高 偉 王方敏 王圣杰 任治立 肖益民

（1.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司 杭州 310014；2.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400045）

0 引言

自21 世紀(jì)以來，地鐵憑借其運(yùn)行速度快、運(yùn)送能力大、環(huán)境污染小、綜合經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)勢(shì)迅速發(fā)展起來，并已成功成為國(guó)內(nèi)中大型城市的主要交通工具[1]。然而，地鐵快速發(fā)展的同時(shí)，地鐵車輛及車站的火災(zāi)安全問題成為備受關(guān)注的重點(diǎn)[2]。根據(jù)相關(guān)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果[3]，大量火災(zāi)實(shí)例中，有80%以上的人員傷亡都是由于沒能及時(shí)疏散導(dǎo)致吸入火災(zāi)所產(chǎn)生的高溫?zé)煔饧坝卸練怏w中毒窒息而死，所以樓扶梯等疏散通道的煙氣控制具有重要意義?！兜罔F設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50157-2013）[4]和《城市軌道交通技術(shù)規(guī)范》（GB 50490-2009）[5]規(guī)定：當(dāng)車站站臺(tái)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，應(yīng)保證站廳至站臺(tái)的樓梯和扶梯口處具有能夠有效阻止煙氣向上蔓延的氣流，且向下氣流的速度不應(yīng)小于1.5m/s。地下多層深埋地鐵車站的站臺(tái)層發(fā)生火災(zāi)時(shí)，由于地鐵出入口至站臺(tái)層補(bǔ)風(fēng)的阻力較大[6]，通常選擇關(guān)閉站臺(tái)門，以防止大量空氣由隧道向站臺(tái)流入而導(dǎo)致樓扶梯口向下的風(fēng)速降低，對(duì)人員疏散安全造成威脅。但地鐵站臺(tái)門處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)仍會(huì)存在縫隙[7,8]，李俊等人在某地鐵車站的測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，列車運(yùn)行站臺(tái)門關(guān)閉時(shí)站臺(tái)和隧道之間仍有較大風(fēng)量的變化[9]。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于站臺(tái)門漏風(fēng)量的研究主要采取數(shù)值模擬、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法。楊巨瀾等人[10]采用STAR-CD 對(duì)上海某地鐵站進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果顯示站臺(tái)門漏風(fēng)量隨地鐵排熱風(fēng)機(jī)壓頭增大而增大。項(xiàng)毅[11]以某典型地鐵站臺(tái)為研究對(duì)象，結(jié)合CFD 和SES 軟件，計(jì)算出列車停站時(shí)間段內(nèi)站臺(tái)門系統(tǒng)的滲透風(fēng)量。李俊[9]和趙成軍[12,13]等人分別通過通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算法對(duì)列車停站階段站臺(tái)門的漏風(fēng)量進(jìn)行了計(jì)算。陳玉遠(yuǎn)等人[14]通過對(duì)武漢某地鐵車站漏風(fēng)量的實(shí)測(cè)，得到了漏風(fēng)量的變化規(guī)律和影響因素。

但上述研究主要針對(duì)地鐵正常運(yùn)行工況下通過站臺(tái)門處的滲漏風(fēng)量計(jì)算，未見在火災(zāi)工況下站臺(tái)門處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)的滲漏風(fēng)量的討論。本文以成都某地下深埋車站為研究對(duì)象，通過通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)法計(jì)算出地鐵車站內(nèi)各通風(fēng)支路阻抗，將其計(jì)算結(jié)果與CFD 模擬結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，本文還建立了漏風(fēng)量計(jì)算的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型，應(yīng)用該模型對(duì)研究對(duì)象在火災(zāi)工況下站臺(tái)門的漏風(fēng)量進(jìn)行了計(jì)算。

1 工程概況

某地鐵車站為地下六層島式車站，其結(jié)構(gòu)特征是：地下二層為站廳層，地下六層為站臺(tái)層，站廳層公共區(qū)面積為4199m2，層高7.9m，站臺(tái)層公共區(qū)面積為2641m2，有效層高5.65m，車站站臺(tái)埋深40m，屬于深埋型車站。站臺(tái)兩側(cè)為行車區(qū)，即車站隧道，通過站臺(tái)門系統(tǒng)將站臺(tái)和隧道隔離。站廳層與站臺(tái)層通過四臺(tái)自動(dòng)扶梯、一臺(tái)步行樓梯相連，布置如圖1、圖2 所示。

圖1 站廳層樓梯扶梯布置示意圖Fig.1 Schematic layout of staircase escalator at station hall level

圖2 站臺(tái)層樓梯扶梯布置示意圖Fig.2 Schematic layout of staircase escalator at station

根據(jù)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，當(dāng)站臺(tái)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，采用大系統(tǒng)站臺(tái)層排煙系統(tǒng)結(jié)合車站隧道排熱風(fēng)機(jī)協(xié)同排煙模式。即開啟兩臺(tái)站臺(tái)層空調(diào)大系統(tǒng)額定風(fēng)量為108000m3/h 的排煙風(fēng)機(jī)和兩臺(tái)軌頂排熱風(fēng)道內(nèi)額定風(fēng)量為144000m3/h 的輔助排煙風(fēng)機(jī)，同時(shí)關(guān)閉站臺(tái)層的空調(diào)系統(tǒng)與站臺(tái)門，通過通道樓梯口自然補(bǔ)風(fēng)。整體系統(tǒng)圖如圖3 所示。

圖3 站臺(tái)層通風(fēng)排煙系統(tǒng)圖Fig.3 Platform level ventilation and smoke exhaust system diagram

2 研究方法

2.1 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型

2.1.1 地鐵車站火災(zāi)工況通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型

站臺(tái)層發(fā)生火災(zāi)時(shí)，站臺(tái)門關(guān)閉的同時(shí)排煙風(fēng)機(jī)開啟，站臺(tái)內(nèi)形成負(fù)壓，室外空氣通過車站出入口和站臺(tái)門縫隙進(jìn)入站臺(tái)。此時(shí)出入口通道、樓梯、站臺(tái)門及活塞風(fēng)道構(gòu)成了一個(gè)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，圖4為該車站的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型。

圖4 車站通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型Fig.4 Station ventilation network model

2.1.2 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)理論

（1）通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)即用圖論的方法對(duì)復(fù)雜的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，將通風(fēng)系統(tǒng)變成一個(gè)由線、點(diǎn)及其屬性組成的系統(tǒng)。通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)理論遵守風(fēng)量平衡定律和風(fēng)壓平衡定律[15]：

式中：Qi為流入與流出某節(jié)點(diǎn)或回路各分支的風(fēng)量，m3/s；hi為任一回路中各分支的風(fēng)壓，Pa。

（2）串聯(lián)管路中各支路流量相等，阻力損失等于各支路阻力損失之和；并聯(lián)管路各支路阻力損失相等，總流量為各支路流量之和[16]。

2.1.3 通風(fēng)支路的阻抗

當(dāng)空氣密度為常數(shù)時(shí)，管路的阻力損失h與體積流量Q的平方成正比，即：

式中：S為管路中沿程阻力和局部阻力的總阻抗，kg/m7；Q為流量，m3/s；d為管徑，m；ξ為局部阻力系數(shù)；λ為沿程阻力系數(shù)；ρ為空氣密度，kg/m3；l為管路長(zhǎng)度，m；A為面積，m2。

一般而言，地鐵通道中的局部阻力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于沿程阻力[13]，因此在估算支路的阻抗時(shí)，可以將沿程阻力忽略，阻抗S僅與局部阻力系數(shù)ξ有關(guān)。則式（4）改為：

串聯(lián)管路總阻抗等于各分支管路阻抗之和：

并聯(lián)管路總阻抗的平方根倒數(shù)等于各分支管路阻抗平方根倒數(shù)之和：

由于地鐵通道內(nèi)局部損失計(jì)算較為復(fù)雜，將各支路內(nèi)的出入口、樓梯等阻力部件簡(jiǎn)化為由門洞、彎頭等基本部件的組合，然后應(yīng)用式（5）、（6）、（7）計(jì)算得到支路阻抗值?；静考木植孔枇ο禂?shù)根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[12]查得。

2.2 通風(fēng)支路阻抗的數(shù)值模擬

因2.1.3 中通風(fēng)支路的阻抗計(jì)算方法較為粗略，可采用流體力學(xué)數(shù)值模擬的方法對(duì)其計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。對(duì)排煙工況下經(jīng)出入口通道、站內(nèi)空間和樓扶梯的補(bǔ)風(fēng)支路建立數(shù)值模型，根據(jù)CFD 模擬結(jié)果，可得支路進(jìn)口和出口之間的壓差，應(yīng)用式（3）可計(jì)算出支路的阻抗值。

2.2.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

由于地鐵車站內(nèi)空間尺寸較大，內(nèi)部設(shè)施較小，在建模時(shí)可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，忽略車站內(nèi)的小尺寸結(jié)構(gòu)，比如閘機(jī)、指示牌等設(shè)施，以降低模型的復(fù)雜性同時(shí)提高計(jì)算域的網(wǎng)格質(zhì)量。所建物理模型如圖5 所示。其中站臺(tái)與站廳中間立柱截面尺寸為0.9m×1.2m；站臺(tái)兩側(cè)有18 個(gè)尺寸為0.5m×1.2m、1 個(gè)尺寸為0.8m×1m 的主排煙口；14個(gè)輔助排煙風(fēng)口設(shè)在土建風(fēng)道內(nèi)側(cè)，尺寸為0.7m×1.7m；站臺(tái)層扶梯開口四周設(shè)置距離吊頂0.5m 高度的擋煙垂壁。結(jié)果的準(zhǔn)確性，分別選取488 萬、593 萬、728 萬、914 萬及1123 萬的體網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行計(jì)算，站廳出入口至站臺(tái)層的壓力損失計(jì)算結(jié)果如圖6 所示。由圖可知，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量由488 萬增加到1123 萬時(shí)，壓力損失變化逐漸趨于平緩，考慮到計(jì)算時(shí)長(zhǎng)和計(jì)算精度，本文選擇網(wǎng)格數(shù)量為728 萬的計(jì)算模型進(jìn)行模擬。

圖5 地鐵車站三維模型圖Fig.5 Subway station 3D model

圖6 出入口至站臺(tái)層壓力損失隨網(wǎng)格數(shù)量變化Fig.6 Pressure loss at the entrance/exit to platform level varies with the number of grids

2.2.2 湍流模型和邊界條件的確定

本研究進(jìn)行CFD 模擬的目的在于計(jì)算排煙工況下地鐵車站內(nèi)各通道的阻抗值，采用Fluent 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，湍流模型選用Standardk-ε模型；站廳層出入口設(shè)為壓力出口邊界條件，開口處壓力為大氣壓力；排煙口設(shè)為速度入口邊界條件，風(fēng)速根據(jù)設(shè)計(jì)排煙量計(jì)算確定；壁面設(shè)為wall 邊界，不考慮車站內(nèi)的熱交換過程。

將車站計(jì)算域拆分成13 個(gè)子域單獨(dú)劃分網(wǎng)格，在網(wǎng)格劃分時(shí)盡量保證截面上網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)分布和網(wǎng)格密度相同，以保證交界面上的計(jì)算精度。在計(jì)算域內(nèi)生成四面體網(wǎng)格，對(duì)樓梯口、站廳出口等流場(chǎng)變化劇烈的地方進(jìn)行局部加密。為保證數(shù)值模擬

3 結(jié)果與分析

3.1 通風(fēng)支路阻抗

3.1.1 傳統(tǒng)方法的計(jì)算結(jié)果

由2.1.3 中的方法，用基本部件局部阻力系數(shù)得到的各支路阻抗值如表1 所示。其中站臺(tái)門因性能和安裝質(zhì)量的差異會(huì)導(dǎo)致其氣密性有所不同，即站臺(tái)門縫隙的面積不同。本文參考李曉鋒等人[17]對(duì)多個(gè)地鐵車站站臺(tái)門氣密性的測(cè)試結(jié)果，取縫隙總面積為1.4～3.3m2進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)空氣流經(jīng)站臺(tái)門縫隙時(shí)，相當(dāng)于先從一個(gè)無限大空間流入斷面很小的縫隙中，再由縫隙流入一個(gè)斷面很大的空間中，因此站臺(tái)門縫隙處的局部阻力系數(shù)可以等效為突縮和突擴(kuò)的阻力系數(shù)之和[18]。

表1 站臺(tái)-出口通道各支路阻抗Table 1 Impedance of each branch of platform-exit channel

根據(jù)圖4 所示的各支路之間串并聯(lián)關(guān)系，結(jié)合式（5）-式（7）分別計(jì)算出站臺(tái)-出入口一側(cè)的總阻抗值為4.58×10-3kg/m7，站臺(tái)門-活塞風(fēng)道一側(cè)的總阻抗值范圍為0.09～0.50kg/m7。

3.1.2 CFD 模擬結(jié)果與傳統(tǒng)計(jì)算法的對(duì)比

CFD 數(shù)值模擬結(jié)果如圖7-圖9 所示。根據(jù)模擬結(jié)果可知站臺(tái)-出入口通道的壓力損失為98.15Pa，風(fēng)量為140m3/s，由（3）計(jì)算可得站臺(tái)-出入口通道的總阻抗為5.01×10-3kg/m7。

圖7 站臺(tái)扶梯開口高度和車站出入口全壓分布圖Fig.7 Platform escalator opening height and station entrance/exit full pressure distribution

圖8 地鐵出入口處速度矢量分布圖Fig.8 Speed vector distribution at subway entrances and exits

圖9 四部樓扶梯截面速度分布矢量圖Fig.9 Cross-sectional velocity distribution vector of four escalators

將站臺(tái)-出入口一側(cè)CFD 數(shù)值模擬的阻抗計(jì)算結(jié)果與傳統(tǒng)計(jì)算法的阻抗計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，兩者相差不超過10%，說明傳統(tǒng)計(jì)算法亦能夠獲得較準(zhǔn)確的地鐵車站通風(fēng)支路的阻抗值，同時(shí)也驗(yàn)證了CFD 模擬結(jié)果的可靠性。

3.2 站臺(tái)門漏風(fēng)量估算

由圖4 可以寫出站臺(tái)層內(nèi)氣流平衡公式：

由通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的回路壓力平衡方程，可得：

根據(jù)式（3）、（8）和（9），可得：

式中：Qexit為通過車站出入口進(jìn)入站臺(tái)內(nèi)的風(fēng)量，m3/s；QPSD為通過站臺(tái)門縫隙進(jìn)入站臺(tái)內(nèi)的風(fēng)量，m3/s；Qp1為通過大系統(tǒng)排煙風(fēng)機(jī)排出的風(fēng)量，m3/s；Qp2為通過軌排輔助排煙風(fēng)機(jī)排出的風(fēng)量，m3/s；hexit為站臺(tái)-出入口支路的總阻力損失，Pa；hPSD為站臺(tái)門-活塞風(fēng)道支路的總阻力損失，Pa；Sexit為站臺(tái)-出入口支路的總阻抗值，kg/m7；SPSD為站臺(tái)門-活塞風(fēng)道支路的總阻抗值，kg/m7。

結(jié)合公式（8）、（9）、（10）可計(jì)算得到站臺(tái)門的漏風(fēng)量，如圖10 所示。可以看出，站臺(tái)門漏風(fēng)量隨著站臺(tái)門縫隙面積的增大而增大，當(dāng)縫隙面積由1.4m2增加到3.3m2時(shí)，站臺(tái)門漏風(fēng)量由12.2m3/s增加到25.7m3/s，占設(shè)計(jì)排煙量的比值由8.77%上升到18.34%。由公式（10）可知，站臺(tái)門漏風(fēng)量取決于站臺(tái)-出入口支路阻抗平方根與站臺(tái)門-活塞風(fēng)道支路阻抗平方根的比值，當(dāng)車站內(nèi)部各通風(fēng)支路阻抗確定時(shí)，減小漏風(fēng)量的關(guān)鍵為減小站臺(tái)門縫隙面積，即提高站臺(tái)門的密閉性。

圖10 站臺(tái)門漏風(fēng)量隨縫隙面積變化Fig.10 Variation of air leakage from station doors with gap area

4 結(jié)論

關(guān)閉站臺(tái)門系統(tǒng)是解決深埋地鐵車站排煙系統(tǒng)在站臺(tái)火災(zāi)工況下樓梯口下行風(fēng)速不滿足規(guī)范要求問題的一種方式，但站臺(tái)門處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)仍會(huì)有部分空氣由縫隙進(jìn)入站臺(tái)。為計(jì)算這部分漏風(fēng)量，本文基于通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)理論，計(jì)算了車站內(nèi)各通風(fēng)支路的阻抗值，并與CFD 數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較，兩種計(jì)算方法的結(jié)果接近，驗(yàn)證了阻抗計(jì)算值可用于通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算。

在此基礎(chǔ)上，通過建立的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型，計(jì)算了站臺(tái)門縫隙處的滲漏風(fēng)量，結(jié)果表明，隨著站臺(tái)門的安裝密閉性降低，漏風(fēng)量由12.27m3/s 增加到25.67m3/s，占設(shè)計(jì)排煙量的比值為8.77～18.34%。

CFD 模擬雖然能夠詳細(xì)模擬出車站內(nèi)氣流組織和壓力分布情況，但對(duì)于實(shí)際工程而言，數(shù)值模擬耗時(shí)較長(zhǎng)，工作量大。本文研究表明，采用流體力學(xué)傳統(tǒng)計(jì)算法的計(jì)算結(jié)果同樣能夠滿足工程精度要求，并且更簡(jiǎn)單方便，能夠節(jié)省大量計(jì)算時(shí)間。