某超大型地下火车站列车火灾烟气控制模式研究

邱少辉

中铁第四勘察设计院集团有限公司

某超大型地下火车站列车火灾烟气控制模式研究

邱少辉

中铁第四勘察设计院集团有限公司

本文利用FDS软件模拟了某超大型地下火车站短站台发生列车火灾时，采用“轨顶及站台层排烟，站厅层送风”烟气控制模式下站台层的防排烟效果，通过对站台层发生列车火灾时烟气的蔓延过程、能见度、温度场及CO浓度等指标进行分析，结果表明该烟气控制模式对控制列车火灾是行之有效的。

超大型地下火车站列车火灾烟气控制模式防排烟效果

0 引言

由于城市建设用地日趋紧张，将铁路引入城市变得越来越困难，于是人们尝试将普通的铁路建于地下以解决土地资源紧张和出行要求之间的矛盾。不管是大规模的地铁站还是新型的地下火车站，由于属于地下建筑，与外界连通的开口少，同时人员集中、客流量大，其消防安全问题都受到人们的普遍关注。

相对来说，列车体积大，而且现代电气化列车本身具有大量的电气设备，同时旅客携带的行李和车厢内部的装饰物、座椅等都有可能是火灾载荷，因此列车火灾的规模较大，对地下车站的影响亦最大。根据“可信最不利”的设计原则，列车火灾是地下火车站防排烟设计中的重点研究问题，而良好的烟气控制是保障火灾时人员安全疏散的关键[1～5]。本文利用FDS软件模拟了某超大型地下火车站发生列车火灾时，采用“轨顶及站台层排烟，站厅层送风”的烟气控制模式下站台层的排烟效果，并根据模拟结果优化设计方案。

1 FDS模型建立及输出参数

1.1 工程概况

国内某超大型地下火车站，是广深港高速客运专线的一个重要客运站，整个车站全部位于地下。车站外包总长1190m，外包总宽81.34m和42.34m，建筑外包总高度28.607m，有效站台中心底板埋深31.107m。车站共包括三层，地下一层（B1层）为人行交通转换层，主要用于乘客在车站和相邻建筑、交通系统之间的转换。地下二层（B2层）为站厅层，主要用于旅客进出站。地下三层（B3层）为站台层，共设有4座岛式站台（2座供停靠16节编组列车的长站台，2座供停靠8节编组列车的短站台），8条到发线，如图1所示。

1.2 车站列车火灾时排烟气流的组织

根据车站站台超长的特点，将B3站台层沿轨行区方向分成5个独立的分区，并设置了5套轨顶排热兼排烟系统，平时用于排除停靠列车产生的热量；发生火灾时，经由轨顶风道及横向跨轨风道，通过切换安装在轨顶风道侧壁及底部的风口和电动阀，排除站台及轨行区的烟气，如图2所示。车站共设置了5台排热兼排烟风机（其中2台风量为100m3/s，3台风量为120m3/s），长站台最大排风、排烟量为560m3/s，短站台最大排风、排烟量为360m3/s。

参考地铁车站“起火层排烟，上层送风”的烟气控制模式[6]，车站发生列车火灾时采用如下烟控模式：开启轨顶及站台层排烟系统进行排烟，关闭B3站台层送风系统，同时B2站厅层送风。

1.3 列车火灾规模确定

本文参考EUREKA试验结果对国产和谐号CRH动车组列车火灾发展曲线进行估计，仅考虑一节列车车厢起火的火灾场景，采用22MW作为设计的火灾规模，该数值在列车火灾规模区间范围中属于较高值，主要是考虑到地下车站的危险性远大于地上站，采用较高的火灾规模作为设计的依据可以增加安全系数，提高整个车站的安全性。

1.4 列车火灾排烟量确定

对于列车火灾来说，达到轰然后，高温烟气可以通过两侧的开窗同时向轨顶及站台区域蔓延。烟气从窗口溢出后，形成双侧线性羽流，如图3所示。

目前，全世界已发展多个烟羽流模型的计算方法，包括美国NFPA92B、英国机电工程师协会技术备忘录19、我国上海防排烟设计规程等等。M Law在1995年发展了线性羽流烟气生成量计算模型如下[7]：

式中：M为列车双侧烟羽流的产烟率，kg/s；Q为火源热释放速率，kW；w为羽流宽度，此处为火灾单侧总开口宽度，m；y为火源所在平面到烟气层高度，m；h为列车开口等效高度，m。

在计算中清晰高度的取值为屏蔽门上沿高度，即3m，其目的是为了将烟气控制在轨行区内，即将轨行区的烟气层控制在屏蔽门上方。轨行区排烟量的具体计算参数取值及计算结果如表1所示。

由于轨行区列车和站台屏蔽门的距离仅有0.5m，列车火灾烟气通过敞开的列车门和屏蔽门进入到站台的可能性很大，因此站台层公共区的排烟量按照《地铁设计规范》进行计算，其中长站台总排烟量为64m3/s，短站台总排烟量为30m3/s。

1.5 车站FDS模型

基于“可信最不利”的列车火灾场景，利用FDS软件模拟发生列车火灾时，采用“轨顶及站台排烟，B2站厅层送风”的烟控模式，建立模型如图4所示。

2 列车火灾模拟结果与分析

2.1 初始条件

1）火灾规模：22MW快速发展列车火，火源热释放速率曲线见图5。

2）火源位置：着火列车停靠2号轨行区，着火车厢位于短站台中部，如图6所示。

3）烟控方式：排烟区域为2号轨行区、1号轨行区和2号短站台公共区，各轨行区排烟量均为140m3/s，2号短站台公共区排烟量为30m3/s，B2站厅层送风。车站轨顶排热兼排烟系统在120s内开启；扶梯口处固定挡烟垂壁为吊顶下0.5m。

4）模拟假设：车厢窗户玻璃达到600℃破碎，屏蔽门达到300℃破碎。

2.2 火灾发展和烟气蔓延描述

火灾发展初期，烟气首先充满车厢，随着火灾规模的增大，烟气通过车门和破裂的车窗溢出。由于车门距站台屏蔽门仅有0.5m左右，在109s时，烟气开始侵入站台。此后，由于多个车窗和多处站台屏蔽门破裂，更多烟气进入站台。在整个模拟时间1800s内，非停靠站台的屏蔽门始终没有发生破裂。在B2层送风和轨顶、站台排烟的作用下，站台两组楼扶梯入口处形成了较大的向下气流速度（最大向下气流速度不小于2m/s），直至模拟结束未有烟气通过楼扶梯开口向上一层蔓延，如图7所示。

2.3 能见度分布

从图8、图9中可以看出，在300s左右，靠近起火车厢站台中部2组楼扶梯之间的顶板下方形成一薄层能见度小于10m区域。此后，由于车窗和玻璃墙陆续破裂，烟气涌入站台，站台能见度下降区域显著扩大，在660s时，站台中部2组楼扶梯之间，部分区域距站台地面2m高度处的能见度已小于10m。750s左右，站台中部右端一组楼扶梯受烟气影响，入口处距地2m高度处的能见度小于10m，此后，站台中部2组楼扶梯之间能见度继续下降，烟气向站台两端蔓延沉降。1450s左右，受烟气影响站台中部左端一组楼扶梯入口处距地2m高度处的能见度小于10m。至1800s模拟结束，由于轨行区和站台内排烟的作用，两组楼扶梯口处维持了较大的向下风速（最大处达到2m/s左右），始终未有烟气通过楼扶梯口处侵入站厅层，着火层上方站厅层能见度未见明显变化。

从能见度角度，短站台2组楼扶梯之间的区域可用安全疏散时间为660s，该站台中部右端一组楼扶梯可用疏散时间为750s，站台中部左端一组楼扶梯可用疏散时间为1450s，站厅以及人行交通转化层的可用安全疏散时间不小于1800s。

2.4 温度分布

图10为平行于轨道方向的站台剖面不同时刻温度场的分布。如图所示，在280s左右，站台内靠近着火车厢区域顶板下开始出现少量超过60℃的高温烟气。此后由于车窗和屏蔽门陆续破裂，大量烟气涌入站台，聚集于靠近着火车厢的站台顶板下，温度上升区域的范围扩大、高温烟气层厚度增加，但至1800s模拟结束，温度高于60℃的烟气区域范围依然主要限于站台中部两组楼扶梯口处的挡烟垂壁之间，整个模拟过程中站台各区域2m以下高度内的烟气温度均为超过60℃。从温度场角度，在模拟的1800s内，距站台地面2m高度范围内的烟气温度未超过60℃，能满足人员安全疏散的要求。

2.5 CO浓度

从图11中可以看出，站台顶棚区域局部CO浓度有明显上升，但小于人体可接受的水平，远低于225ppm。在整个1800s的模拟时间内，整个站台区域的CO浓度一直维持在人体可接受水平。

2.6 可供人员安全疏散的时间

综合考虑烟气温度、CO浓度、能见度对人员疏散的影响，在“B2站厅层送风及轨顶、站台排烟”的烟气控制模式下，短站台中部两组楼扶梯之间的区域可用安全疏散时间为660s，该站台一组楼扶梯可用疏散时间为750s，另一组楼扶梯可用疏散时间为1450s，其他区域可用安全疏散时间为不小于1800s。

3 结论

通过FDS软件数值模拟分析结果可得出如下结论：

1）在发生22MW列车火灾时，由于列车与屏蔽门的距离仅有0.5m，烟气将通过车厢门和屏蔽门进入到站台，开启站台排烟将有利于控制烟气的蔓延，延缓环境进一步恶化；

2）发生列车火灾时，在车站轨顶排热兼排烟系统强大的抽吸力和B2站厅层送风系统的双重作用下，楼扶梯开口处的向下气流流速超过1.5m/s，有效地阻挡了烟气向上层的蔓延。在模拟的1800s内，站厅层均未受到烟气影响；

3）发生列车火灾时，通过对站台层烟气的蔓延过程、能见度、温度场及CO浓度等指标进行分析，结果表明采用“轨顶及站台层排烟，站厅层送风”烟气控制模式对控制列车火灾是行之有效的。

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Stud y on the Sm oke Con tro l M odes fo r the Tra ins on Fire in La rge-Sc a le Unde rg round Sta tion

QIU Shao-hui
China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.,Ltd.

This paper uses the FDSsoftware to simulate the effectof fume-prevention&extraction for the situation of trainson fire in a large-scaleunderground train station,which adopts the“extracting smoke from the track leveland the platform level,and supplying fresh air through station hall”smoke controlmodel.According to simulation results of smoke spread process,visibility,temperature field and CO concentration on the platform,it is believed that this kind of fume-prevention&extractionmodel iseffective to fire control in underground train station.

large-scaleunderground station,trainson fire,smoke controlmodes,effectof fume-prevention&extraction

1003-0344（2014）03-063-4

2013-5-26

邱少辉（1982～），男，硕士，工程师；中铁第四勘察设计院集团有限公司城建院暖通所（430063）；E-mail:tsyqsh@163.com