軌頂排煙口對地鐵地下車站火災排煙效果影響研究*

李 建，史聰靈，胥 旋，車洪磊

(中國安全生產科學研究院 地鐵火災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、準點率高、能耗低和污染少等優點而成為城市客流輸送的主要工具。火災安全一直是地鐵安全設計中的重要方面，當前在地鐵火災研究方面主要采用火災試驗研究和數值模擬研究，其中火災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隧道火災情況下隧道內煙氣溫度分布；史聰靈等[2-4]通過建立1∶10的地鐵站臺模型，研究車站公共區及軌行區火災工況的煙氣擴散規律，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，發現地鐵車站內煙氣蔓延規律，和活塞風對煙氣蔓延的影響規律。在計算機模擬方面，Shafee和Yozgatligil[6]采用CFD數值模擬，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、長大區間、多線換乘等多種特殊結構車站進行了數值模擬，對屏蔽門開啟模式及區間隧道排煙模式等進行了專項研究；李炎鋒等[10]結合換乘站內部結構特征和國內外相關規范，探討了換乘站防排煙系統設計和運行的技術難點，指出了換乘站火災場景設計以及多因素耦合煙氣擴散規律是未來開展換乘站防排煙系統研究的重點方向。針對取消軌底/軌頂排煙口和車站隧道排熱/排煙風機，學者從不同方面開展了研究。劉伊江[11]研究得出軌頂排風道實際排熱效率很低，隧道內熱沉積有其固有規律，不需要軌頂風道排熱，當列車火災?？空九_時，軌頂排風道作用較小，因此建議取消軌頂排風道；張雄[12]采用SES軟件進行模擬計算，驗證地下車站排熱系統取消軌頂風道、僅保留軌底風道的可行性，發現取消軌底風道后隧道內最高溫度有小幅上升，但取消軌底風道后，需增大軌頂風道的斷面面積；唐凱[13]采用實測、數值模擬等方法，發現取消軌底風道后隧道內溫度變化不明顯，但冷凝器上方溫度較高，不利于列車空調正常運轉，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，不建議取消軌底風道。

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

1 地鐵站物理模型

數值模擬選取的車站為目前國內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。站臺與站廳之間設置3組樓扶梯，設置1座直梯。沿著站臺邊緣設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置

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

表1 模擬工況設置Table 1 Simulated working conditions settings

站臺火災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，將火源功率設置為2.5 MW。火源采用t2增長火，500 s時火源功率達到設定值，并保持穩定。車站列車火災中，火源功率設置為國內地鐵設計中普遍采用的7.5 MW，其火災升溫曲線約10 min達到峰值。

站臺火災火源面積為0.8 m×0.8 m，火源位置為站臺中央；列車火災按照1節車廂著火，并考慮50%冗余，因此火源面積為36 m×2.8 m。參考現有文獻[15]，網格尺寸取0.2 m×0.2 m×0.2 m，總網格數為5 062 500個。發生站臺公共區火災時，全封閉站臺門情況下，開啟站臺兩側兩端各1扇滑動門；全高站臺門情況下，不開啟站臺門。車站列車火災可能需要疏散乘客，因此開啟一側所有站臺門滑動門。站臺火災危險高度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。

測點設置如圖1所示。測點包括：縱向測點，在站臺兩側每隔10 m設置熱電偶樹(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的間隔共設置10個熱電偶，站臺兩側共設置有24個熱電偶樹；水平測點，在站臺每側危險高度處，每隔10 m設置測點，測量參數包括煙氣溫度、CO濃度、可見度。

圖1 站臺火災和車站列車火災溫度測點布置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防排煙影響

圖2～4為全封閉站臺門系統在站臺火災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 站臺火災期間頂棚煙氣溫度分布Fig.2 Ceiling temperature distribution during platform fire

圖3 站臺火災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。以上結果為全封閉站臺門系統下有無軌頂排煙口的影響。從數值模擬結果來看，全高站臺門系統下影響規律類似。

有軌頂排煙口工況下站臺公共區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。站臺公共區火災期間，公共區排煙口、風機起主要排煙作用，區間隧道風口、風機和車站隧道軌頂排煙口、風機起輔助排煙作用。從數值模擬結果來看，取消軌頂排煙口對站臺公共區火災排煙效果影響有限。

4 取消軌頂排煙口對車站列車火災防排煙影響

圖5為全封閉站臺門系統和全高站臺門系統下車站列車火災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還是全高站臺門系統、火災發展階段(3 min)還是火災穩定階段(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。

以上結論主要針對全封閉站臺門系統，從模擬結果來看，全高站臺門系統也有類似規律。

圖6 車站列車火災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，車站列車火災期間，無論是全封閉站臺門系統還是全高站臺門系統、火災發展階段(3 min)還是火災穩定階段(10 min)，有軌頂排煙口工況下，站臺公共區排煙效果遠好于無軌頂排煙口工況。因為車站列車火災期間，列車頂部的軌頂排煙口起到主要排煙作用，公共區排煙口、風機和區間隧道排煙口、風機起輔助排煙作用。一旦取消了軌頂排煙口，列車產生的煙氣無法及時排除，導致大量煙氣蔓延至站臺公共區，使得站臺公共區煙氣大量聚集，蔓延范圍遠高于有軌頂排煙工況。

5 結論

1)站臺公共區火災期間，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)車站列車火災期間，無論是全封閉站臺門系統還是全高站臺門系統、火災發展階段還是火災穩定階段，有軌頂排煙口工況下，站臺公共區煙氣溫度、危險高度CO濃度、可見度等指標遠優于無軌頂排煙口工況。

3)根據數值模擬結果，相對于當前主流有軌頂排煙口設計，取消軌頂排煙口對站臺公共區火災排煙效果影響有限，但是會顯著降低車站列車火災排煙效果。