地铁火灾工况排烟模拟与实验研究

朱培根 程立杰 何志康 陈 雷 赵振江

地铁火灾工况排烟模拟与实验研究

朱培根1程立杰1何志康2陈 雷1赵振江2

1解放军理工大学国防工程学院
2南京地铁运营有限责任公司

本文以南京地铁一号线南延线通风系统为研究对象，采用清华大学开发的地铁热环境模拟分析软件STESS进行通风模拟，结合实际的数据测量，对安全门地铁火灾工况下排烟模拟进行了研究。结果认为，在带有安全门的站台发生火灾的时候，通过开启4台TVF风机，可以保证连接口处的速度到大于1.5m/s，满足人员逃生的风速要求；在区间隧道发生火灾时，通过隧道两边站台各开启4台TVF风机进行送风排烟，可以保证隧道断面风速大于2m/s，满足人员逃生的风速要求。

安全门地铁火灾通风排烟

随着城市地铁的迅速发展，地铁安全问题愈来愈引起人们的重视。地铁火灾与地面建筑或者其他地下建筑火灾相比，有它的特殊性质，它与外界的联系主要为出入口，人员密集，排热困难，因此与地面火灾相比具有更大的危险性[1]。地铁火灾中所引起的危害主要是热量、烟气和缺氧这三种因素作用的结果，而烟气对人员的不利影响是造成人员伤亡的主要原因[2]。因此，地铁排烟系统在地铁火灾中对于人员的安全逃生起着重要的作用。地铁火灾事故通常有两种：车站火灾和区间隧道火灾。当列车在站台轨行区着火时，车厢内乘客能够逃出列车向站厅逃生，因此按车站发生事故来通风，为保证人员的安全疏散，要求站厅与站台连接口断面风速不小于1.5m/s；当列车在区间隧道内着火时，通风系统需向火灾区间提供一定送、排风量，以排除火灾区域的烟气，为保证人员的安全疏散，要求区间隧道断面风速不小于2m/s。本文以南京地铁一号线南延线通风系统为研究对象，采用清华大学开发的地铁热环境模拟分析软件STESS，对列车在站台轨行区着火和列车在区间隧道着火进行了通风排烟模拟，同时进行模拟火灾工况下实际风速数据测量，对地铁内部列车发生火灾时安全通风排烟进行研究。

1 土建情况

南京地铁一号线南延线（以下简称南延线）于2010年5月正式通车，由一号线安德门站向南延伸至东山新市区，经过南京南站，穿越雨花区和江宁区，止于中国药科大学站。全线长25.08公里，共有车站15座，其中地下站8座，地下站台间平均距离为1439m，双龙大道站至南京南站间距2290m，为南延线地下线最长；胜太路站至河定桥站间距905m，为南延线地下线最短；本文主要对地下车站及其区间隧道的火灾工况的通风进行研究。南延线地下车站工程路线示意图见图1。

图1 南延线地下车站工程路线示意图

2 STESS软件简介

STESS（Subway Thermal Environment Simulation Software）是由清华大学研究开发的地铁热环境模拟分析软件，整个软件包由图形化输入界面，核心计算程序及后处理程序构成，输入输出全部图形方式，整个软件包运行简便、直观。STESS已先后用于北京4号线、5号线、10号线、上海、广州、天津、大连、深圳、南京、武汉等地铁线路的方案论证和优选。朱培根教授运用地铁热环境模拟软件（STESS），对我国南方某城市地铁在不同环控运行模式下的不同位置（隧道和站台）的风速、风量、压力、温度长期（逐月）和短期（逐时）的变化情况、车站环控负荷及全年环控能耗进行模拟与预测[3]。韩平借助地铁热环境动态模拟仿真软件STESS，对地铁全线的模拟和分析，确定地铁长区间事故工况的通风方案、运行模式，验证STESS软件在隧道防灾通风系统模拟分析中的适用性[4]。

3 通风模拟与数据测量

3.1 站台火灾的通风模拟与数据测量

一般情况下，站台区候车和上下车的乘客密度最高，而站台的宅间又相对狭小，离车站的出入口距离最远，因此在车站公共区中其疏散条件最差，因此，列车在站台轨行区发生火灾时，保证送风量能阻止烟气的蔓延、控制烟气的流向，使乘客感受到新鲜的气流并引导乘客疏散，尽快到达安全区域[5]。

南京地铁一号线南延线典型的站台每个站台两端各有2台TVF风机（可逆转耐高温轴流风机），分别为送风机与排风机。2台风机可以并联到同侧运行。在火灾工况下，TVF风机通过阀门并到着火列车所在隧道一端，同时送风机逆转，排风机正转，表冷器旁通风阀打开，新风阀和排风阀完全打开，迂回风道卷帘门关闭，与站厅站台结合处的排烟防火阀全部打开，利于烟气的排放。地铁站台一侧的通风管路图如图2所示。

图2 站台通风管路图

当列车在站台轨行区着火时，车厢内乘客逃出列车向站厅逃生，因此按车站发生事故来通风，按照地铁设计规范(GB50157-2003)，站厅与站台连接口断面风速不小于1.5m/s，只考虑同一时间只有一个事故点，当火灾事故发生时，车站两端竖井内的TVF风机开启，并均向外排风，使站台形成负压，新风从车站出入口进入，与人员逃生方向相反。站台火灾风机开启示意图如图3所示。

图3 站台事故模式风机开启示意图

选取胜太路站位研究对象，胜太路站为岛式站台，共3个人员出入口，2个站台和站厅连接口，其中一个迂回风道电动卷帘门因故障原因不能关闭。通过该站站台、站厅、隧道及出入口等物理构造的数据收集与整理，通过STESS建立该站台模型，设置不同的风机运行台数和不同的风机运行参数进行模拟，模拟不同通风工况下站台各处的风速和风量分布情况。通过模拟可知，在火灾工况下，通过4台TVF风机以最大风量65m3/s进行送风，可以满足连接口处的风速达到1.5m/s以上，方向与人员逃生的方向相反，满足人员逃生时的风速要求。风速模拟数据见图4。从图4可知，2个连接口模拟断面风速均大于1.5m/s，方向与人员逃生方向相反，符合规范要求。

图4 站台事故工况排风风速模拟结果（m/s）

按照模拟的通风工况，对胜太路进行实际的数据测量。胜太路站有列车停靠，列车停靠在上行站台处。事故工况时开启该站4台区间事故风机，风机为排风模式，实际测量时采用风机最大风量65m3/s。风速实测结果见图5。

图5 站台事故工况排风风速实测结果（m/s）

将实际测量的数据和模拟的数据相比较，可以发现两者之间相差不大，模拟的数据和实际测量的数据基本是一致的。通过模拟和实际数据的测量可知，站台发生火灾时候，通过4台TVF风机以最大风量进行排风，站厅与站台连接口断面风速大于1.5m/s，可以满足人员逃生时的风速要求。

3.2 区间隧道火灾的通风模拟与数据测量

当列车在区间隧道内着火时，《地铁设计规范》（GB50157-2003）要求司机尽量驶出隧道进入前方车站，此时的通风模式按站台火灾模式来运行；倘若列车无法驶入前方车站而被迫停靠在区间隧道内，此时的通风模式按区间隧道火灾模式来运行[6]。

在区间隧道火灾模式下，通风系统需向火灾区间提供一定送、排风量，以排除火灾区域的烟气，利于人员逃生。在火灾工况时，按照地铁设计规范（GB50157-2003），区间隧道断面风速应不小于2m/s，只考虑同一时间只有一个事故点。当阻塞事故发生时，事故列车的前方及后方车站连接事故隧道的通风机开启，其中一个站台TVF风机排风，另一个站台TVF风机送风，迂回风道关闭，以提供足够的风量给事故隧道。

取百家湖站至胜太路站区间隧道为研究对象，假设列车阻塞在上行线距百家湖站500米处，列车着火点距离列车头部的距离不大于其距列车尾部的距离。百家湖站开启4台区间事故风机，风机为送风模式，迂回风道电动卷帘门全部关闭；胜太路站开启4台区间事故风机，风机为排风模式，迂回风道电动卷帘门全部关闭。在现场验证时，胜太路站和百家湖站迂回风道各有1个电动卷帘门因故障不能关闭。风机开启示意图如图6。图中箭头方向代表风的流动方向。

图6 区间隧道事故模式风机开启示意图

通过区间隧道物理构造数据的收集与整理，通过STESS建立合理的隧道模型，通过设置不同的风机运行台数和不同的风机运行参数进行模拟，模拟不同通风工况下区间隧道内的风速和风量情况。通过模拟可知，在火灾工况下，通过8台TVF风机的送风，可以满足区间隧道断面风速应不小于2m/s，方向与人员逃生的方向相反，满足人员逃生时的风速要求。风速模拟数据见图7。从图7可知，隧道断面s11风速大于2m/s，方向与人员逃生方向相反，符合规范要求。

图7 区站间隧道事故工况风速模拟结果（m/s）

按照模拟的通风工况，进行实际的数据测量。测量的站台为百家湖站至胜太路站，假设列车阻塞在上行线距百家湖站500米处。百家湖站至胜太路站区间隧道事故工况共开启8台区间事故风机，百家湖站4台TVF风机均为送风模式，胜太路站4台TVF风机均为排风模式，人员逃生方向朝向百家湖地铁站，实际测量时采用风机最大风量65m3/s。风速实测见图8。从图8可知，断面s11风速大于2m/s，方向与逃生方向相反，符合规范要求。

图8 区间隧道事故工况通风风速实测结果（m/s）

同时将实际测量的数据和模拟的数据相比较，可以发现两者之间相差不大，模拟的数据和实际测量的数据基本是一致的。通过模拟和实际数据的测量可知，区间发生火灾时候，通过相邻站台每个站台4台TVF风机以最大风量进行排风，隧道内的风速大于2m/s，方向与逃生方向相反，可以满足人员逃生时的风速要求。

4 结论

借助地铁热环境动态模拟仿真软件STESS，通过对地铁站台与隧道火灾工况的模拟，为确定地铁火灾通风方案提供了依据。通过计算机模拟，可以直观明确地知道不同火灾模式下，不同排烟工况时隧道内不同点的风速与风量。在模拟过程中，设置不同的排烟工况，如设置风机的运行台数，设置风机的运行参数，可以通过模拟得到不同排烟工况下站台和隧道里面的风速风量的情况，从中选择合理的通风方案进行实际数据的测量。

从上面模拟与实际测量的结果可知，列车在站台发生火灾的时候，可以通过开启4台TVF风机通风，每台TVF风机风量为65m3/s，连接口处风速可以满足人员逃生要求；列车在区间隧道发生火灾时，通过相邻2个站台每个站台4台TVF通风排烟，每台TVF风机送风风量为65m3/s，隧道内的风速满足人员逃生要求。

[1]冯炼,刘应清.地铁火灾烟气控制的数值模拟[J].地下空间, 2002,22(1):61-64

[2]Ran Gao,Angui Li,Xinpeng Hao,et al.Prediction of the spread of smoke in a huge transit terminal subwaystation under six different fire scenarios[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2012,31:128-138

[3]朱培根,朱颖心,李晓峰.地铁通风与热模拟方案及其分析[J].流体机械,2004,32(11):39-42

[4]韩平.STESS软件在地铁特长区间事故模拟中的应用研究[J].铁道标准设计,2008,(4):100-101

[5]梁晖.地铁火灾防排烟设计探讨[J].中国安全生产科学技术, 2010,6(6):119-122

[6]朱常琳,高明亮.地铁区间隧道火灾人员疏散的微环境的数值分析[J].建筑科学，2011,27(12):104-108

Sm oke Extra c tion Sim ula tion a nd Expe rim e nta l Inve s tiga tion of Me tro in Fire Conditions

ZHU Pei-gen1,CHENG Li-jie1,HE Zhi-kang2,CHEN Lei1,ZHAO Zhen-jiang2
1 College of Defense Engineering,PLA University of Science and Technology 2 Nanjing Metro Operation Co.Ltd.

This paper carries on a simulation to the ventilation system of Nanjing Metro Line 1 South Extension,using the software named STESS which is developed by Tsinghua University for the simulation and analysis of Subway thermal environment，combined with the actual data measurement,researches smoke extraction simulation under subway fire conditions in security door.The results show that when there is fire on subway platform with security doors,opening 4 TVF fans can guarantee that the speed of wind at the connection port is greater than 1.5m/s which meets requirements of safety evacuation;When there is fire in the tunnel,open 4 TVF fans on both sides of the tunnel can guarantee that speed of wind speeding tunnel is greater than 2m/s which meets requirements of safety evacuation.

security doors,subway fire,ventilation for smoke exhaustion

1003-0344（2014）04-074-4

2013-5-21

朱培根（1964～），男，博士，教授；解放军理工大学防护工程学院军事环境研究中心（210007）；E-mail:Zhupeigen0713@163.com