地铁站台层不同楼梯结构对排烟模式.doc

地铁站台层不同楼梯结构对排烟模式的影响研究 南京工业大学暖通空调研究所，阎丽萍1 江苏 南京 210009；摘要：由于地铁站台层空间狭小，故其建筑结构形式如楼梯的位置设置及开口朝向方式对火灾烟气的流动会产生较大的影响。采用CFD方法，对采用不同楼梯结构的站台层内车厢中央位置着火时的烟气扩散进行数值模拟，比较楼梯结构对防排烟模式的影响。结果表明：挡烟垂壁和楼梯口向下气流使得火灾时防烟分区效果较为明显，对烟气在整个站台层内的扩散起到了很好的阻碍作用；采用轨顶垂直排烟时，能及时有效的排出大量烟气，而采用两端水平排烟时，排出烟气中混有大量空气，大大降低了排烟效率；楼梯呈“”分布，且采用轨顶垂直排烟模式对站台层内火灾烟气的扩散起到了很好的控制效果，对人员安全疏散较为有利。关键词：地铁站；火灾；烟气控制；结构Research of Smoke Control Model of Different Structures in Subway Station FireYAN Liping1（1. Nangjing University of Technology, Nangjing Jiangsu 210009）Abstract: The platform layer of the subway station was a confined space, so the different structures, such as the location and structure of stairs, have a vital influence in the subway station fires. In this paper, the fire was located on the carriages of the train on platform layer to simulate the smoke diffusion by CFD, the effects of different structure on different smoke control models had been compared. And the results indicated that the hang wall and the down air flow can block the smoke in the smoke-preventing subarea near fire source, the vertical smoke-exhausting model is more efficient than the transverse model which exhausted the smoke and the air at the same time. Comparing the results, the stairs of vertical smoke-exhausting model as ” setting was most advantageous. Keywords: subway station, fire, smoke control, structure1 引言在地铁运营过程中，火灾是一个不容忽视的问题。地铁属于人员密集场所，如上海地铁人民广场站的日均旅客流量达到了25万人次，一旦发生火灾，烟气便很快在车站或隧道中蔓延开来，人员的安全疏散是一件非常困难的事情，很容易造成群死群伤的恶性事故。如：1987年英国伦敦地铁君王十字车站由于木质自动扶梯在燃烧过程中产生了轰燃，导致了31人死亡的火灾事故；1995年阿塞拜疆巴库地铁由于列车发动机电气老化短路引起火灾，导致了337人死亡，227人严重受伤；2003年2月发生在韩国大邱地铁的人为纵火灾难，造成至少138人死亡，99人失踪1-3。因此，地铁发生火灾时如何有效地控制烟气是人员能否安全疏散和消防救援的必要条件。由于地铁站台自身的可燃物较少，站台本身发生火灾的可能性很小，因此重点考虑对人员疏散最为不利的情况下，即列车停靠在站台层时中部车厢发生火灾时，不同楼梯的位置设置及开口朝向方式对不同防排烟模式的影响进行研究，以寻求不同站台层内楼梯结构所对应的最佳防排烟模式。2. 物理模型地铁站台层模型采用典型的岛式站台层，在不考虑站厅层的情况下，站台层有效空间为（长宽高）120m14m4m，单轨道为（长宽高）120m3m4m。站台层设有4部直线形楼梯与站厅层连接，并在楼梯口设置0.5m高的挡烟垂壁，楼梯开口连通部位的净空尺寸为（长宽）6m5m，对4部楼梯的开口朝向形式及位置设置进行2种类型排列。根据地铁设计规范（GB-50157-2003）每个防烟分区不宜超过750m2的要求，采用高度为0.5m的挡烟垂壁将站台层均分成4个防烟分区。站台层采取传统的防排烟模式，即是站台层排烟，站厅层送风，形成站台层负压状态。排烟量按建筑面积1m3/（m2min），同时火灾时楼梯口形成不小于1.5m/s的向下气流。火灾情况下，一列车乘客和站台上候车的乘客及工作人员6min内全部撤离站台4-6。目前常用的地铁紧急通风模式式有全排风通风模式(all exhausts)和“推挽式”通风模式(push-pull)两种，列车中部发生火灾时情况比较特殊，此时不宜采用推挽式通风模式，因为不论从哪一端送风，总会使一侧站台(送风的下游方向)烟气浓度较高，造成乘客疏散困难7。全通风模式又分为两端水平排烟和轨顶垂直排烟2种模式。采用两端风机模式时，在站台层两端各设置2台排烟风机，共4台，每个排烟口面积为11m2；采用轨顶排烟模式时，每个防烟分区在站台两侧的轨道顶部均匀设置2排排烟口，共8个，每个排烟口面积为10.5m2。(a) 楼梯口朝向为“”分布型站台层 (b) 楼梯口朝向为“”分布型站台层图1 地铁站站台层物理模型Fig.1 Physical model of platform layer3. 数学模型及边界条件3.1 数学模型采用CFD数值模拟方法，对岛式站台层烟气扩散与控制进行模拟计算分析。火灾时烟气的扩散控制作了三维场模拟，火灾烟气的湍流流动可用能量方程、动量方程、连续性方程、组分方程和方程共同来描述。这些方程都有共同的形式8： (1)式中t为时间，s；为烟气密度，kg/m3；u为扩散速度，m/s；为通用变量；为烟气扩散系数；为源项。湍流模型选用带浮力修正的K-两方程模型，辐射模型采用Rosseland辐射模型，介质吸收系数取0.1，介质散射系数取0.019。离散方法采用有限容积法，差分格式选用混合格式，求解方法为SIMPLEC算法，计算终止时间为360s，时间步长为1s，迭代收敛判据为10-3。边界条件采用附加源项法进行处理，计算网格采用正交的结构化网格。在实际情况中，火灾时热量和烟气的释放率是随着火灾的发展而变化的。为了更好地模拟出火灾过程中地铁车站内温度和烟气浓度的变化，必须使用瞬态模拟，热量和烟气释放率均为时间的函数。本文采用文献10推荐的时间平方函数，热量释放在最初的115s内从零增长到10.5MW，烟气释放从零增长到8.06kgs-1。3.2 边界条件隧道口初始压力出口取大气压力（1atm），地铁站内初始环境温度取300K1，依据现行地铁设计规范的规定计算，每个防烟分区排烟量取7m3/s。4. 烟气扩散分析火灾烟气是否对人体构成直接危害的判据主要有三个：高温、遮光性和毒性。本次模拟分析主要考虑人眼特征高度处的烟气浓度和温度。人眼特征高度通常为1.2m-1.8m，本次模拟中取1.6m。实验研究表明，当热烟气层界面高度低于人眼特征高度时，如烟气层温度达110120，则对人体构成直接烧伤危害11。根据美国NFPA对火灾死亡原因的调查得知，烟气是造成火灾死亡的主要原因。而资料表明CO2浓度通常10倍于CO和SO2，因此以CO2作为火灾危险状态判据，一般认为火灾烟气CO2的体积分数为3时达到危险状态12，即CO2的体积分数应小于3，相对应的烟气质量分数(烟气的质量占烟气加空气质量的百分值)为0.046，即4.6%。以下为站台层楼梯位置设置及其开口朝向2种分布形式下采用不同排烟模式时站台层烟气蔓延扩散情况。4.1 楼梯“”分布型 隧道口水平排烟模式(a) 1.6m水平面(b) 垂直站台层中心面图2 360s时未安装屏蔽门站台层烟气分布图Fig.2 Smoke distribution of the platform layer without PED at 360s图3 360s时站台层烟气分布图 图4 360s时站台层温度分布图Fig.3 Smoke distribution of platform layer at 360s Fig.4 Temperature distribution of platform layer at 360s由图2-4可知，火灾发生360s时，烟气已在整个站台层扩散蔓延并沉降至地面，近火源处两防烟分区内烟气浓度、温度较高，烟气平均质量分数为1.0510-1，远大于4.6%，对人员危害较大，平均温度分别为385K，对人体构成直接烧伤危害。远火源处两防烟分区内烟气较稀，温度较低，烟气平均质量分数为3.010-2，平均温度为315K，人员相对较为安全。在向下气流的作用，楼梯口保持无烟。而火源轨道顶部烟气浓度、温度相对更高，火源正上方烟气质量分数最高达6.010-1，最高温度为900K。4.2 楼梯“”分布型 轨顶垂直排烟模式(a) 1.8m水平面(b) 垂直站台层中心面图5 360s时未安装屏蔽门站台层烟气分布图Fig.5 Smoke distribution of the platform layer without PED at 360s图6 360s时站台层烟气分布图 图7 360s时站台层温度分布图Fig.6 Smoke distribution of platform layer at 360s Fig.7 Temperature distribution of platform layer at 360s同样，由图5-7可知，火灾发生360s时，烟气也扩散至整个站台层并沉降至地面，近火源两防烟分区内烟气平均质量分数分别为8.510-2，大于4.6%，对人员危害较大，平均温度分别为375K，接近直接烧伤温度。远火源处两防烟分区内烟气较稀，温度较低，烟气平均质量分数均为2.010-2，平均温度均为310K，人员相对较为安全。在向下气流的作用，楼梯口保持无烟。而火源轨道顶部烟气浓度、温度相对更高，火源正上方烟气质量分数最高达5.010-1，最高温度为880K，容易造成火源附近排烟风机失效。4.3 楼梯“”分布型 隧道口水平排烟模式(a) 1.6m水平面(b) 垂直站台层中心面图8 360s时未安装屏蔽门站台层烟气分布图Fig.8 Smoke distribution of the platform layer without PED at 360s图9 360s时站台层烟气分布图 图10 360s时站台层温度分布图 Fig.9 Smoke distribution of platform layer at 360s Fig.10 Temperature distribution of platform layer at 360s同样，由图8-10可知，火灾发生360s时，烟气也扩散至整个站台层并沉降至地面，近火源两防烟分区内烟气平均质量分数分别为1.3510-1，远大于4.6%，对人员危害较大，平均温度分别为475K，对人体构成直接烧伤危害。远火源处两防烟分区内烟气较稀，温度较低，烟气平均质量分数均为8.010-2，大于4.6%，对人员危害较大，平均温度均为375K，接近直接烧伤温度。在向下气流的作用，楼梯口保持无烟。而火源轨道顶部烟气浓度、温度相对更高，火源正上方烟气质量分数最高达4.510-1，最高温度为855K。4.4 楼梯“”分布型 轨顶垂直排烟模式(a) 1.8m水平面(b) 垂直站台层中心面图11 360s时未安装屏蔽门站台层烟气分布图Fig.11 Smoke distribution of the platform layer without PED at 360s图12 360s时站台层烟气分布图 图13 360s时站台层温度分布图Fig.12 Smoke distribution of platform layer at 360s Fig.13 Temperature distribution of platform layer at 360s同样，由图11-13可知，火灾发生360s时，烟气也扩散至整个站台层并沉降至地面，近火源两防烟分区内烟气平均质量分数分别为8.7510-2，远大于4.6%，对人员危害较大，平均温度分别为405K，对人体构成直接烧伤危害。远火源处两防烟分区内烟气较稀，温度较低，烟气平均质量分数均为2.510-2，平均温度均为325K，人员相对较为安全。在向下气流的作用，楼梯口保持无烟。而火源轨道顶部烟气浓度、温度相对更高，火源正上方烟气质量分数最高达3.7510-1，最高温度为725K，也容易造成火源附近排烟风机失效。4.4 讨论4.4.1 在楼梯“”分布型站台层中，由于楼梯开口朝向隧道口，楼梯口向下的空气由站台层中间向两端扩散，和烟气扩散趋势相一致，加速了烟气的扩散，同时在楼梯口附近形成局部高压，使得烟气只能从楼梯两侧进入远火源防烟分区内；在楼梯“”分布型站台层中，楼梯开口朝向站台层中央，使得楼梯口向下的空气由两端向站台层中间扩散，和烟气扩散趋势相反，造成烟气大量淤积在站台层内，无法排出，同样，楼梯口向下的空气在楼梯口附近形成局部高压，使得烟气只能从楼梯两侧进入远火源防烟分区内；4.4.2 在楼梯“”分布型站台层中，当采用轨顶垂直排烟时，近火源2防烟分区平均质量分数较采用两端水平排烟时降低19.1%，平均温度为降低10K；远火源2防烟分区平均质量分数较采用两端水平排烟时降低33.3%，平均温度5K；且轨顶温度降低了20K；在楼梯“”分布型站台层中，当采用轨顶垂直排烟时，近火源2防烟分区平均质量分数较采用两端水平排烟时降低35.2%，平均温度为降低70K；远火源2防烟分区平均质量分数较采用两端水平排烟时降低68.8%，平均温度50K；且轨顶温度降低了130K；主要是采用轨顶垂直排烟时，排烟口均匀分布在轨道上方，大量烟气被排出，当采用两端水平排烟时，排烟口被布置在隧道口附件，排出烟气中混有大量空气，大大降低了排烟效率；4.4.3 当采用两端水平排烟时，楼梯“”分布型站台层近火源2防烟分区平均质量分数较楼梯“”分布型站台层中降低22.2%，平均温度为降低90K；远火源2防烟分区平均质量分数较楼梯“”分布型站台层中降低62.5%，平均温度60K；当采用轨顶垂直排烟时，楼梯“”分布型站台层近火源2防烟分区平均质量分数较楼梯“”分布型站台层中降低2.9%，平均温度为降低30K；远火源2防烟分区平均质量分数较楼梯“”分布型站台层中降低20%，平均温度15K；主要是由于楼梯“”分布型时，烟气扩散方向跟楼梯口向下空气扩散趋势相一致，加速了烟气扩散速度，使得大量烟气从隧道口排出，而楼梯“”分布型站台层中降低烟气扩散方向跟楼梯口向下空气扩散趋势相反，烟气被阻挡在站台层内，大大减缓了烟气扩散至隧道口的时间。5 结论通过对不同地铁站站台层结构采用不同通风模式情况下进行数值模拟，比较讨论模拟结果可知：5.1 挡烟垂壁和楼梯口向下气流使得火灾时防烟分区效果较为明显，对烟气在整个站台层内的扩散起到了很好的阻碍作用；5.2 采用轨顶垂直排烟时，排烟口均匀分布在轨道上方，能及时有效的排出大量烟气，而采用两端水平排烟时，排烟口被布置在隧道口附近，排出烟气中混有大量空气，大大降低了排烟效率；5.3 楼梯“”分布型时，烟气扩散方向跟楼梯口向下空气扩散趋势相反，烟气被阻挡在站台层内，大大提高了烟气浓度和温度，对人员危害极大；而楼梯“”分布型时，烟气扩散方向跟楼梯口向下空气扩散趋势相一致，加速了烟气扩散速度，使得大量烟气从隧道口排出，降低了烟气浓度和温度对人员安全疏散较为有利。5.4 楼梯呈“”分布，且采用轨顶垂直排烟模式对站台层内火灾烟气的扩散起到了很好的控制效果。参考文献1 S Simcox, N.S. 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