地铁站侧式台车烟气热烟试验分析

地铁站侧式台车烟气热烟试验分析

地面机械快速烟压地铁的出现为大城市居民提供了便捷的交通工具，同时也为消防保护带来了新的话题。由于地铁站内人流密度很大,再加上处于地下不易疏散,一旦发生火灾就可能造成严重的后果。1995年发生在阿塞拜疆首都巴库的地铁火灾一共造成337人死亡,227人受伤,而这些人的伤亡主要是因吸入高温、有毒气体而造成的。因此为了保障火灾时地铁站内人员的生命安全,必须在地铁站进行有效的机械排烟。为了有效排出烟气,必须通过一定面积的补风口向建筑物内部补充空气。由于地铁站台的建筑长度远超过宽度和高度,并且处于地下无法进行自然补风,因此对于地铁站的补风问题更要仔细考虑。然而在我国的国家标准《地铁设计规范》(GB50157—2003)中对补风却没有具体要求。这就导致在地铁设计过程中,设计者只注重排烟量是否满足规范,却没有很好的考虑补风。作者通过热烟试验方法在站台层进行了机械排烟试验,并提出了站台补风的改进方案。采用场模拟软件FDS对改进后的排烟效果进行了模拟,结果表明在进行适当的补风后能有效改善机械排烟效果。1胶凝式有机温站该地铁站包括站厅层、岛式站台层和侧式站台层,侧式站台位于地下三层,其站台宽度为9.6m,站台长度140m,高4.6m。图1中虚线部分表示地铁站台与区间隧道之间的屏蔽门,屏蔽门是由树脂玻璃制成,一般情况下屏蔽门处于关闭状态;在站台的两侧各有一个通向隧道的防火门,防火门也只有在特殊情况下如需要从隧道疏散人员时才打开。通过屏蔽门和防火门的共同作用地铁站台和区间隧道被分隔为2个独立的部分。在站台的一侧有2部通向上层的楼梯,站台的突出部位为4部自动扶梯,分别与负二层岛式站台层和负一层站厅层相连。站台顶部3m处做了镂空的吊顶,这样在站台顶部形成了一个1.6m高的蓄烟空间。在站台顶部设有2条风管,靠近屏蔽门的为送风管,靠近楼梯的为排烟管。送风管和排烟管上等间距地各设了若干个送风口和排烟口。在正常情况下排烟管处于关闭状态,通过送风管对站台内进行送风;一旦发生火灾则立即停止送风,同时开启排烟风机进行机械排烟,并在负二层进行正压送风。由于此时屏蔽门和防火门均为关闭状态,因此站台内发生火灾后空气只能通过自动扶梯以及站台南侧的2部楼梯补充到站台内。2油盆与热烟试验系统澳大利亚标准热烟测试方法是澳大利亚在深入研究各种测试方法的基础上,推出的一种新式现场试验测试方法,并为该方法制订了相应的标准。这种方法克服了传统研究方法的缺陷,直接应用于建筑,测试结果直观,能有效地测试建筑的烟气管理系统性能。因此采用了澳大利亚标准热烟测试方法对站台层的机械排烟效果进行了测试。试验采用的油盆为澳大利亚规范“AS4391—1999,Smokemanagementsystems-hotsmoketest,1999.”中的A1系列油盆,其尺寸为841mm(长)×595mm(宽)×130mm(高),油盆面积为0.5m2,燃料采用的是工业纯甲基化酒精(95级),单个油盆燃烧的热释放速率约为350kW,火源位置如图1所示。增加了一套温度采集系统以测量试验过程中站台内烟气温度的变化。在侧式站台内共进行了2组热烟试验。第一组试验为站台机械排烟效果的测试,采用两个A1油盆;试验中负二层正压送风,负三层站台进行机械排烟,且负三层站台的屏蔽门与防火门全部关闭;第二组是第一组的对比试验,条件完全相同,只是在试验过程中将站台两侧的防火门打开进行补风,以对比排烟效果。试验中在北侧站台内布置了一串热敏电阻,从火源点向北每隔2米布置1个测点一共11个测点,用来测量此区域内烟气温度随时间的变化;另在试验中采用便携式热球式风速仪对站台楼梯口、自动扶梯口以及排烟口等位置的风速进行了实际测量。3对2个补口和主效应的分析在试验中发现火源两侧站台的排烟效果差别很大,北侧约30m左右的站台机械排烟效果较差,如图2所示。图2中的四幅照片是不同时刻拍摄到的北侧站台内烟气的沉降情况。从图中可以看出,在160s的时烟气已经降到人头顶的高度;200s时烟气高度进一步下降,并且烟气浓度要比160s时大;400s的时候烟气已经沉降到了北侧站台的地面位置,到520s的时候站台其余部分烟气都已排净,而靠近防火门的区域仍然有一些烟气存在。相比之下南侧站台的排烟效果要优于北侧站台。在试验过程中南侧站台的大部分区域烟气层均保持在2m以上,只有在靠近防火门的区域烟气下降到了地面处。可以看出在站台的两端存在着排烟的死角。《地铁设计规范》第19.1.19条规定:在发生火灾的情况下必须在6min之内将一列车乘客和站台上候车的乘客和工作人员全部撤离站台。这就意味着站台内的机械排烟必须保证在300s以内必须将烟气层高度保持在危险高度以上。然而试验的结果表明站台内的排烟系统不能完全实现这一目标。在试验过程中笔者测量了南北两侧站台排烟口的风速,发现两侧排烟口的风速基本相同,这说明排烟效果上的差异不是由于排烟量的不同而产生的。从图1中可以看到整个站台只有3个补风口,而其中2个补风口位于南侧站台内,北侧站台只能由自动扶梯通道进入的空气进行补风,即南侧站台的补风条件要优于北侧站台。即使在同一侧的站台内也存在着类似的差异,仔细分析图2中的d图,北侧站台在临近自动扶梯的区域烟气已经排净,然而在临近防火门的区域由于缺乏补风仍然充满了烟气。因此认为补风条件的不同是造成排烟效果差异的主要原因。为了验证以上的分析,对比了第二组和第一组试验,在180s的时候将南北两侧站台的防火门打开,利用防火门作为补风口。从试验中可以看到在增加2个补风口之后,站台机械排烟效果有了很大改善,试验开始后积聚在北侧站台内的烟气开始排出,500s时北侧站台烟气基本排净。在南侧站台靠近防火门也观察到了同样的现象,没有出现第一组试验中的排烟死角现象。图3是试验中通过布置在北侧站台顶棚处热敏电阻测得的距离火源不同距离处的烟气温度,热敏电阻布置在距离地面4.5m处。在打开防火门进行补风以后站台内温度开始了逐渐下降。这说明在把防火门打开作为补风口后改善了站台内的排烟效果,减少了烟气在站台内的蓄积,从而降低了烟气温度。虽然打开站台两侧的防火门能够有效改善排烟效果,但出于安全的考虑防火门在站台发生火灾时应处于关闭状态,不能直接用作补风口。因此为了防止出现排烟死角,有必要在站台两端设置机械送风。试验中发现在打开防火门之后自动扶梯口与楼梯口的风速均有明显的降低,这是由于增加了2个补风口以后造成了以上位置的压差下降,从而使得风速降低。在《地铁设计规范》中规定火灾时必须保证楼梯口向下的风速大于1.5m/s以控制烟气向上蔓延,因此在进行机械补风时补风量不能过大,否则可能影响控烟效果。4初始温度验证为了更好的认识补风对于站台机械排烟的影响,采用场模拟软件FDS对两种试验条件下站台内烟气沉降情况进行了模拟计算。计算中对于火源、楼梯、自动扶梯以及北侧站台的网格均进行了加密。在第一个算例中只通过楼梯和自动扶梯对站台进行补风;第二个算例则在第一个算例的基础上在站台两侧各增加一个机械补风口,补风风量按照现场测量的防火门处风速折算为14400m3/h,单个排烟口的排烟量也按照现场测量的排烟口风速折算为4666m3/h;初始温度根据测量结果确定为26℃。图4所示为采用FDS建立的该侧式站台的模型。图5所示为计算得到的两种情况下燃烧进行300s时北侧站台中截面上温度场的分布情况。比较图5a和图5b,在无补风的情况下45℃等温线到达了140m,而进行补风后45℃等温线只到达了128m;无补风情况下34℃等温线高度为2m,而进行补风后34℃等温线高度在3m左右。这充分说明在站台两侧进行机械补风以后站台内的温度有明显的下降。将图5b和图3中的测量结果进行对比可以发现计算结果没有反映出烟气在蔓延过程中的温度衰减。这主要是由于北侧站台网格划分过粗,因此对火灾流场的一些精细结构没有反映出来。从图5的结果根据N百分比法可以确定出300s时北侧站台的烟气层高度,取N为15,则第一个算例中烟气层与空气层分界面的温度为29℃;第二个算例中分界面温度为27.8℃。从图5a中可以看到300s时烟气已经充满了整个北侧站台,无法满足300s有效疏散时间的要求;图5b则反应出进行两侧机械补风后300s时烟气层高度维持在2m,即通过机械排烟能有效地控制站台内的烟气,计算结果和试验符合得较好。5民法设计有关原理机械排烟是保证火灾时站台内人员的生命安全的重要措施,在设计地铁站机械排烟时不应仅考虑机械排烟量以及风口布置,补风也应作为重要的问题予以仔细研究。在正常启动