地鐵站側(cè)式臺(tái)車煙氣熱煙試驗(yàn)分析

地鐵站側(cè)式臺(tái)車煙氣熱煙試驗(yàn)分析

地面機(jī)械快速煙壓地鐵的出現(xiàn)為大城市居民提供了便捷的交通工具，同時(shí)也為消防保護(hù)帶來了新的話題。由于地鐵站內(nèi)人流密度很大,再加上處于地下不易疏散,一旦發(fā)生火災(zāi)就可能造成嚴(yán)重的后果。1995年發(fā)生在阿塞拜疆首都巴庫的地鐵火災(zāi)一共造成337人死亡,227人受傷,而這些人的傷亡主要是因吸入高溫、有毒氣體而造成的。因此為了保障火災(zāi)時(shí)地鐵站內(nèi)人員的生命安全,必須在地鐵站進(jìn)行有效的機(jī)械排煙。為了有效排出煙氣,必須通過一定面積的補(bǔ)風(fēng)口向建筑物內(nèi)部補(bǔ)充空氣。由于地鐵站臺(tái)的建筑長(zhǎng)度遠(yuǎn)超過寬度和高度,并且處于地下無法進(jìn)行自然補(bǔ)風(fēng),因此對(duì)于地鐵站的補(bǔ)風(fēng)問題更要仔細(xì)考慮。然而在我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50157—2003)中對(duì)補(bǔ)風(fēng)卻沒有具體要求。這就導(dǎo)致在地鐵設(shè)計(jì)過程中,設(shè)計(jì)者只注重排煙量是否滿足規(guī)范,卻沒有很好的考慮補(bǔ)風(fēng)。作者通過熱煙試驗(yàn)方法在站臺(tái)層進(jìn)行了機(jī)械排煙試驗(yàn),并提出了站臺(tái)補(bǔ)風(fēng)的改進(jìn)方案。采用場(chǎng)模擬軟件FDS對(duì)改進(jìn)后的排煙效果進(jìn)行了模擬,結(jié)果表明在進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)風(fēng)后能有效改善機(jī)械排煙效果。1膠凝式有機(jī)溫站該地鐵站包括站廳層、島式站臺(tái)層和側(cè)式站臺(tái)層,側(cè)式站臺(tái)位于地下三層,其站臺(tái)寬度為9.6m,站臺(tái)長(zhǎng)度140m,高4.6m。圖1中虛線部分表示地鐵站臺(tái)與區(qū)間隧道之間的屏蔽門,屏蔽門是由樹脂玻璃制成,一般情況下屏蔽門處于關(guān)閉狀態(tài);在站臺(tái)的兩側(cè)各有一個(gè)通向隧道的防火門,防火門也只有在特殊情況下如需要從隧道疏散人員時(shí)才打開。通過屏蔽門和防火門的共同作用地鐵站臺(tái)和區(qū)間隧道被分隔為2個(gè)獨(dú)立的部分。在站臺(tái)的一側(cè)有2部通向上層的樓梯,站臺(tái)的突出部位為4部自動(dòng)扶梯,分別與負(fù)二層島式站臺(tái)層和負(fù)一層站廳層相連。站臺(tái)頂部3m處做了鏤空的吊頂,這樣在站臺(tái)頂部形成了一個(gè)1.6m高的蓄煙空間。在站臺(tái)頂部設(shè)有2條風(fēng)管,靠近屏蔽門的為送風(fēng)管,靠近樓梯的為排煙管。送風(fēng)管和排煙管上等間距地各設(shè)了若干個(gè)送風(fēng)口和排煙口。在正常情況下排煙管處于關(guān)閉狀態(tài),通過送風(fēng)管對(duì)站臺(tái)內(nèi)進(jìn)行送風(fēng);一旦發(fā)生火災(zāi)則立即停止送風(fēng),同時(shí)開啟排煙風(fēng)機(jī)進(jìn)行機(jī)械排煙,并在負(fù)二層進(jìn)行正壓送風(fēng)。由于此時(shí)屏蔽門和防火門均為關(guān)閉狀態(tài),因此站臺(tái)內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后空氣只能通過自動(dòng)扶梯以及站臺(tái)南側(cè)的2部樓梯補(bǔ)充到站臺(tái)內(nèi)。2油盆與熱煙試驗(yàn)系統(tǒng)澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)熱煙測(cè)試方法是澳大利亞在深入研究各種測(cè)試方法的基礎(chǔ)上,推出的一種新式現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試方法,并為該方法制訂了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。這種方法克服了傳統(tǒng)研究方法的缺陷,直接應(yīng)用于建筑,測(cè)試結(jié)果直觀,能有效地測(cè)試建筑的煙氣管理系統(tǒng)性能。因此采用了澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)熱煙測(cè)試方法對(duì)站臺(tái)層的機(jī)械排煙效果進(jìn)行了測(cè)試。試驗(yàn)采用的油盆為澳大利亞規(guī)范“AS4391—1999,Smokemanagementsystems-hotsmoketest,1999.”中的A1系列油盆,其尺寸為841mm(長(zhǎng))×595mm(寬)×130mm(高),油盆面積為0.5m2,燃料采用的是工業(yè)純甲基化酒精(95級(jí)),單個(gè)油盆燃燒的熱釋放速率約為350kW,火源位置如圖1所示。增加了一套溫度采集系統(tǒng)以測(cè)量試驗(yàn)過程中站臺(tái)內(nèi)煙氣溫度的變化。在側(cè)式站臺(tái)內(nèi)共進(jìn)行了2組熱煙試驗(yàn)。第一組試驗(yàn)為站臺(tái)機(jī)械排煙效果的測(cè)試,采用兩個(gè)A1油盆;試驗(yàn)中負(fù)二層正壓送風(fēng),負(fù)三層站臺(tái)進(jìn)行機(jī)械排煙,且負(fù)三層站臺(tái)的屏蔽門與防火門全部關(guān)閉;第二組是第一組的對(duì)比試驗(yàn),條件完全相同,只是在試驗(yàn)過程中將站臺(tái)兩側(cè)的防火門打開進(jìn)行補(bǔ)風(fēng),以對(duì)比排煙效果。試驗(yàn)中在北側(cè)站臺(tái)內(nèi)布置了一串熱敏電阻,從火源點(diǎn)向北每隔2米布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)一共11個(gè)測(cè)點(diǎn),用來測(cè)量此區(qū)域內(nèi)煙氣溫度隨時(shí)間的變化;另在試驗(yàn)中采用便攜式熱球式風(fēng)速儀對(duì)站臺(tái)樓梯口、自動(dòng)扶梯口以及排煙口等位置的風(fēng)速進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量。3對(duì)2個(gè)補(bǔ)口和主效應(yīng)的分析在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)火源兩側(cè)站臺(tái)的排煙效果差別很大,北側(cè)約30m左右的站臺(tái)機(jī)械排煙效果較差,如圖2所示。圖2中的四幅照片是不同時(shí)刻拍攝到的北側(cè)站臺(tái)內(nèi)煙氣的沉降情況。從圖中可以看出,在160s的時(shí)煙氣已經(jīng)降到人頭頂?shù)母叨?200s時(shí)煙氣高度進(jìn)一步下降,并且煙氣濃度要比160s時(shí)大;400s的時(shí)候煙氣已經(jīng)沉降到了北側(cè)站臺(tái)的地面位置,到520s的時(shí)候站臺(tái)其余部分煙氣都已排凈,而靠近防火門的區(qū)域仍然有一些煙氣存在。相比之下南側(cè)站臺(tái)的排煙效果要優(yōu)于北側(cè)站臺(tái)。在試驗(yàn)過程中南側(cè)站臺(tái)的大部分區(qū)域煙氣層均保持在2m以上,只有在靠近防火門的區(qū)域煙氣下降到了地面處?？梢钥闯鲈谡九_(tái)的兩端存在著排煙的死角?！兜罔F設(shè)計(jì)規(guī)范》第19.1.19條規(guī)定:在發(fā)生火災(zāi)的情況下必須在6min之內(nèi)將一列車乘客和站臺(tái)上候車的乘客和工作人員全部撤離站臺(tái)。這就意味著站臺(tái)內(nèi)的機(jī)械排煙必須保證在300s以內(nèi)必須將煙氣層高度保持在危險(xiǎn)高度以上。然而試驗(yàn)的結(jié)果表明站臺(tái)內(nèi)的排煙系統(tǒng)不能完全實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。在試驗(yàn)過程中筆者測(cè)量了南北兩側(cè)站臺(tái)排煙口的風(fēng)速,發(fā)現(xiàn)兩側(cè)排煙口的風(fēng)速基本相同,這說明排煙效果上的差異不是由于排煙量的不同而產(chǎn)生的。從圖1中可以看到整個(gè)站臺(tái)只有3個(gè)補(bǔ)風(fēng)口,而其中2個(gè)補(bǔ)風(fēng)口位于南側(cè)站臺(tái)內(nèi),北側(cè)站臺(tái)只能由自動(dòng)扶梯通道進(jìn)入的空氣進(jìn)行補(bǔ)風(fēng),即南側(cè)站臺(tái)的補(bǔ)風(fēng)條件要優(yōu)于北側(cè)站臺(tái)。即使在同一側(cè)的站臺(tái)內(nèi)也存在著類似的差異,仔細(xì)分析圖2中的d圖,北側(cè)站臺(tái)在臨近自動(dòng)扶梯的區(qū)域煙氣已經(jīng)排凈,然而在臨近防火門的區(qū)域由于缺乏補(bǔ)風(fēng)仍然充滿了煙氣。因此認(rèn)為補(bǔ)風(fēng)條件的不同是造成排煙效果差異的主要原因。為了驗(yàn)證以上的分析,對(duì)比了第二組和第一組試驗(yàn),在180s的時(shí)候?qū)⒛媳眱蓚?cè)站臺(tái)的防火門打開,利用防火門作為補(bǔ)風(fēng)口。從試驗(yàn)中可以看到在增加2個(gè)補(bǔ)風(fēng)口之后,站臺(tái)機(jī)械排煙效果有了很大改善,試驗(yàn)開始后積聚在北側(cè)站臺(tái)內(nèi)的煙氣開始排出,500s時(shí)北側(cè)站臺(tái)煙氣基本排凈。在南側(cè)站臺(tái)靠近防火門也觀察到了同樣的現(xiàn)象,沒有出現(xiàn)第一組試驗(yàn)中的排煙死角現(xiàn)象。圖3是試驗(yàn)中通過布置在北側(cè)站臺(tái)頂棚處熱敏電阻測(cè)得的距離火源不同距離處的煙氣溫度,熱敏電阻布置在距離地面4.5m處。在打開防火門進(jìn)行補(bǔ)風(fēng)以后站臺(tái)內(nèi)溫度開始了逐漸下降。這說明在把防火門打開作為補(bǔ)風(fēng)口后改善了站臺(tái)內(nèi)的排煙效果,減少了煙氣在站臺(tái)內(nèi)的蓄積,從而降低了煙氣溫度。雖然打開站臺(tái)兩側(cè)的防火門能夠有效改善排煙效果,但出于安全的考慮防火門在站臺(tái)發(fā)生火災(zāi)時(shí)應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài),不能直接用作補(bǔ)風(fēng)口。因此為了防止出現(xiàn)排煙死角,有必要在站臺(tái)兩端設(shè)置機(jī)械送風(fēng)。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在打開防火門之后自動(dòng)扶梯口與樓梯口的風(fēng)速均有明顯的降低,這是由于增加了2個(gè)補(bǔ)風(fēng)口以后造成了以上位置的壓差下降,從而使得風(fēng)速降低。在《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定火災(zāi)時(shí)必須保證樓梯口向下的風(fēng)速大于1.5m/s以控制煙氣向上蔓延,因此在進(jìn)行機(jī)械補(bǔ)風(fēng)時(shí)補(bǔ)風(fēng)量不能過大,否則可能影響控?zé)熜Ч?初始溫度驗(yàn)證為了更好的認(rèn)識(shí)補(bǔ)風(fēng)對(duì)于站臺(tái)機(jī)械排煙的影響,采用場(chǎng)模擬軟件FDS對(duì)兩種試驗(yàn)條件下站臺(tái)內(nèi)煙氣沉降情況進(jìn)行了模擬計(jì)算。計(jì)算中對(duì)于火源、樓梯、自動(dòng)扶梯以及北側(cè)站臺(tái)的網(wǎng)格均進(jìn)行了加密。在第一個(gè)算例中只通過樓梯和自動(dòng)扶梯對(duì)站臺(tái)進(jìn)行補(bǔ)風(fēng);第二個(gè)算例則在第一個(gè)算例的基礎(chǔ)上在站臺(tái)兩側(cè)各增加一個(gè)機(jī)械補(bǔ)風(fēng)口,補(bǔ)風(fēng)風(fēng)量按照現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的防火門處風(fēng)速折算為14400m3/h,單個(gè)排煙口的排煙量也按照現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的排煙口風(fēng)速折算為4666m3/h;初始溫度根據(jù)測(cè)量結(jié)果確定為26℃。圖4所示為采用FDS建立的該側(cè)式站臺(tái)的模型。圖5所示為計(jì)算得到的兩種情況下燃燒進(jìn)行300s時(shí)北側(cè)站臺(tái)中截面上溫度場(chǎng)的分布情況。比較圖5a和圖5b,在無補(bǔ)風(fēng)的情況下45℃等溫線到達(dá)了140m,而進(jìn)行補(bǔ)風(fēng)后45℃等溫線只到達(dá)了128m;無補(bǔ)風(fēng)情況下34℃等溫線高度為2m,而進(jìn)行補(bǔ)風(fēng)后34℃等溫線高度在3m左右。這充分說明在站臺(tái)兩側(cè)進(jìn)行機(jī)械補(bǔ)風(fēng)以后站臺(tái)內(nèi)的溫度有明顯的下降。將圖5b和圖3中的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果沒有反映出煙氣在蔓延過程中的溫度衰減。這主要是由于北側(cè)站臺(tái)網(wǎng)格劃分過粗,因此對(duì)火災(zāi)流場(chǎng)的一些精細(xì)結(jié)構(gòu)沒有反映出來。從圖5的結(jié)果根據(jù)N百分比法可以確定出300s時(shí)北側(cè)站臺(tái)的煙氣層高度,取N為15,則第一個(gè)算例中煙氣層與空氣層分界面的溫度為29℃;第二個(gè)算例中分界面溫度為27.8℃。從圖5a中可以看到300s時(shí)煙氣已經(jīng)充滿了整個(gè)北側(cè)站臺(tái),無法滿足300s有效疏散時(shí)間的要求;圖5b則反應(yīng)出進(jìn)行兩側(cè)機(jī)械補(bǔ)風(fēng)后300s時(shí)煙氣層高度維持在2m,即通過機(jī)械排煙能有效地控制站臺(tái)內(nèi)的煙氣,計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)符合得較好。5民法設(shè)計(jì)有關(guān)原理機(jī)械排煙是保證火災(zāi)時(shí)站臺(tái)內(nèi)人員的生命安全的重要措施,在設(shè)計(jì)地鐵站機(jī)械排煙時(shí)不應(yīng)僅考慮機(jī)械排煙量以及風(fēng)口布置,補(bǔ)風(fēng)也應(yīng)作為重要的問題予以仔細(xì)研究。在正常啟動(dòng)