在站臺人頭部水平高度的斷面的分布情況，從圖中可知，由于隧道主要靠在站臺兩端的風(fēng)口排煙，而且火源在列車中部，所以在站臺中央溫度高，聚集了大量的熱量和煙氣。相反，在出入口到站臺兩側(cè)，新鮮氣流較多，相對來說是比較安全的區(qū)域。對比模式1.1和模式1.2，可知模式1.1由于從進(jìn)出口來流風(fēng)量不夠，不能有效帶走聚集于站臺中央的熱量和煙氣，導(dǎo)致在出入口到站臺兩側(cè)的區(qū)間溫度和煙氣濃度均較高，這樣在整個(gè)站臺的安全區(qū)域就幾乎沒有，給人員的逃生帶來極大的危險(xiǎn)。而模式1.2由于從進(jìn)出口的風(fēng)速比較模式1.1提高了一倍，能較有效帶走熱量和煙氣，能形成較大的安全區(qū)域，相對而言更有利于乘客逃生和救生人員開展滅火救災(zāi)工作。以上分析說明，對于工況1通風(fēng)模式1.2是最優(yōu)的。

圖4模式1.1在站臺人頭部水平高度的溫度分布等溫線圖

圖5模式1.2在站臺人頭部水平高度的溫度分布等溫線圖

對于工況2，模式2.4進(jìn)出口風(fēng)速過低，首先舍去。模式2.5，有一定量的煙氣擴(kuò)散到右邊隧道，也不可取。比較模式2.2和模式2.3，后者從進(jìn)出口和左邊隧道的來流風(fēng)速都高于前者，雖然模式2.3會有少量的煙氣擴(kuò)散到右邊隧道中，但綜合比較模式2.3是更好的方案。

圖6和圖7比較了模式2.1和模式2.3的三維溫度場在站臺人頭部水平高度的斷面的分布。從圖中可知，由于火災(zāi)發(fā)生在列車的頭部，所以產(chǎn)生的高溫?zé)煔饽芎芸鞆呐R近火源的端部風(fēng)口迅速排出。對于這種送排風(fēng)系統(tǒng)的地鐵站臺，列車頭部（尾部）發(fā)生火災(zāi)是比中部的安全區(qū)域，而模式2.3的安全區(qū)域大于模式2.1，更有利于乘客逃生。以上分析說明，對于工況2通風(fēng)模式2.3是最優(yōu)的。

圖6模式2.1在站臺人頭部水平高度的溫度分布等溫線圖

圖7模式2.3在站臺人頭部水平高度的溫度分布等溫線圖

5結(jié)論

綜上所述，針對本文研究的單層站臺列車火災(zāi)問題有以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）發(fā)生火災(zāi)事故時(shí)候，風(fēng)機(jī)的啟停和轉(zhuǎn)動方向均應(yīng)根據(jù)火災(zāi)發(fā)生的實(shí)際情況來確定，不同的通風(fēng)方式，其效果可能相差很大。利用CFD的模擬分析軟件，可以直觀有效地判斷通風(fēng)方式的優(yōu)劣。

2）如果列車中部發(fā)生火災(zāi)，建議采取模式1.2的通風(fēng)方式，即站臺兩端的四臺風(fēng)機(jī)均作排風(fēng)使用。

3）如果列車頭部發(fā)生火災(zāi)，建議采取上述所述的模式1.3，即靠近火災(zāi)一側(cè)開啟兩臺排風(fēng)機(jī)，另一端兩風(fēng)機(jī)均關(guān)閉；同時(shí)開啟一臺鄰近火災(zāi)的區(qū)間風(fēng)機(jī)或者站臺風(fēng)機(jī)排風(fēng)。

本實(shí)例選取的是偏大的火災(zāi)強(qiáng)度，是偏安全的設(shè)計(jì)。由于火災(zāi)強(qiáng)度直接影響模擬分析結(jié)果，同時(shí)影響通風(fēng)模式的選取，從而影響系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，所以確定作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的符合實(shí)際情況的列車火災(zāi)強(qiáng)度是亟待研究的問題。

參考文獻(xiàn)

1K.Moodie,King''''sCrossFire.Damageassessmentandoverviewofthetechnicalinvestigation,FireSafetyJournal,18(1)1992p13～33

2XianTingLi,QiSenYan,Fieldmodeloffiresinsubwaytunnels,2ndInternationalsymposiumonHVAC,Beijing1995,p392～399

3地下鐵道設(shè)計(jì)規(guī)范-中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)（GB50157-92）。國家技術(shù)監(jiān)督局、中華人民共和國建設(shè)部聯(lián)合，1992-06-13