李 建，史聰靈，胥 旋，車(chē)洪磊

(中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)研究院 地鐵火災(zāi)與客流疏運(yùn)安全北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012)

0 引言

地鐵因具有運(yùn)量大、速度高、準(zhǔn)點(diǎn)率高、能耗低和污染少等優(yōu)點(diǎn)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(jì)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(yàn)研究和數(shù)值模擬研究，其中火災(zāi)試驗(yàn)又分為全尺寸試驗(yàn)和縮尺寸試驗(yàn)。在試驗(yàn)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(guò)建立1∶10的地鐵站臺(tái)模型，研究車(chē)站公共區(qū)及軌行區(qū)火災(zāi)工況的煙氣擴(kuò)散規(guī)律，分析了煙氣控制方案；王太晟等[5]搭建地鐵站臺(tái)液體縮尺模型試驗(yàn)臺(tái)，發(fā)現(xiàn)地鐵車(chē)站內(nèi)煙氣蔓延規(guī)律，和活塞風(fēng)對(duì)煙氣蔓延的影響規(guī)律。在計(jì)算機(jī)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(duì)隧道煙氣蔓延的影響；史聰靈等[7-9]對(duì)深埋站點(diǎn)、集運(yùn)系統(tǒng)、長(zhǎng)大區(qū)間、多線換乘等多種特殊結(jié)構(gòu)車(chē)站進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)屏蔽門(mén)開(kāi)啟模式及區(qū)間隧道排煙模式等進(jìn)行了專項(xiàng)研究；李炎鋒等[10]結(jié)合換乘站內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征和國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范，探討了換乘站防排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行的技術(shù)難點(diǎn)，指出了換乘站火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)計(jì)以及多因素耦合煙氣擴(kuò)散規(guī)律是未來(lái)開(kāi)展換乘站防排煙系統(tǒng)研究的重點(diǎn)方向。針對(duì)取消軌底/軌頂排煙口和車(chē)站隧道排熱/排煙風(fēng)機(jī)，學(xué)者從不同方面開(kāi)展了研究。劉伊江[11]研究得出軌頂排風(fēng)道實(shí)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(chē)火災(zāi)?？空九_(tái)時(shí)，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(jìn)行模擬計(jì)算，驗(yàn)證地下車(chē)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(shí)測(cè)、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(chē)空調(diào)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，建議制動(dòng)效率為40%時(shí)，對(duì)于時(shí)速80 km/h的列車(chē)，可取消軌底風(fēng)道，但對(duì)于25%制動(dòng)效率或者時(shí)速為100 km/h或更高的列車(chē)，不建議取消軌底風(fēng)道。

目前，學(xué)者們主要從車(chē)輛排熱及節(jié)能角度開(kāi)展對(duì)取消軌底/軌頂排煙口和排熱風(fēng)機(jī)的研究，認(rèn)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(jī)后，發(fā)生火災(zāi)的情況下，車(chē)站和區(qū)間隧道排煙系統(tǒng)能否滿足排煙和車(chē)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(chē)站隧道排熱風(fēng)機(jī)對(duì)車(chē)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(chē)站為目前國(guó)內(nèi)投入使用的典型地下2層島式車(chē)站，其中地下1層為站廳層，地下2層為站臺(tái)層。站臺(tái)有效長(zhǎng)度為120 m，有效寬度為11 m，站臺(tái)層高度約為5.1 m。站臺(tái)與站廳之間設(shè)置3組樓扶梯，設(shè)置1座直梯。沿著站臺(tái)邊緣設(shè)置全封閉站臺(tái)門(mén)或者全高站臺(tái)門(mén)。

2 模擬工況及測(cè)點(diǎn)測(cè)面設(shè)置

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

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

站臺(tái)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(guò)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(zhǎng)火，500 s時(shí)火源功率達(dá)到設(shè)定值，并保持穩(wěn)定。車(chē)站列車(chē)火災(zāi)中，火源功率設(shè)置為國(guó)內(nèi)地鐵設(shè)計(jì)中普遍采用的7.5 MW，其火災(zāi)升溫曲線約10 min達(dá)到峰值。

站臺(tái)火災(zāi)火源面積為0.8 m×0.8 m，火源位置為站臺(tái)中央；列車(chē)火災(zāi)按照1節(jié)車(chē)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(xiàn)[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(gè)。發(fā)生站臺(tái)公共區(qū)火災(zāi)時(shí)，全封閉站臺(tái)門(mén)情況下，開(kāi)啟站臺(tái)兩側(cè)兩端各1扇滑動(dòng)門(mén)；全高站臺(tái)門(mén)情況下，不開(kāi)啟站臺(tái)門(mén)。車(chē)站列車(chē)火災(zāi)可能需要疏散乘客，因此開(kāi)啟一側(cè)所有站臺(tái)門(mén)滑動(dòng)門(mén)。站臺(tái)火災(zāi)危險(xiǎn)高度Hs[16]為：

Hs=1.6+0.1H

(1)

式中：Hs為危險(xiǎn)高度，m；H為建筑高度，m。模擬計(jì)算車(chē)站高度為5.1 m，因此危險(xiǎn)高度Hs為2.11 m。

測(cè)點(diǎn)設(shè)置如圖1所示。測(cè)點(diǎn)包括：縱向測(cè)點(diǎn)，在站臺(tái)兩側(cè)每隔10 m設(shè)置熱電偶樹(shù)(圖中圓圈)，每束熱電偶最大高度接近站臺(tái)層有效高度，即5 m，按照0.5 m的間隔共設(shè)置10個(gè)熱電偶，站臺(tái)兩側(cè)共設(shè)置有24個(gè)熱電偶樹(shù)；水平測(cè)點(diǎn)，在站臺(tái)每側(cè)危險(xiǎn)高度處，每隔10 m設(shè)置測(cè)點(diǎn)，測(cè)量參數(shù)包括煙氣溫度、CO濃度、可見(jiàn)度。

圖1 站臺(tái)火災(zāi)和車(chē)站列車(chē)火災(zāi)溫度測(cè)點(diǎn)布置Fig.1 Temperature measuring point distributions of subway platform fire and train fire

3 取消軌頂排煙口對(duì)站臺(tái)火災(zāi)防排煙影響

圖2～4為全封閉站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)在站臺(tái)火災(zāi)期間頂棚煙氣溫度分布和危險(xiǎn)高度煙氣溫度、CO濃度和可見(jiàn)度分布。從圖2可知，無(wú)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(shí)刻，前者最高溫度為109℃，后者最高溫度為91℃。

圖2 站臺(tái)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(tái)火災(zāi)3 min后危險(xiǎn)高度處煙氣溫度、CO濃度 和可見(jiàn)度分布Fig.3 Smoke temperature, CO concentration, visibility in 3 min of the platform fire

圖4 站臺(tái)火災(zāi)10 min后危險(xiǎn)高度處煙氣溫度、CO濃度 和可見(jiàn)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(wú)軌頂排煙口對(duì)危險(xiǎn)高度煙氣溫度和CO濃度影響不大。例如，3 min和10 min時(shí)刻無(wú)軌頂排煙口工況下危險(xiǎn)高度煙氣溫度相差不大。但有軌頂排煙口工況下危險(xiǎn)高度可見(jiàn)度高于無(wú)軌頂排煙口工況。以上結(jié)果為全封閉站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)下有無(wú)軌頂排煙口的影響。從數(shù)值模擬結(jié)果來(lái)看，全高站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)下影響規(guī)律類似。

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

4 取消軌頂排煙口對(duì)車(chē)站列車(chē)火災(zāi)防排煙影響

圖5為全封閉站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)和全高站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)下車(chē)站列車(chē)火災(zāi)期間頂棚煙氣溫度分布。從圖5中看出，無(wú)論是全封閉站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)還是全高站臺(tái)門(mén)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(tái)頂棚煙氣最高溫度和蔓延范圍遠(yuǎn)低于無(wú)軌頂排煙口工況。如圖5(d)中，有軌頂排煙口工況下，站臺(tái)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(wú)軌頂排煙口工況下，站臺(tái)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(chē)站列車(chē)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(shí)，全封閉站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)有軌頂排煙口和無(wú)軌頂排煙口工況下危險(xiǎn)高度處煙氣溫度分布，可以看出，無(wú)軌頂排煙口工況下，列車(chē)附近危險(xiǎn)高度處熱煙氣蔓延范圍遠(yuǎn)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(wú)軌頂排煙口工況下危險(xiǎn)高度熱煙氣蔓延范圍遠(yuǎn)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(jiàn)度分布，由圖可知，無(wú)軌頂排煙口工況下，危險(xiǎn)高度CO濃度遠(yuǎn)高于有軌頂排煙口工況，可見(jiàn)度遠(yuǎn)低于有軌頂排煙口工況。

以上結(jié)論主要針對(duì)全封閉站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)，從模擬結(jié)果來(lái)看，全高站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)也有類似規(guī)律。

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

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

圖8 車(chē)站列車(chē)火災(zāi)危險(xiǎn)高度處可見(jiàn)度分布Fig.8 Smoke visibility at danger height during station train fire

總之，車(chē)站列車(chē)火災(zāi)期間，無(wú)論是全封閉站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)還是全高站臺(tái)門(mén)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(tái)公共區(qū)排煙效果遠(yuǎn)好于無(wú)軌頂排煙口工況。因?yàn)檐?chē)站列車(chē)火災(zāi)期間，列車(chē)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(jī)和區(qū)間隧道排煙口、風(fēng)機(jī)起輔助排煙作用。一旦取消了軌頂排煙口，列車(chē)產(chǎn)生的煙氣無(wú)法及時(shí)排除，導(dǎo)致大量煙氣蔓延至站臺(tái)公共區(qū)，使得站臺(tái)公共區(qū)煙氣大量聚集，蔓延范圍遠(yuǎn)高于有軌頂排煙工況。

5 結(jié)論

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

2)車(chē)站列車(chē)火災(zāi)期間，無(wú)論是全封閉站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)還是全高站臺(tái)門(mén)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(tái)公共區(qū)煙氣溫度、危險(xiǎn)高度CO濃度、可見(jiàn)度等指標(biāo)遠(yuǎn)優(yōu)于無(wú)軌頂排煙口工況。

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