西安地鐵2號線典型車站熱煙測試評價(jià)研究

劉 庚

(西安市地下鐵道有限責(zé)任公司,西安 710016)

1 概述

為緩解城市交通壓力,西安市開始興建地鐵,目前西安市規(guī)劃有6條線路,其中西安市地鐵2號線(北客站—會(huì)展中心站)工程運(yùn)營范圍為北客站—會(huì)展中心段,共17 座車站,正線全長20.623 km,最大站間距1 610.7 m。

縱觀世界地鐵100多年的發(fā)展和事故教訓(xùn),損失最大的是火災(zāi)事故,而煙氣則是導(dǎo)致人員傷亡的主要因素[1-2]。根據(jù)西安地區(qū)的地質(zhì)特點(diǎn),西安地鐵車站和隧道埋深均在17 m左右,在鐘樓和古城墻等需要保護(hù)的文物的地區(qū)深度可達(dá)22 m。如此大的深度,加之地鐵車站是一個(gè)相對封閉的空間,一旦發(fā)生火災(zāi)事故,熱量積聚,會(huì)使溫度很快上升,同時(shí)產(chǎn)生有毒煙氣,而乘客由地下向地面逃生,疏散距離長,通道狹窄,很容易造成逃生者恐慌,發(fā)生踩踏事故[3-4]。

為了控制煙氣的蔓延,減少煙氣的危害,有必要對其進(jìn)行全尺寸的熱煙測試[5-7],檢測地鐵FAS系統(tǒng)的運(yùn)行狀況,檢驗(yàn)地鐵通風(fēng)排煙等系統(tǒng)的工作效果,并基于現(xiàn)場測試,對車站通風(fēng)排煙模式、氣流組織方式及疏散方案提出合理的措施和建議。

本次進(jìn)行熱煙測試的車站為西安地鐵2號線北苑站,該車站總長178.2 m,總建筑面積9 570.6 m2,其中主體建筑面積為7 051.5 m2,附屬建筑面積為2 519.1 m2,車站為地下二層島式車站；該工程于2008年2月開工建設(shè),2008年12月主體工程竣工,2009年7月附屬工程竣工。目前該站已通過驗(yàn)收投入運(yùn)營使用。

2 測試方法和系統(tǒng)

2.1 測試方法

熱煙測試是利用受控的火源與煙源, 在實(shí)際建筑中模擬真實(shí)的火災(zāi)場景而進(jìn)行的煙氣測試。該試驗(yàn)是以火災(zāi)科學(xué)為理論基礎(chǔ), 通過加熱試驗(yàn)中產(chǎn)生的無毒人造煙氣, 呈現(xiàn)熱煙由于浮力作用在車站隧道內(nèi)的蔓延情況。在試驗(yàn)過程中,根據(jù)能代表較多車站和隧道的結(jié)構(gòu)形式和特點(diǎn)；能反映FAS系統(tǒng)的運(yùn)行狀況；盡量避免對周圍居民和環(huán)境的干擾等3個(gè)原則選取測試的車站為：北苑站(圖1)。車站站臺(tái)層為地下二層,設(shè)置機(jī)械排煙,通過站臺(tái)公共區(qū)排煙系統(tǒng)排放,同時(shí)開啟兩側(cè)屏蔽門、利用隧道風(fēng)機(jī)輔助排煙；地下一層為站廳層,設(shè)置機(jī)械排煙系統(tǒng)。站臺(tái)、站廳火災(zāi)場景各開展1～2組測試,火災(zāi)功率0.34 MW,選用95% 的工業(yè)甲醇作為燃料, 發(fā)煙材料為煙餅。

圖1 北苑站站廳、站臺(tái)平面

2.2 測試系統(tǒng)

熱煙測試適用于已建成的建筑或即將竣工的新建筑。對于后者,在建筑的結(jié)構(gòu)或其相關(guān)部分已實(shí)質(zhì)性完工,而且包括煙氣控制系統(tǒng)在內(nèi)的通風(fēng)系統(tǒng)已安裝并檢驗(yàn)完畢后,測試方能進(jìn)行。

本測試參照國際上通用的熱煙測試標(biāo)準(zhǔn)AS4391—1999《SMOKE MANAGEMENT SYSTEMS、HOT SMOKE TEST》[1]。測試系統(tǒng)包括燃料盤、發(fā)煙裝置及其他相關(guān)保護(hù)措施和測量裝置等,如圖2所示。

圖2 火源系統(tǒng)及保護(hù)罩

2.3 測試指標(biāo)

(1)FAS、BAS、屏蔽門、扶梯、閘機(jī)、風(fēng)閥、事故照明、事故廣播PIS等系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)狀況；

(2)站臺(tái)、站廳內(nèi)的溫度場變化(168個(gè)測點(diǎn)),其中站臺(tái)112個(gè)測點(diǎn),站廳56個(gè)測點(diǎn)；

(3)站臺(tái)、站廳、設(shè)備房區(qū)域的煙氣擴(kuò)散情況；站臺(tái)、站廳危險(xiǎn)高度處溫度變化；

(4)安全疏散時(shí)間；

(5)特征流速；

(6)特征時(shí)間等。

3 測試結(jié)果及分析

3.1 溫度

站臺(tái)測試時(shí)候的頂棚溫度和人眼高度處的溫度曲線如圖3～圖5所示?？梢钥闯?頂棚溫度在站臺(tái)層的所有測試位置(具體位置見圖1)均有溫升,說明煙氣已經(jīng)擴(kuò)散至全部站臺(tái)。通過1.5 m 高處溫度曲線可以看出,溫度探測器只在近火源位置有溫升,其他位置沒有明顯溫度升高,說明煙氣沒有沉降到人眼高度。這里需要解釋的是,圖4中其他位置及圖3的溫度變化是由于站臺(tái)通過站廳抽入外界的熱空氣,煙氣未進(jìn)入站廳。

圖3 站臺(tái)火災(zāi)測試時(shí)站臺(tái)頂棚溫度

圖4 站臺(tái)火災(zāi)測試時(shí)人眼高度處溫度

圖5 站臺(tái)火災(zāi)測試時(shí)站廳頂棚溫度

站廳測試時(shí)候的頂棚溫度和人眼高度處的溫度曲線如圖6和圖7所示?？梢钥闯?頂棚溫度均有溫升,說明煙氣已經(jīng)擴(kuò)散至全部站廳。通過1.5 m高處溫度曲線可以看出,溫度探測器在較大范圍內(nèi)有溫升,說明煙氣已經(jīng)沉降到人眼高度。

圖6 站廳火災(zāi)測試時(shí)頂棚溫度

圖7 站廳火災(zāi)測試時(shí)人眼高度處溫度

3.2 速度

在通風(fēng)排煙系統(tǒng)啟動(dòng)完成后,樓扶梯開口流速達(dá)到6.2 m/s,最大可達(dá)7～8 m/s。但無煙氣向站廳蔓延,樓扶梯開口煙氣控制達(dá)到要求。

3.3 系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)效果

表1為系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)時(shí),進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)不同動(dòng)作的完成時(shí)間,從中可以看出,整個(gè)聯(lián)動(dòng)過程需要時(shí)間最長不超過37 s,可以為火災(zāi)發(fā)生時(shí)爭取寶貴的時(shí)間。

除此之外,在聯(lián)動(dòng)測試過程中,還發(fā)現(xiàn)以下問題：

(1)PIS系統(tǒng)未顯示緊急狀態(tài)、緊急廣播無法聯(lián)動(dòng)(需手動(dòng)開啟)、扶梯無法聯(lián)動(dòng)；

(2)設(shè)備區(qū)串煙較為嚴(yán)重；

(3)站廳火災(zāi)時(shí),站臺(tái)層有煙氣進(jìn)入；

(4)站臺(tái)火災(zāi)模式下,站臺(tái)中部排煙效果不理想。

表1 北苑站火災(zāi)時(shí)間記錄

4 結(jié)論

4.1 火災(zāi)熱煙測試評價(jià)結(jié)論

本文對西安市地鐵2號線工程典型車站—北苑站進(jìn)行了全尺寸的火災(zāi)熱煙測試,對FAS系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行了測試,檢驗(yàn)地鐵通風(fēng)排煙等系統(tǒng)的工作效果。測試表明：

(1)站臺(tái)層FAS系統(tǒng)、通風(fēng)排煙系統(tǒng)等工作狀態(tài)良好,站臺(tái)機(jī)械排煙效果明顯,6 min時(shí),站臺(tái)煙氣未降到人眼高度；

(2)防災(zāi)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)狀態(tài)良好,火災(zāi)探測器、FAS系統(tǒng)、BAS系統(tǒng)、閘機(jī)均實(shí)現(xiàn)事故聯(lián)動(dòng)；屏蔽門人工開啟,PIS、自動(dòng)扶梯、廣播等尚未實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)；

(3)站臺(tái)發(fā)生火災(zāi)情況下,樓扶梯開口向下流速為6.2 m/s,扶梯開口流速滿足要求；

(4)站臺(tái)發(fā)生火災(zāi)時(shí),無煙氣向站廳蔓延,樓扶梯開口煙氣控制達(dá)到要求；

(5)火災(zāi)發(fā)生6 min時(shí),站臺(tái)煙氣未降到人眼高度,可用安全疏散時(shí)間滿足要求；

(6)站臺(tái)、站廳火災(zāi)時(shí),事故模式啟動(dòng)控制在30 s啟動(dòng),啟動(dòng)時(shí)間滿足要求；

(7)防火分區(qū)之間的防火封堵完善,滿足要求。

4.2 存在問題及對策

通過測試,存在以下問題：

(1)站廳發(fā)生火災(zāi)時(shí),站廳內(nèi)的煙氣在較大范圍內(nèi)很快沉降到人眼高度,可能原因是風(fēng)機(jī)啟動(dòng)完成時(shí)間較慢,應(yīng)對風(fēng)機(jī)啟動(dòng)完成時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化；

(2)站臺(tái)發(fā)生火災(zāi)實(shí)驗(yàn)時(shí),由于風(fēng)閥不能完全關(guān)閉問題,煙氣擴(kuò)散至設(shè)備間；運(yùn)營前,對所有車站的風(fēng)閥進(jìn)行逐一檢查,確保防災(zāi)系統(tǒng)無隱患；

(3)站臺(tái)發(fā)生火災(zāi)時(shí),執(zhí)行的模式是開啟兩側(cè)屏蔽門,利用隧道TEF和TVF輔助排煙。實(shí)驗(yàn)表明開啟兩側(cè)屏蔽門排煙對于扶梯中間的煙氣聚集區(qū)來說并無明顯效果。應(yīng)在后期線路設(shè)計(jì)中對屏蔽門的開啟模式、開啟位置進(jìn)行優(yōu)化和詳細(xì)論證,建議用CFD火災(zāi)模擬對屏蔽門開啟模式問題進(jìn)行研究；

(4)測試表明,樓扶梯開口流速可以達(dá)到6.2 m/s,風(fēng)速較大,可能會(huì)對人員疏散不利,應(yīng)對樓扶梯開口流速進(jìn)行優(yōu)化；

(5)站廳發(fā)生火災(zāi)時(shí),站臺(tái)層兩端位置出現(xiàn)煙氣,可能會(huì)導(dǎo)致多處報(bào)警無法正確啟動(dòng)火災(zāi)模式,應(yīng)對該車站的串煙情況進(jìn)行徹底排查,查明原因,及時(shí)整改。

4.3 類似工程的優(yōu)化建議

在本次煙氣測試過程中,發(fā)現(xiàn)目前地鐵建造過程的一些問題,有些屬于施工沒有嚴(yán)格按照規(guī)范要求所致,有些則屬于地鐵建造過程中存在的普遍問題,提出以下建議,以期對類似工程有所幫助：

(1)風(fēng)機(jī)的選用對于地鐵站臺(tái)排煙是設(shè)計(jì)過程中需要非常重視的過程,在選用風(fēng)機(jī)的過程中,不僅需要關(guān)注風(fēng)量和風(fēng)壓2個(gè)參數(shù),還需要對風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間有所要求,要能保證事故發(fā)生時(shí),風(fēng)機(jī)能盡可能快地起到應(yīng)有作用。

(2)站臺(tái)火災(zāi)時(shí),開啟兩側(cè)屏蔽門排煙對于扶梯中間的煙氣聚集區(qū)效果不明顯。此問題應(yīng)該配合排風(fēng)口的設(shè)計(jì),利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)火災(zāi)模擬對進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[8,9]；

(3)火災(zāi)發(fā)生時(shí),風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí),煙氣的流向及空氣流速、溫度、疏散路線等應(yīng)該利用計(jì)算流體力學(xué)方法進(jìn)行預(yù)評估,然后再根據(jù)結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的修正[10,11]。

5 結(jié)語

熱煙測試做為地鐵運(yùn)營前安全測試的重要內(nèi)容,可測試出站廳和站臺(tái)內(nèi)的溫度場分布、煙氣流向、逃離路線是否合理等。本次測試結(jié)果表明,地鐵通風(fēng)排煙等系統(tǒng)的工作效果總體滿足設(shè)計(jì)要求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),但仍然存在一些可以改進(jìn)的地方,主要是設(shè)備的可靠性存在一些問題,如風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間,風(fēng)閥的關(guān)閉度,以及火災(zāi)警報(bào)模式的啟動(dòng)等。另外,對于排風(fēng)口的設(shè)計(jì)也可利用計(jì)算流體力學(xué)進(jìn)行優(yōu)化模擬。

[1] AS4391-1999 Smoke Management Systems、Hot Smoke Test[S]．

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