地鐵站側式臺車煙氣熱煙試驗分析

地面機械快速煙壓地鐵的出現為大城市居民提供了便捷的交通工具，同時也為消防保護帶來了新的話題。由于地鐵站內人流密度很大,再加上處于地下不易疏散,一旦發生火災就可能造成嚴重的后果。1995年發生在阿塞拜疆首都巴庫的地鐵火災一共造成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。因此為了保障火災時地鐵站內人員的生命安全,必須在地鐵站進行有效的機械排煙。為了有效排出煙氣,必須通過一定面積的補風口向建筑物內部補充空氣。由于地鐵站臺的建筑長度遠超過寬度和高度,并且處于地下無法進行自然補風,因此對于地鐵站的補風問題更要仔細考慮。然而在我國的國家標準《地鐵設計規范》(GB50157—2003)中對補風卻沒有具體要求。這就導致在地鐵設計過程中,設計者只注重排煙量是否滿足規范,卻沒有很好的考慮補風。作者通過熱煙試驗方法在站臺層進行了機械排煙試驗,并提出了站臺補風的改進方案。采用場模擬軟件FDS對改進后的排煙效果進行了模擬,結果表明在進行適當的補風后能有效改善機械排煙效果。1膠凝式有機溫站該地鐵站包括站廳層、島式站臺層和側式站臺層,側式站臺位于地下三層,其站臺寬度為9.6m,站臺長度140m,高4.6m。圖1中虛線部分表示地鐵站臺與區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閉狀態;在站臺的兩側各有一個通向隧道的防火門,防火門也只有在特殊情況下如需要從隧道疏散人員時才打開。通過屏蔽門和防火門的共同作用地鐵站臺和區間隧道被分隔為2個獨立的部分。在站臺的一側有2部通向上層的樓梯,站臺的突出部位為4部自動扶梯,分別與負二層島式站臺層和負一層站廳層相連。站臺頂部3m處做了鏤空的吊頂,這樣在站臺頂部形成了一個1.6m高的蓄煙空間。在站臺頂部設有2條風管,靠近屏蔽門的為送風管,靠近樓梯的為排煙管。送風管和排煙管上等間距地各設了若干個送風口和排煙口。在正常情況下排煙管處于關閉狀態,通過送風管對站臺內進行送風;一旦發生火災則立即停止送風,同時開啟排煙風機進行機械排煙,并在負二層進行正壓送風。由于此時屏蔽門和防火門均為關閉狀態,因此站臺內發生火災后空氣只能通過自動扶梯以及站臺南側的2部樓梯補充到站臺內。2油盆與熱煙試驗系統澳大利亞標準熱煙測試方法是澳大利亞在深入研究各種測試方法的基礎上,推出的一種新式現場試驗測試方法,并為該方法制訂了相應的標準。這種方法克服了傳統研究方法的缺陷,直接應用于建筑,測試結果直觀,能有效地測試建筑的煙氣管理系統性能。因此采用了澳大利亞標準熱煙測試方法對站臺層的機械排煙效果進行了測試。試驗采用的油盆為澳大利亞規范“AS4391—1999,Smokemanagementsystems-hotsmoketest,1999.”中的A1系列油盆,其尺寸為841mm(長)×595mm(寬)×130mm(高),油盆面積為0.5m2,燃料采用的是工業純甲基化酒精(95級),單個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以測量試驗過程中站臺內煙氣溫度的變化。在側式站臺內共進行了2組熱煙試驗。第一組試驗為站臺機械排煙效果的測試,采用兩個A1油盆;試驗中負二層正壓送風,負三層站臺進行機械排煙,且負三層站臺的屏蔽門與防火門全部關閉;第二組是第一組的對比試驗,條件完全相同,只是在試驗過程中將站臺兩側的防火門打開進行補風,以對比排煙效果。試驗中在北側站臺內布置了一串熱敏電阻,從火源點向北每隔2米布置1個測點一共11個測點,用來測量此區域內煙氣溫度隨時間的變化;另在試驗中采用便攜式熱球式風速儀對站臺樓梯口、自動扶梯口以及排煙口等位置的風速進行了實際測量。3對2個補口和主效應的分析在試驗中發現火源兩側站臺的排煙效果差別很大,北側約30m左右的站臺機械排煙效果較差,如圖2所示。圖2中的四幅照片是不同時刻拍攝到的北側站臺內煙氣的沉降情況。從圖中可以看出,在160s的時煙氣已經降到人頭頂的高度;200s時煙氣高度進一步下降,并且煙氣濃度要比160s時大;400s的時候煙氣已經沉降到了北側站臺的地面位置,到520s的時候站臺其余部分煙氣都已排凈,而靠近防火門的區域仍然有一些煙氣存在。相比之下南側站臺的排煙效果要優于北側站臺。在試驗過程中南側站臺的大部分區域煙氣層均保持在2m以上,只有在靠近防火門的區域煙氣下降到了地面處。可以看出在站臺的兩端存在著排煙的死角。《地鐵設計規范》第19.1.19條規定:在發生火災的情況下必須在6min之內將一列車乘客和站臺上候車的乘客和工作人員全部撤離站臺。這就意味著站臺內的機械排煙必須保證在300s以內必須將煙氣層高度保持在危險高度以上。然而試驗的結果表明站臺內的排煙系統不能完全實現這一目標。在試驗過程中筆者測量了南北兩側站臺排煙口的風速,發現兩側排煙口的風速基本相同,這說明排煙效果上的差異不是由于排煙量的不同而產生的。從圖1中可以看到整個站臺只有3個補風口,而其中2個補風口位于南側站臺內,北側站臺只能由自動扶梯通道進入的空氣進行補風,即南側站臺的補風條件要優于北側站臺。即使在同一側的站臺內也存在著類似的差異,仔細分析圖2中的d圖,北側站臺在臨近自動扶梯的區域煙氣已經排凈,然而在臨近防火門的區域由于缺乏補風仍然充滿了煙氣。因此認為補風條件的不同是造成排煙效果差異的主要原因。為了驗證以上的分析,對比了第二組和第一組試驗,在180s的時候將南北兩側站臺的防火門打開,利用防火門作為補風口。從試驗中可以看到在增加2個補風口之后,站臺機械排煙效果有了很大改善,試驗開始后積聚在北側站臺內的煙氣開始排出,500s時北側站臺煙氣基本排凈。在南側站臺靠近防火門也觀察到了同樣的現象,沒有出現第一組試驗中的排煙死角現象。圖3是試驗中通過布置在北側站臺頂棚處熱敏電阻測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。在打開防火門進行補風以后站臺內溫度開始了逐漸下降。這說明在把防火門打開作為補風口后改善了站臺內的排煙效果,減少了煙氣在站臺內的蓄積,從而降低了煙氣溫度。雖然打開站臺兩側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發生火災時應處于關閉狀態,不能直接用作補風口。因此為了防止出現排煙死角,有必要在站臺兩端設置機械送風。試驗中發現在打開防火門之后自動扶梯口與樓梯口的風速均有明顯的降低,這是由于增加了2個補風口以后造成了以上位置的壓差下降,從而使得風速降低。在《地鐵設計規范》中規定火災時必須保證樓梯口向下的風速大于1.5m/s以控制煙氣向上蔓延,因此在進行機械補風時補風量不能過大,否則可能影響控煙效果。4初始溫度驗證為了更好的認識補風對于站臺機械排煙的影響,采用場模擬軟件FDS對兩種試驗條件下站臺內煙氣沉降情況進行了模擬計算。計算中對于火源、樓梯、自動扶梯以及北側站臺的網格均進行了加密。在第一個算例中只通過樓梯和自動扶梯對站臺進行補風;第二個算例則在第一個算例的基礎上在站臺兩側各增加一個機械補風口,補風風量按照現場測量的防火門處風速折算為14400m3/h,單個排煙口的排煙量也按照現場測量的排煙口風速折算為4666m3/h;初始溫度根據測量結果確定為26℃。圖4所示為采用FDS建立的該側式站臺的模型。圖5所示為計算得到的兩種情況下燃燒進行300s時北側站臺中截面上溫度場的分布情況。比較圖5a和圖5b,在無補風的情況下45℃等溫線到達了140m,而進行補風后45℃等溫線只到達了128m;無補風情況下34℃等溫線高度為2m,而進行補風后34℃等溫線高度在3m左右。這充分說明在站臺兩側進行機械補風以后站臺內的溫度有明顯的下降。將圖5b和圖3中的測量結果進行對比可以發現計算結果沒有反映出煙氣在蔓延過程中的溫度衰減。這主要是由于北側站臺網格劃分過粗,因此對火災流場的一些精細結構沒有反映出來。從圖5的結果根據N百分比法可以確定出300s時北側站臺的煙氣層高度,取N為15,則第一個算例中煙氣層與空氣層分界面的溫度為29℃;第二個算例中分界面溫度為27.8℃。從圖5a中可以看到300s時煙氣已經充滿了整個北側站臺,無法滿足300s有效疏散時間的要求;圖5b則反應出進行兩側機械補風后300s時煙氣層高度維持在2m,即通過機械排煙能有效地控制站臺內的煙氣,計算結果和試驗符合得較好。5民法設計有關原理機械排煙是保證火災時站臺內人員的生命安全的重要措施,在設計地鐵站機械排煙時不應僅考慮機械排煙量以及風口布置,補風也應作為重要的問題予以仔細研究。在正常啟動