pA地鐵車站站臺(tái)與站廳間臨界通風(fēng)速度的研究

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。pA地鐵車站站臺(tái)與站廳間臨界通風(fēng)速度的研究pA地鐵車站站臺(tái)與站廳間臨界通風(fēng)速度的研究地鐵車站站臺(tái)與站廳間臨界通風(fēng)速度的研究摘要:地鐵站臺(tái)發(fā)生火災(zāi)時(shí),會(huì)產(chǎn)生大量的有毒高溫?zé)煔?一旦煙氣通過(guò)站臺(tái)與站廳間的樓梯向站廳擴(kuò)散,將會(huì)給人員疏散和救援工作帶來(lái)極大的困難.在分析了地鐵站臺(tái)火災(zāi)時(shí)煙氣流場(chǎng)變化規(guī)律的基礎(chǔ)上,提出了臨界通風(fēng)速度的概念.利用FDS場(chǎng)模擬軟件,對(duì)不同條件下站臺(tái)與站廳間所必需的臨界通風(fēng)速度進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬研究.研究表明:臨界通風(fēng)速度與火災(zāi)熱釋放速率成正比,與站臺(tái)和站廳間樓梯口處的擋煙垂壁高度成反比.

2、關(guān)鍵詞:地鐵;煙氣;火災(zāi);臨界通風(fēng)速度 城市地鐵作為一種快速、環(huán)保、舒適、客運(yùn)能力大的城市交通工具愈來(lái)愈受到人們的關(guān)注.自上世紀(jì)90年代以來(lái),隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和綜合國(guó)力的不斷增強(qiáng),我國(guó)城市地鐵交通體系也隨之進(jìn)入大發(fā)展時(shí)期.目前已有北京、上海、廣州3個(gè)城市的9條地鐵線路投入運(yùn)營(yíng),南京、天津、深圳3個(gè)城市的地鐵一號(hào)線已經(jīng)建成,即將投入運(yùn)營(yíng). 根據(jù)區(qū)間遂道乘客安全疏散方案,列車在站間區(qū)間遂道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí),應(yīng)盡量將列車開往前方車站進(jìn)行撲救1.因此,一旦發(fā)生地鐵火災(zāi),地鐵車站將是人員疏散、火災(zāi)撲救的主要場(chǎng)所. 為節(jié)約地鐵車站建設(shè)用地,新型的地鐵車站大多采用站臺(tái)與站廳雙層結(jié)構(gòu),站臺(tái)與站廳間樓梯是人員

3、安全疏散和滅火救援的必經(jīng)之路,同時(shí)也是有毒高溫?zé)煔庥烧九_(tái)向站廳擴(kuò)散和蔓延的通道.有毒高溫?zé)煔庖坏┻M(jìn)入站廳,將給人員的疏散和火災(zāi)的救援工作造成災(zāi)難性的后果.在火災(zāi)發(fā)生后,可以通過(guò)控制站廳向站臺(tái)的通風(fēng)速度來(lái)防止煙氣進(jìn)入站廳.但風(fēng)速應(yīng)控制在多大范圍,才能保證滿足安全疏散和救災(zāi)條件,目前還缺少理論依據(jù),有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范也沒(méi)有明確規(guī)定.本文將通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬的方法,對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行探討,希望能為地鐵的設(shè)計(jì)和火災(zāi)救援方案的制定提供有益的參考.1 火災(zāi)時(shí)地鐵車站內(nèi)煙氣的控制1.1 煙氣的形成過(guò)程 由于設(shè)備故障或人為的原因,在地鐵運(yùn)營(yíng)過(guò)程中,可能會(huì)由于車輛、車站的電器設(shè)備、旅客的行李等著火引起火災(zāi).火災(zāi)發(fā)生后,將會(huì)產(chǎn)

4、生大量的有毒高溫?zé)煔?.這些高溫?zé)煔庠跓岣×Φ淖饔孟孪蛏向v升,在樓層頂板積聚形成一定厚度的煙氣層并不斷地向外擴(kuò)散.隨著燃燒的時(shí)間的延長(zhǎng),煙氣積聚愈來(lái)愈多,煙氣層厚度不斷加大3.如果不能有效的控制,煙氣將很快充滿整個(gè)車站室內(nèi)空間.如果火災(zāi)發(fā)生在站臺(tái)內(nèi),煙氣將很快在站臺(tái)層頂板下積聚并通過(guò)站臺(tái)與站廳間的樓梯通道向站廳擴(kuò)散.1.2 煙氣的控制 當(dāng)車站站臺(tái)火災(zāi)發(fā)生后,乘客和工作人員將通過(guò)站臺(tái)與站廳間的樓梯到達(dá)站廳,向地面疏散,救援人員也必須通過(guò)該樓梯進(jìn)入站臺(tái)進(jìn)行火災(zāi)撲救.因此,為了保證乘客和工作人員的安全疏散,就必須防止煙氣通過(guò)站臺(tái)與站廳間的樓梯通道向站廳擴(kuò)散. 煙氣的控制可以通過(guò)車站的通風(fēng)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)

5、現(xiàn).一旦發(fā)生火災(zāi),通風(fēng)控制系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)入事故通風(fēng)狀態(tài),車站內(nèi)所有小系統(tǒng)通風(fēng)設(shè)備將停止運(yùn)行.如果火災(zāi)發(fā)生在站臺(tái),系統(tǒng)將通過(guò)設(shè)在站臺(tái)頂板兩側(cè)靠近軌道處的若干個(gè)排風(fēng)口向地面排出煙氣.在負(fù)風(fēng)壓的作用下,站臺(tái)與站廳間的樓梯口處將形成與人員疏散和煙氣蔓延方向相反的新鮮風(fēng)流,如圖1所示.火災(zāi)發(fā)生后,煙氣首先在站臺(tái)頂板積聚并向四周擴(kuò)散,如果在樓梯口上方加設(shè)一定高度的擋煙垂壁(如圖1所示),則可以推遲煙氣向站廳擴(kuò)散的時(shí)間,減少煙氣的擴(kuò)散量,從而可以降低進(jìn)風(fēng)口的通風(fēng)速度,節(jié)約能源. 因此,如果進(jìn)風(fēng)口通風(fēng)速度合適,就可以控制煙氣通過(guò)站臺(tái)與站廳間的樓梯通道向站廳擴(kuò)散,保證乘客和工作人員的安全疏散. 進(jìn)風(fēng)口通風(fēng)流量3為

6、Q進(jìn)j=vj×Aj, (1) 式中:Q進(jìn)j為第j個(gè)站臺(tái)與站廳間的樓梯口的進(jìn)風(fēng)量,m3/s;vj為第j個(gè)站臺(tái)與站廳間的樓梯口進(jìn)風(fēng)速度,m/s;Aj為第j個(gè)站臺(tái)與站廳間的樓梯進(jìn)風(fēng)口面積,m2. 由式(1)可知,如果vj愈大,則進(jìn)入進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)量就愈大,煙氣通過(guò)樓梯口進(jìn)入站廳的可能性愈小,人員疏散愈安全,但Q進(jìn)j也就愈大,系統(tǒng)所需要的能量愈大;同時(shí),進(jìn)入燃燒區(qū)域的新鮮空氣也愈多,可能助長(zhǎng)火災(zāi)的進(jìn)一步擴(kuò)大,增加撲救的難度.如果vj太小,則煙氣就有可能通過(guò)樓梯口進(jìn)入站廳,給人員的疏散工作造成嚴(yán)重的后果.因此,確定出能保證火災(zāi)時(shí)防止煙氣通過(guò)站臺(tái)與站廳間的樓梯通道向站廳擴(kuò)散的最小風(fēng)速vj(即火災(zāi)時(shí)地

7、鐵車站站臺(tái)與站廳間臨界通風(fēng)速度,以下通稱為v*),具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義.2 火災(zāi)模擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)2.1 火災(zāi)熱釋放速率的確定 火災(zāi)熱釋放速率是描述火災(zāi)強(qiáng)度的主要指標(biāo).關(guān)于各種車輛的熱釋放速率僅有很少的公開數(shù)據(jù).對(duì)于舊式車廂,由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和坐椅是用可燃材料做成的,其最大熱釋放速率可達(dá)15MW1,甚至更大.對(duì)于國(guó)內(nèi)新投入運(yùn)行的地鐵車輛,由于其結(jié)構(gòu)都是不燃或阻燃材料組成,考慮安全系數(shù),車輛著火時(shí)熱釋放速率取為7.5MW.而旅客的行李著火時(shí),其最大熱釋放速率一般認(rèn)為不超過(guò)2MW.為簡(jiǎn)化運(yùn)算,各方案計(jì)算時(shí)沒(méi)有考慮火災(zāi)的發(fā)展過(guò)程,熱釋放速率取最大值計(jì)算.2.2 模擬場(chǎng)景設(shè)計(jì) 模擬將以典型的雙層地鐵車站為背

8、景,選擇其中一個(gè)樓梯口(受計(jì)算機(jī)資源所限)為模擬對(duì)象,對(duì)火災(zāi)時(shí)地鐵車站站臺(tái)與站廳間臨界通風(fēng)速度進(jìn)行研究. 模擬空間的基本尺寸4為:1)地鐵車廂(長(zhǎng)×寬×高)為22m×3m×3.8m;2)站臺(tái)公共區(qū)(模擬區(qū):長(zhǎng)×寬×高)為50m×16m×3m;3)樓梯口高度(即進(jìn)風(fēng)口高度)(H)2.3m;4)樓梯口處寬度(B)2m;5)擋煙垂壁高度(HcHz-H)00.7m.3 模擬方法及結(jié)果分析3.1 FDS場(chǎng)模擬軟件 FDS(firedynamicssimulator)是由NIST開發(fā)的計(jì)算機(jī)場(chǎng)模擬軟件,適用于因火災(zāi)引起的煙霧和

9、熱傳輸規(guī)律的研究5-6,其基本原理是將模擬空間進(jìn)一步劃分為許多微元控制體(可能有成千上萬(wàn)個(gè)),以微元控制體為基本計(jì)算單位.假設(shè)各微元控制體內(nèi)的物理量(如:溫度、壓力,速度、密度、熱釋放速率、煙霧組分等)是同一的,它們隨時(shí)間的變化而變化.利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)基本方程(連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程、化學(xué)組分方程和狀態(tài)方程)進(jìn)行求解,計(jì)算出不同時(shí)間不同位置的各種物理量(如:煙氣的溫度、組分和速度等).FDS具有功能強(qiáng)大,模擬結(jié)果可靠等特點(diǎn).本文將利用FDS軟件對(duì)不同條件下站臺(tái)與站廳間所必需的臨界通風(fēng)速度進(jìn)行模擬研究.3.2 模擬方法 根據(jù)上面確定的模擬場(chǎng)景,借助FDS場(chǎng)模擬軟件進(jìn)行模擬.首先固定火災(zāi)

10、熱釋放速率或擋煙垂壁高度等條件,通過(guò)反復(fù)改變排風(fēng)口的通風(fēng)量大小來(lái)考察樓梯口的煙氣流場(chǎng),直到煙氣恰好被控制住為止,則此時(shí)的通風(fēng)量即為該火災(zāi)熱釋放速率或擋煙垂壁高度等條件的臨界通風(fēng)量.根據(jù)軟件所具有的功能,可以查出該條件下的地鐵車站站臺(tái)與站廳間通風(fēng)速度v*,即為該條件下的臨界通風(fēng)速度v*.然后改變火災(zāi)熱釋放速率和擋煙垂壁高度等條件,再按前述方法求得臨界通風(fēng)速度.反復(fù)上述步驟,即可得到不同火災(zāi)熱釋放速率或擋煙垂壁高度等條件下的地鐵車站站臺(tái)與站廳間臨界通風(fēng)速度的變化規(guī)律.3.3 火災(zāi)熱釋放速率和擋煙垂壁高度對(duì)臨界通風(fēng)速度的影響 如上所述,分別改變熱釋放速率和擋煙垂壁高度,確定出不同熱釋放速率和擋煙垂壁

11、高度條件下通過(guò)站臺(tái)與站廳間的樓梯通道向站廳擴(kuò)散的煙氣量為零時(shí)的臨界通風(fēng)速度v*,就可以得出不同的熱釋放速率、擋煙垂壁高度與臨界通風(fēng)速度相對(duì)關(guān)系,如表1所示. 根據(jù)表1,可得擋煙垂壁高度、熱釋放速率與臨界通風(fēng)速度的關(guān)系如下(其相關(guān)度R達(dá)0.975)v*=1.462-0.647Hc+0.257q, (2) 式中:v*為臨界通風(fēng)速度,m/s;q為火災(zāi)熱釋放速率,MW;He為擋煙垂壁高度,m. 分析表1和式(2)可以看出:火災(zāi)熱釋放速率和擋煙垂壁高度的大小是影響火災(zāi)時(shí)地鐵車站站臺(tái)與站廳間臨界通風(fēng)速度v*的主要因素.臨界通風(fēng)速度v*不是一個(gè)定值,它與火災(zāi)熱釋放速率成正比,擋煙垂壁高度成反比. 因此,地鐵

12、車輛應(yīng)盡量選用難燃的材料,以降低火災(zāi)時(shí)的熱釋放速率;雖然擋煙垂壁高度受站臺(tái)凈空高度和樓梯口高度的限制,可能的取值范圍很小,但也應(yīng)盡量增加擋煙垂壁高度. 3.4樓梯口尺寸對(duì)臨界通風(fēng)速度的影響 根據(jù)規(guī)定4,站廳與站臺(tái)間的樓梯口處宜設(shè)擋煙垂壁,擋煙垂壁下緣至樓梯踏步的垂直距離不應(yīng)小于2300mm.因此,為增加擋煙垂壁的高度,樓梯口的高度應(yīng)盡量降低,取規(guī)范規(guī)定的最小值2.3m為宜. 圖2和3分別為改變樓梯口寬度而引起臨界通風(fēng)速度和供風(fēng)量的變化情況(Hc=0.5m),從圖中可以看出,雖然隨著樓梯口寬度的增加臨界通風(fēng)速度有所降低,但由于樓梯口面積的增加,所需要的供風(fēng)量卻提高了.由此可見,通過(guò)增加樓梯口寬度

13、來(lái)降低臨界通風(fēng)速度是不經(jīng)濟(jì)的. 通過(guò)以上分析得出結(jié)論,樓梯口的高度應(yīng)取規(guī)范規(guī)定的最小值2.3m,樓梯寬度的確定只要考慮滿足遠(yuǎn)景客流量和火災(zāi)時(shí)人員疏散速度即可.4 模擬結(jié)論可靠性驗(yàn)證 廣州地鐵二號(hào)線于2003年6月投入試運(yùn)營(yíng),無(wú)論是其采用的設(shè)備還是運(yùn)營(yíng)管理水平在我國(guó)已投入運(yùn)營(yíng)的地鐵中都處于領(lǐng)先水平.中大站是二號(hào)線中的一個(gè)地鐵車站,位于廣州市珠江區(qū)新港西路,中山大學(xué)西門東側(cè),為一典型的雙層結(jié)構(gòu)(上層站廳、下層站廳),站廳與站臺(tái)間共有四部樓梯相連(1號(hào),3號(hào),4號(hào)為自動(dòng)電梯,結(jié)構(gòu)相同;2號(hào)為樓梯).為驗(yàn)證車站站臺(tái)發(fā)生火災(zāi)時(shí)事故通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性,我們于2004年2月10日凌晨在中大站進(jìn)行了實(shí)物測(cè)試.在

14、測(cè)試的同時(shí),對(duì)4部樓梯口風(fēng)速進(jìn)行了測(cè)定.測(cè)試采用拍攝電影用的煙餅來(lái)模擬火災(zāi)時(shí)的發(fā)煙,排煙系統(tǒng)采用火災(zāi)熱釋放速率為7.5MW時(shí)的通風(fēng)強(qiáng)度. 測(cè)定結(jié)果表明,當(dāng)火災(zāi)發(fā)生后,煙氣能有效地控制在站臺(tái)內(nèi),并很快由排煙系統(tǒng)排除,沒(méi)有出現(xiàn)煙氣站廳擴(kuò)散的現(xiàn)象.為使模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)具有可比性,計(jì)算機(jī)模擬采用的樓梯結(jié)構(gòu)參數(shù)與1號(hào),3號(hào),4號(hào)自動(dòng)電梯相同.現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和與計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果如表2所示. 從表2可以看出,計(jì)算機(jī)模擬所得的臨界通風(fēng)速度與實(shí)際應(yīng)用的事故通風(fēng)速度非常接近,可以認(rèn)為模擬結(jié)果是可信的.5 結(jié)論 通過(guò)對(duì)車站站臺(tái)火災(zāi)煙氣形成過(guò)程和計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果的分析,可以得出以下結(jié)論: 1)火災(zāi)熱釋放速率的大小是影響車站站

15、臺(tái)與站廳間臨界通風(fēng)速度的主要因素.車站站臺(tái)與站廳間臨界通風(fēng)速度并非定值,它隨火災(zāi)熱釋放速率的增加而增加.在新型的地鐵車輛(火災(zāi)熱釋放速率Q=7.5MW)下,臨界通風(fēng)速度應(yīng)控制在4m/s較為合理. 2)樓梯口處擋煙垂壁的設(shè)置對(duì)減少煙氣的擴(kuò)散和蔓延有一定的作用,應(yīng)盡量增加其高度. 3)綜合考慮樓梯寬度變化對(duì)臨界通風(fēng)速度和通風(fēng)量變化的影響,認(rèn)為改變樓梯寬度對(duì)煙氣控制意義不大.樓梯口的高度應(yīng)盡量降低,樓梯寬度只要考慮滿足遠(yuǎn)景客流量和火災(zāi)時(shí)人員疏散速度即可. 研究結(jié)論雖然是基于典型車站模型得出的,但經(jīng)過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比,認(rèn)為結(jié)論是可靠的.希望通過(guò)以上的研究,能為地鐵設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)管理和人員疏散救援預(yù)案的制定提

16、供有益的參考.參考文獻(xiàn):1王迪軍,羅燕萍,李梅玲.地鐵隧道火災(zāi)人員疏散與煙氣控制J.消防科學(xué)與技術(shù),2004,23(4):345-347.WANGDi-jun,LUOYan-ping,LIMei-ling.Evacu-ationandsmokecontrolinsubwaytunnelJ.FireScienceandTechnology,2004,23(4):345-347.2顧正洪,程遠(yuǎn)平,周世寧.交通隧道火災(zāi)時(shí)車輛臨界安全距離的研究J.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004,33(4):424-427.GUZheng-hong,CHENYuan-ping,ZHOUShi-ning.StudyoncritricalsafedistancebetweenvehiclesintraffictunnelfireJ.JournalofChinaUniversityofMining&Technology,2004,33(4):424-427.3程遠(yuǎn)平,李增華.消防工程學(xué)M.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2002.4北京城建設(shè)計(jì)研究總院.GB50157-2003地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范S.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2003.5HAACKA.Firep