1、1深埋岛式地铁车站站台火灾时烟气蔓延数值分析 *史聪灵 1 钟茂华 1 涂旭炜 2 邓云峰 1 符泰然 11 中国安全生产科学研究院 北京 1000292 广州市地下铁道设计研究院 广州 510010中图分类号：X932 文献标识码：A摘要：随着我国地铁的发展，未来部分地铁的发展空间属于埋深较大,经过老城区时须穿越大片房屋桩基，地质条件复杂，施工难度大,工程实施上线路和车站均需要较大的埋深。因此深入开展深埋地铁站点火灾安全研究有助于地铁安全管理工作。本文针对地铁深埋岛式站台火灾，利用数值模拟方法，研究深埋岛式站点内烟气横向流动和不同站层间的烟气纵向蔓延规律。分析烟气在隧道、站台及站厅内蔓延时烟
2、气温度、有毒气体浓度、可见度等特征参数的分布情况；同时探讨了火灾时深埋岛式站点内有效的气流组织形式，隧道排烟系统的运行模式。本文研究结论有助于同类型的地铁车站的设计和运营管理。关键词：地铁车站 站台火灾 烟气蔓延 数值模拟 气流组织1 引言随着我国城市轨道交通的发展，部分城区的地下浅层空间已基本开发或受地面建筑的限制难于继续开发，未来部分地铁的发展空间属于埋深较大,经过老城区时须穿越大片房屋桩基，地质条件复杂，施工难度大,工程实施上线路和车站均需要较大的埋深1,2。深埋暗挖方案减少了对路面交通、高层建筑的影响，减少了房屋拆迁量，改善区间施工条件，但同时也对地铁站点的通风、排烟设计的安全性提出了
3、更高的要求。地下站台的防排烟系统设计一方面应保证起火站层的烟气有效排放，另一方面起着保证不同站层连接开口处形成一定流速、控制烟气流向的作用3-6。现行地铁设计规范规定的排烟量按照建筑面积 1m3/min.m2，排烟设备按同时排除 2 个防烟分区配置，同时火灾时楼梯口需形成 1.5m/s的向下风速。对于深埋站点，由于其结构的特殊性，带来较多的问题，例如：由于站点较深，车站层数多，风压损失较大，楼梯开口处是否可以形成一定的向下流速，阻止烟气向上方站层蔓延；疏散距离大，人员安全疏散时间较长，是否可以保证人员在烟气达到危险时刻之前疏散到安全区；较深的竖直井道如疏散楼梯间在火灾时容易形成烟囱效应，加大*
4、国家自然科学基金项目(编号：50579100 和 50106017) 和国家重点基础研究专项经费(编号：2001CB409600)资助2对烟气的抽吸，如何确保深埋站点疏散楼梯间的正压性和无烟气进入,这些都需要用科学的方法加以研究、分析和验证。笔者选择典型深埋地铁站点，通过数值模拟，研究深埋站点内烟气横向流动和不同站层间的烟气蔓延规律。给出站点内烟气温度、有毒气体浓度、可见度等特征参数的分布情况。研究火灾时深埋站点内有效的气流组织形式，和车站通风空调系统及隧道排烟系统的运行模式。研究指定的通风排烟设计条件下，车站一端的疏散楼梯间在火灾时是否保持正压性和有无烟气进入。2 车站及站台情况深埋车站为地
5、面一层、地下五层岛式结构。地面层为站厅层，地下一层至地下四层为设备层，地下五层为站台层。相邻两层之前通过 2 组扶梯连接，方向分别为上行和下行。同时在站台另一端设计有疏散楼梯间，以提供紧急情况下站台人员直接疏散到地面层。2.1 站台空间情况车站站台宽度 12m，有效站台长度 72m，在中间设有 800x800mm 的柱。站台的高度为 4.2m。站台与站厅之间通过两组扶梯连接，其开口连通部位的净空尺寸为（长 x 宽）2500x2000mm。站台一端设有紧急疏散楼梯竖直井道。车站沿站台边缘设有屏蔽门，总高度为 3m，其中玻璃部分高度为 2.2m，上部 0.85m 为钢结构，屏蔽门的总长度为 67.
6、72m，屏蔽门的活动门布置为：对应列车头、尾的第一个屏蔽门尺寸为 1.6x2.15m，其它屏蔽门为2.0x2.15m。图 1 地铁深埋车站模型图2.2 列车情况疏散楼梯间地面一层：站厅层地 下 一 层 四 层 ：设 备 层地 下 五 层 ： 站 台 层3列车的全长约为 71.64m，宽度约为 2.8m，高度约为 3.625m。列车客室内地板面离轨面约为 0.93m。2.3 车站通风排烟系统情况车站站内的平时设有通风空调，其中排烟风管与平时通风空调回风管合用，排烟风量总计约为 25m3/s，排烟风口利用平时的回风口。车站两端设有区间隧道通风系统，一端配置有相互作用的两台隧道风机，每台风机风量为
7、60m3/s，风道静面积为 16m2；另一端配置一台隧道风机，风量 100m3/s，每个隧道排烟量 50m3/s，风道面积为 22m2。车站隧道通风系统包括轨顶及轨底排风系统，配有 2 台车站隧道风机，每台风量为 30m3/s，排风与排烟合用，轨顶与轨底按照 3：2 分配风量.2.4 站台火灾时运行方式当站台发生火灾时，利用站台排烟系统进行排烟（空调送风系统关闭） ，站厅与设备层排风系统关闭。同时可以打开屏蔽门，开启区间隧道风机和车站隧道通风系统一起辅助排烟。3 研究方法通过数值计算的方法，对深埋站点的火灾发展、烟气扩散、排烟、送风、阻烟效果进行研究和分析。本文的计算中利用的计算机模拟方案如下
8、：1)场模拟计算。利用场模拟计算的方法对整个站点内的火灾烟气蔓延与控制情况进行数值模拟。湍流模型采用 Smagorinsky 形式的大涡模型， 燃烧模型采用的是混和分数模型， 辐射传热通过对非散射灰体近似的气体利用有限体积方法求解其辐射传输方程，大约为100 个离散角。通过对几何空间进行构建、划分空间网格、设置计算模型和边界条件，如燃烧反应模型、火源功率与燃烧时间、边界热交换属性、通风口大小与流量等参数；进而计算整个空间区域的温度、气体浓度、可见度等火灾特征参数的详细分布。2) 空间网络划分。为了保证网格的精确解析，使用 Multi-Mesh 方法，在流动和热交换迅速的区域采用局部网格加密，对
9、着火区域、站台、隧道、站厅等区域分别设置 Mesh 和网格解析大小，如此可有效地减少计算时间消耗7。计算模拟思想由图所示。起火点精细网格场模拟起火点附近精细网格场模拟其他所有空间网格简化场模拟4图 2 深埋地铁车站火灾的计算模拟方案车站火灾被分为三大区域，即：起火点，起火点附近，及其他所有空间，分别对这三个区域内的物理条件进行同步模拟，给出车站空间的火灾发展和烟气蔓延的总趋势。所得参数可与模型楼的实验数据作比较。3) 设定站台危险高度。当实际的烟气层高度 大于烟气安全高度时，则认为是安全的8-h10，即：（1）shH其中 可按以下公式计算：s（2）1.60s式中： -烟气安全高度(m)； -排
10、烟空间的建筑高度(m)，本文确定的站台危险高sHH度 Hs2.0m.4）参数设置。本文的模拟计算参数设置如下：火灾形式：站台火灾；稳定火源功率：1.5MW；屏蔽门：打开站台一侧屏蔽门；排烟系统：开启站台排烟，排烟量 25m3/s；关闭站厅排烟；开启隧道内的区间隧道风机（单侧 60m3/s50 m3/s）和轨顶/轨底排烟（单侧 30 m3/s） ，由于屏蔽门开启，对站台排烟起辅助作用。模拟时间：500s。5) 主要输出参数：站台内烟气蔓延过程：温度、CO、可见度、速度分布；站台向上层设备层及站厅层的烟气蔓延过程：温度、CO、可见度、速度分布；站台层/设备层/ 站厅层联通开口处的流动特征；站台向疏
11、散楼梯间内烟气蔓延过程：流场、温度、CO、可见度分布。4 结果与分析4.1 站台层设备层站厅层烟气蔓延过程分析5利用大涡模拟技术和多尺度网格加密的方法对深埋地铁站台火灾进行模拟，研究了站台火灾时烟气在站台内蔓延规律及烟气向上层设备层及站厅层蔓延规律。图 3 为站台火灾时站台层设备层站厅层截面温度场变化；图 4 为站台火灾时站台层设备层站厅层截面 CO 浓度变化；图 5 为站台层设备层站厅层烟气蔓延过程；图 6 为站台火灾时站台层设备层站厅层截面速度场分布。100s 200s 300s400s 500s图 3 站台层设备层站厅层截面温度场变化100s 200s 300s400s 500s图 4
12、站台层设备层站厅层截面 CO 浓度变化设备层站厅层站台扶梯开口6100s 200s 300s400s 500s图 5 站台层设备层站厅层烟气蔓延过程100s 200s 300s400s 500s图 6 站台层设备层站厅层截面速度场分布1) 从站台层设备层站厅层竖直剖面处的温度场和 CO 浓度及烟气蔓延的变化过程，可以看出：0500s 时，站台与上层设备层扶梯开口处仍然保持环境温度，无 CO。整个模拟计算过程中，站台层以上楼层的温度都保持为环境温度、CO 浓度为零、保持为无烟区域。2) 从图 6 可以看出：在烟气未到达站台层的两个扶梯开口处时，由于站台排烟和打开屏蔽门侧车站隧道排烟的抽吸，站台区
13、域将形成负压区域，站台的两个扶梯开口处将形成向下的空气流，左侧的扶梯开口处的流速大约为 2.0m/s 左右，右侧的扶梯开口处的流速大7约为 1.7m/s。两处的流速均大于规范要求的 1.5m/s 的值。3)通过模拟可见，对于 25m3/s 的站台排烟量设计，同时打开一侧屏蔽们利用一侧轨顶排烟，在扶梯开口处可以形成至少 1.5m/s 的向下空气流速；对于火灾功率为 1.5MW 的站台火灾，站台排烟量能够将烟气控制在站台区而不向上层蔓延。4.2 站台疏散楼梯间烟气蔓延过程分析图 7 为站台疏散楼梯间截面温度分布；图 8 为站台疏散楼梯间截面速度场分布。对站台疏散楼梯间截面的烟气蔓延过程进行分析：1
14、)从图 7 中可以看出，由于站台机械排烟将使得站台区域为负压区，在疏散楼梯开口处形成向内的空气流速，阻碍烟气进入疏散楼梯间。因此，疏散楼梯间在整个模拟时间段都保持为环境温度。说明烟气并未通过疏散开口进入疏散楼梯间。2)从图 8 可以看出，在疏散楼梯间内将保持为向下的流动状态。在站台与疏散楼梯间连通开口处的流动为水平向内。开口处的流动速度约为 1.5m/s 的向内流速。模拟说明，启动站台排烟使得疏散楼梯间保持相对正压性和无烟气进入。300s 500s图 7 站台疏散楼梯间截面温度分布300s 500s图 8 站台疏散楼梯间截面速度场分布4.3 站台 2 米高处烟气特征参数变化分析火源处83 分钟
15、 6 分钟 8 分钟图 9 不同时刻站台 2m 高处烟气温度分布3 分钟 6 分钟 8 分钟图 10 不同时刻站台 2m 高处 CO 浓度分布3 分钟 6 分钟 8 分钟图 11 不同时刻站台 2m 高处可见度分布图 9-图 11 分别不同时刻站台 2m 高处烟气温度分布、CO 浓度分布和可见度分布，分析危险高度处的烟气特征参数的变化规律：1)从图 9-图 11 来看，对于 1.5MW 的站台火灾，6 分钟时烟气层只在近火源区域附近降到安全高度以下，但在站台的远火源区域并未降到安全高度。2)1.5MW 的站台火灾，6 分钟时，除火源区域外其它安全高度处的烟气温度不超过30，CO 浓度不超过 4
16、0ppm。3)6 分钟时，两个扶梯开口处的可见度均大于 7m，虽然靠近火源侧的扶梯被烟气笼罩，但可见度较好，且有毒气体成分和烟气温度较低，仍可用于人员向上层逃生。4)根据该站台的疏散能力初步设计为：6 分钟内使乘客到达站厅。因此计算得出结论为人员可以安全逃生。5 结论由以上分析，可以得出以下结论：火源 91) 深埋站点发生站台火灾时，排烟系统设计(区间隧道排烟量：单侧 60m3/s50 m3/s；轨顶 /轨底排烟：单侧 30 m3/s；公共区排烟量：25m 3/s)可以有效地控制烟气向站厅蔓延，确保火灾时的站台层以上区域为无烟区和安全区。2) 按照上述设计后，隧道内烟气控制的平均风速满足至少
17、2m/s，楼扶梯开口处的向下自然补风速度满足至少 1.5m/s。3) 排烟模式易采用：站台火灾时，关闭站厅排烟，开启站台排烟对站台烟气进行控制，同时打开一侧屏蔽门，利用隧道内的区间隧道风机和轨顶/ 轨底排烟，对站台进行辅助排烟。参考文献1 刘铁民、钟茂华、王金安等，地下工程安全评价，北京：科学出版社，20052 施仲衡，地下铁道设计与施工，西安：陕西科学技术出版社，19983 Zhong Maohua, Fan Weicheng, Liu Tiemin, China: some key technologies and the future developments of fire safet
18、y science, Safety Science, 2004, 42(7):627-637.4 Zhong Maohua, Fan Weicheng, Airflow optimizing control research based on genetic algorithm during mine fire period, Journal of Fire Sciences, 2003, 21(2): 131-153. 5 何理，钟茂华，邓云峰，城市轨道交通危险因素分析，中国安全生产科学技术, 2005 1(3): 22-25.6 冯炼, 刘应清,地铁火灾烟气控制的数值模拟,地下空间, 20
19、02，22(1): 61-64.7 钟茂华、史聪灵、邓云峰，地铁浅埋岛式站台列车火灾烟气蔓延的数值模拟研究，中国安全科学学报, 2005,15(11):10-15.8 范维澄, 孙金华, 陆守香, 火灾风险评估方法学. 北京: 科学出版社, 20049 广州市地下铁道总公司、广州市地下铁道设计研究院，广州地铁二号线设计总结，北京：科学出版社，200510 Zhong Maohua, Fan Weicheng, Liu Tiemin, Safety evaluation of engineering and construction projects in China, Journal of L
20、oss Prevention in the Process Industries, 2003, 16(3): 201-207.Simulation of Smoke Movement and Ventilation Due to Island-Platform Fires in Deep Buried Metro Station Shi Congling1, Zhong Maohua1, Tu Xuwei2, Deng Yunfeng1, Fu Tairan11China Academy of Safety Sciences and Technology , Beijing 1000292Gu
21、angzhou Metro Design & Research Institute, Guangzhou 510010Abstract: With the development of inter city rail transit in china, more and more stations in the megalopolis areas will be built by deep embedment 10technology, especially for the line through old town with lots of building piles below. So
22、Fire safety in these metro stations should be inspected much more and studied further. In this paper, platform fire growth and smoke movement in deep-burying island metro station are investigated by CFD simulation. The smoke spread beneath the platform and tunnel ceiling and through floors are analy
23、zed, focusing on the distribution of fire properties such as the temperature, poisonous gas concentration, visibility in the tunnel, platform, hall, equipment floors and evacuation stair well. The efficient air flow pattern and ventilation method in the deep-burying station under fires are then discussed further. The conclusions may benefit to ventilation design and safety management for such deep-burying station.Keywords: metro station, platform fire，smoke movement, CFD simulation, air flow pattern.
