深埋島式高鐵車站站臺火災煙氣蔓延特性及防控研究

冉春雨 任 浩 鄧保順 付智杰 謝永亮 畢海權 張曉林

（1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司 西安 710043；2.西南交通大學機械工程學院 成都 610031）

0 引言

伴隨經濟的發展，高速鐵路成為新時代寵兒。高速鐵路作為新興的運輸手段，可以滿足人們對交通工具快速便捷高效環保的要求。進入21世紀后，國內高速鐵路建設日新月異，呈現井噴之勢。然而，隨著城市軌道交通的迅速發展，城市土地資源也越法緊張，因此為了節約用地，我國新建的一批地下高鐵車站，如成都天府國際機場站、深圳福田站、北京京雄城際新機場站等，均布置于地下空間。此外，由于這類車站的功能主要是作為交通樞紐，因此功能復雜的車站形式，相互交叉的線路布置形式，使得車站的埋深越來越大，對火災排煙設計安全性提出了更高的要求。因此，開展有關高鐵地下車站火災煙氣運動及防控方面的研究，對提高高鐵地下車站的消防設計水平和火災應急處置能力有重要意義。

國內外對淺埋地鐵火災的研究較多[1-4]，而對埋深較大地下車站火災研究不夠深入。鐘茂華等[5]研究了地鐵島式站臺的列車火災煙氣蔓延問題；史聰靈等[6-8]分析了一種地面1層、地下5層的深埋島式車站的煙氣蔓延過程和排煙模式，認為站廳到站臺的樓扶梯開口處向下自然補風速度應達到1.5m/s；毛軍等[9]分析了分離式深埋地鐵車站的火災煙氣運動及防控，認為站臺層火災的排煙需采取車站與隧道風機的合理匹配運行模式；高俊霞等[10]研究了類似深埋車站的通風排煙設計問題，樓扶梯開口處的風速設計值仍參照了普通地鐵設計規范[11]。可見：既有工作主要是研究淺埋地鐵或站廳與站臺整體下沉的深埋地鐵車站的火災煙氣問題，對于站廳、站臺分離，通過長通道聯接的深埋島式地鐵及高鐵地下車站，尚未開展有關火災問題的深入研究。雖然地鐵地下車站與高鐵地下車站在結構上具有很強的相似性，但后者的站臺公共區域空間更高大更狹長，出入口樓梯的爬升高度更大、聯接站廳層與站臺層的樓扶梯通道也更長，火災煙氣運動具有新的特點，對于煙氣控制問題急需做出相關驗證，為高鐵相應規范的確立提供參考。

為此，選擇典型的深埋島式高鐵地下車站站點，通過數值模擬，研究站點內煙氣蔓延規律；給出站點內煙氣溫度、碳煙密度、樓梯通道風速等特征參數的分布情況；研究火災時站點內有效的氣流組織形式、車站通風空調系統及隧道排煙系統的運行模式；研究指定的通風排煙設計條件下，煙氣是否可以得以有效控制，以及車站的扶梯通道在火災時是否保持正壓性和有無煙氣進入。

1 車站及站臺情況

選取的高鐵地下車站為地下兩層的雙島六線式結構。地下一層為站廳層，地下二層為站臺層，兩層之間通過扶梯連接，上行下行各4組。同時在站臺兩端均設有設備房和疏散樓梯間，其中疏散樓梯間可以為人員緊急疏散提供通道。地下車站模型如圖1所示。

圖1 高鐵地下車站模型圖Fig.1 Model of high-speed railway underground station

1.1 站臺空間情況

車站站臺公共區域狹長，有效長度450m，寬度為12.5m，高度為6.25m，并在沿中心線縱向均勻設有1200mm×1500mm的立柱。站臺與站廳之間通過8組扶梯連接，其中與直達電梯相臨的4組扶梯開口連通部位的凈空尺寸為（長×寬）10200mm×10200mm，其他4組扶梯開口連通部位的凈空尺寸為13500mm×6800mm。

1.2 車站通風排煙系統

車站通風排煙開口位置如圖2所示。

圖2 站臺公共區排煙模型圖Fig.2 Smoke exhaust model drawing of platform public area

車站站臺為完全對稱的兩部分，排煙系統也完全對稱，每一部分沿中心線分為兩個防煙分區，每個防煙分區長225m。其中每個防煙分區均沿站臺縱向均勻設置排煙管道，排煙風量總計約為178200m3/h，此外，當站臺排煙系統開啟的同時，站廳區域會開啟送風系統，通過站臺與站廳連接扶梯通道為站臺補風。

車站隧道通風系統采用的軌頂排風系統，在軌頂風道布置側開口，裝有電動風閥，可以輔助站臺排煙，共配有4臺TEF風機，每臺風量為100m3/s。

1.3 站臺火災運行方式

當站臺發生火災時，利用站臺排煙系統進行排煙，站廳補風系統進行補風；也可站臺與軌頂排煙系統匹配運行。

2 數值模擬設定

2.1 模擬場景及工況

首先，根據消防系統設計的需要，確定站臺火災的場景與模擬工況。考慮站臺火災最易發生在乘客等候區，選取不利于排煙的端部火源位置；發生火災多為行李火災，因而確定火災功率為1.5MW。計算和分析多個個火災工況，其中的2個典型工況如表1所示，分別代表了2種不同的排煙模式。

表1 數值模擬的場景和工況Table 1 Numerical simulation scenario

2.2 研究方法

通過數值計算的方法，對地下車站站臺的火災發展、煙氣擴散、排煙、送風、阻煙效果進行研究和分析。采用的計算機模擬方案如下：

（1）場模擬計算

使用三維數值軟件STAR-CCM+中煙火向導板塊，采用場模擬計算的方法對整個站點內的火災煙氣蔓延與控制情況進行數值模擬。

通過對幾何空間進行網格劃分，同時設置計算模型和邊界條件，如燃燒反應模型、火源功率與火災增長系數、燃燒時間、邊界熱交換屬性、通風口大小與流量等參數，進而計算整個空間區域的溫度、碳煙密度、樓梯間風速等火災特征參數的詳細分布。

（2）空間網格劃分

為了保證網格的精確解析，在流動和熱交換迅速的區域采用局部網格加密，對著火區域、煙氣層覆蓋區域、其余站臺區域、站廳區域等分別設置網格解析大小，如此可有效地減少計算時間消耗。計算模擬思想如圖3所示。

圖3 深埋高鐵車站火災的模擬計算方案Fig.3 Calculation scheme of fire in deep buried high-speed rail station

火災被分為3大區域，即起火點、煙氣蔓延區域及其他所有空間。分別對這3個區域內的物理條件進行同步模擬，給出車站空間的火災發展和煙氣蔓延的總趨勢。為確保火災模擬的準確性，應在火源附近使用較小的網格尺寸。在這項研究中，使用了切割體網格，火源附近及煙氣流動區域采用0.2m的網格大小，其余區域采用0.4m，燃燒火源截面的網格如圖4所示。整個數值模型包括大約600萬個網格。

圖4 火源附近網格場景Fig.4 Gird around the fire

（3）設定站臺危險高度

當實際的煙氣層高度h大于危險高度時，則認為是安全的[12-14]，即

其中，Hs可按以下公式計算：

式中：Hs為危險高度，m；H為排煙空間的建筑高度，m。

因此，算例中確定的站臺危險高度：Hs=2.0m。

（4）參數設計

場模擬的計算條件和初始參數設置如下：

①火災形勢：站臺火災；

②穩定火源功率：1.5MW；

③火災增長系數：0.4689kW/s2；

④初始條件：環境溫度為20℃，站臺內各處壓力為大氣壓，風速均為0，考慮重力對流場的影響；

⑤邊界條件：逃生出口設為壓力出口邊界，相對大氣壓強為0；排煙口及送風口為速度邊界；壁面為絕熱壁面，輻射系數為0.85；

⑥計算時間：6min。

3 結果分析

3.1 采用單獨的站臺排煙系統時的站臺火災場景

站臺端部發生火災開啟單獨的站臺排煙系統即工況1的煙氣縱向蔓延云圖如圖5所示。火災發生至60s時，站臺頂棚已有明顯的煙氣聚集，隨著火災的進一步發展，熱煙氣沿著站臺狹長空間縱向流動，頂棚煙氣進一步積聚并產生明顯分層。梁左側框內、柱子左側框內、配電所中間框內以及扶梯處擋煙垂壁右側框內可以阻擋煙氣的流動，可見在火災發生360s內，煙氣緩慢蔓延至第一個扶梯擋煙垂壁的左側，煙氣的單向流動長度為103m，煙氣層高度略高于擋煙垂壁下沿的標高3m，煙氣層厚度約為5.2m。由于形成的煙氣層高度明顯高于2m，即除火源位置外，整個站臺層人高2m平面處并沒有沉降煙氣，且并無煙氣流入扶梯通道，站臺區域繼續維持良好的無煙環境，因為在既有的排煙系統作用下，可以為人員疏散提供很好的無煙環境。

圖5 站臺中心縱向截面碳煙密度變化Fig.5 Change of soot density in longitudinal section of platform center

站臺逃生路線上頂棚溫度變化如圖6所示。PIARC指出，人員在幾分鐘內能夠忍受的輻射熱量極限為2～2.5kW/m2。當輻射熱量為2.5kW/m2時，6m高、8m寬的隧道對應煙氣溫度為180℃，這與此站臺狹長結構十分相似，因而也可以借此指標作為參考。由圖可見，相同時間下的頂棚溫度隨距火源中心距離的增加而降低，相同位置的頂棚溫度隨火災發展時間明顯升高，同時各位置溫度在火災發生240s后趨于穩定，由圖可見站臺距火源30m外各位置的頂棚溫度的最高值為67℃左右，遠小于PIARC指出的180℃。在既有的排煙系統作用下，火災發生240s以后，頂棚溫度趨于穩定，熱量得到有效排出，輻射熱量控制在人體可接受范圍內。

圖6 逃生路線上頂棚溫度變化Fig.6 Ceiling temperature change on escape route

站臺逃生路線上高2m平面處溫度變化如圖7所示。隨著火災的發展，高2m平面處的溫度有極小幅度升高，但穩定在25℃以下，這符合地面2m高度處的溫度不得超過60℃的要求[15]。

圖7 逃生路線上高2m處溫度變化Fig.7 Temperature change at height 2m on the escape route

站臺-站廳扶梯通道風速變化圖如圖8所示。1號扶梯口最大下行風速1.17m/s、最小下行風速0.8m/s，平均下行風速0.96m/s；2號扶梯口最大下行風速1m/s、最小下行風速0.39m/s，平均下行風速0.8m/s；3號扶梯口最大下行風速1.64m/s、最小下行風速1.48m/s，平均下行風速1.54m/s。1、2號樓梯間平均風速未達到規范要求的1.5m/s，3號樓梯間平均風速達到了規范要求的1.5m/s。由圖1模型圖可知，這是由于樓梯1與樓梯2均是朝向左側，且兩樓梯之間的空間較小，站廳左側被排走的煙氣和空氣所形成的負壓同時影響樓梯1、2的風速；此外由于高鐵車站的空間很大，站廳向站臺送風氣流沿程衰減，導致風速較小。

圖8 扶梯通道的風速變化Fig.8 Change of wind speed in escalator passage

總而言之，站臺端部發生火災，采用獨立的站臺排煙系統，雖然煙氣層厚度高達5.3m，但由于高鐵地下車站的龐大空間，煙氣層高度仍有3m，使得煙氣仍然可以得到有效的控制，為人員疏散創造安全的環境。

3.2 采用站臺風機與軌頂風機匹配運行時的站臺火災場景

站臺端部發生火災開啟軌頂排煙風機輔助排煙即工況2的煙氣縱向蔓延云圖如圖9所示。與工況1不同的是，工況2前120s由于TEF風機通過軌頂側風道產生的強烈氣流對煙氣流動的具有進一步擾動作用，排出煙氣的速度更快，但這也嚴重干擾了煙氣層的形成，使得煙氣層高度很低，直到180s才有明顯的分層。可見在火災發生360s內，煙氣緩慢流動，煙氣的單向流動長度約為22.5m，但煙氣層高度很低。其中火災發展的240s～360s內可見，靠近火源處的人高2m平面有煙氣沉降。由于火源位置為站臺端部，火災發生至240s時，煙氣流動長度僅有20m，此時人員已逃離出此區域，因為在既有的排煙系統作用下，可以為人員疏散提供很好的無煙環境。

圖9 站臺中心縱向截面碳煙密度變化Fig.9 Change of soot density in longitudinal section of platform center

站臺逃生路線上頂棚溫度變化如圖10所示。距火源距離26m內，相同時間下的頂棚溫度隨距火源中心距離的增加急劇降低，相同位置的頂棚溫度隨火災發展時間明顯升高，在距離火源26m處的頂棚溫度維持在正常環境溫度，或者說頂棚熱煙氣并未蔓延至距火源26m之外的區域。在軌頂風機的輔助排煙作用下，熱量可以得到更有效的排出，輻射熱量不會對人體產生影響。

圖10 逃生路線上頂棚溫度變化Fig.10 Ceiling temperature change on escape route

站臺逃生路線上高2m平面處溫度變化如圖11所示。在火災發生的360s內，高2m平面處的溫度穩定在25℃以下，這依然很好的滿足地面2m高度處的溫度不得超過60℃的要求[15]。

圖11 逃生路線上高2m處的溫度變化Fig.11 Temperature change at height 2m on the escape route

站臺-站廳扶梯通道風速變化圖如圖12所示。1號扶梯口最大下行風速2.1m/s、最小下行風速1.93m/s，平均下行風速2.02m/s；2號扶梯口最大下行風速2.38m/s、最小下行風速2.26m/s，平均下行風速2.33m/s；3號扶梯口最大下行風速2.75m/s、最小下行風速2.64m/s，平均下行風速2.65m/s。1、2、3號樓梯間平均風速均達到規范要求的1.5m/s。

圖12 扶梯通道風速變化Fig.12 Change of wind speed in escalator passage

結合煙氣蔓延情況可見，由于扶梯附近的擋煙垂壁對煙氣有效的阻隔，加上扶梯間穩定的下行風速作用，并無煙氣進入扶梯通道，更無煙氣進入站廳區域，可以保證站廳公共區處于無煙環境之中。

總而言之，站臺端部發生火災，采用站臺風機與軌頂風機匹配運行時，強烈的氣流擾動嚴重干擾了煙氣層的形成的同時，將煙氣控制在360s內僅流動23m。此外，站臺與站廳之間形成了更大的壓力差，使連接兩者的扶梯通道形成的下行風速也超過了1.5m/s。

4 結論

（1）高鐵地下車站站臺區域空間雖然狹長受限，但由于層高更高，空間更大，有了更大的儲煙空間，使得煙氣層高度相對較高，煙氣更難蔓延至2m平面，配合相應的排煙系統，有利于人員疏散。

（2）當站臺端部乘客等候區發生火災時，地下高鐵站雖然深埋較大，排煙阻力比大部分地鐵站大，采用車站的獨立排煙系統，若每臺排煙風機的風量達到178200m3/h，仍可以滿足人員疏散的要求。與車站的獨立排煙系統相比，采用站臺與軌頂排煙系統匹配運行，如若每臺TEF 風量達到360000m3/h，可以更加有效限制煙氣的流動的同時，彌補扶梯1與2風速不足1.5m/s的缺陷，創造更安全的人員疏散環境。

（3）排煙模式應采用：站臺火災時，關閉站廳排煙系統，開啟站臺排煙系統對站臺進行控制，同時開啟軌頂排煙風機，打開軌頂風道側風閥，對站臺進行輔助排煙。