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          火災模擬火災模擬技術在地鐵工程中的應用

           
           
          日期:2016年09月07日  來源:沈陽國利熱能(www.bathspaac.net)
           
           

              地鐵作為人流密集的公眾聚集場所,一旦發生火災等突發事故,其社會影響力、政治影響力和國際影響力十分巨大。為了避免地鐵火災對人員造成危害以及對社會的負面影響,某院開展地鐵車站及區間隧道全尺寸火災實驗研究,取得了一定成果。

              地鐵作為現代化的城市軌道交通工具,承擔著越來越重要的大客流運輸任務。然而地鐵作為人流密集的公眾聚集場所,一旦發生突發事故,其社會影響力、政治影響力和國際影響力十分巨大。地鐵隧道基本處于地下相對密閉空間,運行的列車內聚集著密集的人群,通風和疏散都受到極大的限制,這是其突出的弱點。在國際上,地鐵火災事故屢見不鮮,是各國安全防范的重點,如

              2003年的韓國大邱地鐵列車火災,和1995年的阿塞拜疆巴庫地鐵隧道火災,傷亡人數均超過300人。

              地鐵火災事故造成重大傷亡事故的原因主要包括4個方面:一是地鐵列車可燃物較多,火災強度大。地鐵列車本身有相應的電器設備,雖然車輛制造材料主要為不燃物,但少部分阻燃材料著火時還會產生一定的毒性氣體,加上地下供氧不足,燃燒不完全,煙霧濃,發煙量大,易對人構成危害。二是地下空間的通風口少,火災煙氣不易散發,燃燒產生的濃煙使隧道變成煙霧的通道,煙霧擴散極為迅速。煙氣因其高溫性、減光性、毒害性、恐怖性等特點,容易令人窒息。三是地鐵隧道內列車高速行駛的活塞效應造成隧道內氣流組織復雜,煙氣空氣混和嚴重,強大的不穩定逆轉氣流加大火災的燃燒與擴散蔓延。四是地鐵列車內客流量大,人員集中,隧道內疏散距離較遠,疏散和滅火時間長,加上隧道火災環境惡劣,一旦發生火災,極易造成群死群傷。

              復雜地鐵車站日益涌現

              隨著城市內部地鐵線網的日趨完善,城市繁華區多條線路交叉換乘,同時由于地質、施工條件的限制,超深埋、大長區間、站臺密集型超短區間等復雜形式的地鐵車站及隧道日益出現。

              某市地鐵六號線屬于深埋線路,最大的車站隧道埋深近35m、最大區間隧道埋深近40m,對于超深埋車站及隧道,其風壓損失較大,同時部分區間隧道坡度很大,地鐵隧道發生火災后,煙氣如何在車站內蔓延,如何形成有效的風流組織控制煙氣蔓延,是設計急需解決的問題。

              某市新城區域地下集運系統也為一種復雜的地下隧道區間形式,線路總長約3.88km,采用雙區間三聯絡線結構,卻設有地下車站9座,因此區間隧道很短,最小站間距為320.5m,平均站間距僅470m。

              又如,某市地鐵三號線區間隧道長度近7km,為典型的大長區間地鐵隧道。大長區間中間需要加設風井,火災時中間風井和車站的通風排煙系統如何聯合動作、送排風運行模式,以及區間風井風機風量均是設計急需解決的問題。

              這些復雜結構形式的地下車站和隧道的日益涌現,對地鐵火災時通風排煙設計的安全性提出了更高要求。如何確保復雜結構形式的地鐵車站和隧道發生火災時煙氣的定向誘導和及時排放,需要用科學的方法加以研究、分析和驗證。

              地鐵火災模擬技術的應用

              火災模擬技術基本可分為3類,即:區域模擬技術、網絡模擬技術和火災場模擬技術,這3類技術在地鐵工程中均有較好的應用。

              區域模擬技術是將地鐵火災環境分為兩個控制體,上層熱煙氣層和下部冷空氣層,并假設每個區域內具有空間分布均勻的物理屬性。通過建立兩個控制體的質量和能量平衡方程來求解煙氣層溫度、高度等變量,并假設室內的壓力保持恒定,這在常規空間尺寸例如地鐵隧道內是可行的。在中國安科院項目組的實際工作中,開發了區域模擬軟件,該軟件可以簡單快捷地用于地鐵車站公共區通風排煙系統設計及運行模式的推演,風機選型、風量、設備數量等設計參數的確定,但由于其模型的簡化,由此帶來的誤差也較大,因此適用于地鐵火災性能化設計和通風排煙方案的早期設計。

              網絡模擬技術進一步簡化處理空間氣流參數,對每一空間采用一個均勻的物理參數,即同一空間的溫度、煙氣濃度、室內空氣壓力等均認為是均勻分布的。地鐵的每一個屏蔽門開口、風井、聯絡通道等都具有一定的通風阻力,這些通道連接處作為網絡中的連接點。通過分支和節點連接而成網絡,運用求解節點風量、分支阻力、回路風壓平衡方程,可以得到空間網絡內的溫度、風量、壓力、風速等。如:知道某一區間隧道的區段發生火災后,火災煙氣在風壓、室外風流和其他動力作用下可能流經的范圍和區域,火災發生時,人員疏散就應盡力避開這些隧道或空間,網絡模型能較好地滿足這一需要。網絡模擬技術適用于對多個地鐵車站及隧道空間內火災時的氣流組織的解算,特別是長、大區間等情況,可計算較大空間,但不能細致反映煙氣流動的細節。目前國內的一些地鐵設計院已經在地鐵設計中進行了較多應用。

              火災場模擬技術是計算求解火災過程中網格化的三維空間內物理參數隨時間變化的模擬方式,“場”是指狀態參數如速度、溫度、壓力、氣體組分濃度等的空間分布。場模擬的理論依據是自然界普遍存在的質量守恒、動量守恒、能量守恒以及化學反應的定律等,火災過程中狀態參數的變化也遵循著這些規律,因而可以用場模擬方法求解火災過程。該技術通過對幾何參數和網格數目以及燃燒過程的一些設置,如:燃燒反應模型、火源功率與燃燒時間、邊界熱交換屬性、通風口大小與流量等,模擬計算可得到的一些輸出數據,如某點、某條線或某個面上的溫度、密度、壓力及混合組份在火災過程中隨時間的變化等,然后再利用一些數據處理工具就可以獲得研究所需的數據以及曲線等。某院在國內一些城市的地鐵安全評價和研究項目中使用了火災大渦模擬技術,如:針對某市地鐵6號線深埋車站(見圖1)、某市地下旅客自動輸送系統、某市地鐵R2線長、大區間隧道等,都采用了火災場模擬技術對其通風排煙設計方案進行了論證研究,提出了地鐵火災事故時安全、有效的氣流組織形式、排煙送風模式。目前國內一些科研機構和地鐵設計單位也越來越多地采用火災場模擬技術對地鐵通風排煙系統的設計進行論證。

          火災模擬火災模擬技術在地鐵工程中的應用

              未來仍需進一步驗證

              由于火災計算模擬技術在計算方程、求解方法和邊界條件處理方面存在一些簡化,因此結果也存在一定的誤差,包括設計的風機風量是否能滿足實際需要,能否有效控制煙氣流動和沉降等。因此,在實際地鐵工程中,采用模型實驗乃至全尺寸火災試驗往往是對地鐵通風排煙系統的有效驗證。

              某院通過對深埋車站火災進行模擬實驗研究,利用深埋地鐵車站模型,開展了列車火災和站臺火災的模擬實驗,針對某市地鐵6號線提出并驗證了深埋地鐵車站的通風排煙方案。同時,還在其他城市的地鐵線路等開展了全尺寸火災試驗,對地鐵通風排煙系統火災事故模式工作效果、可靠性及聯動狀況進行了檢驗,獲得了較多的有參考價值的數據,確保地鐵試運營安全。接下來,項目組將會對火災模擬技術進行進一步論證,使該技術在應用中更加準確、便捷。

           

           
             
           
           
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