地铁与地下商场连接部位的防烟防火性能的研究

地铁与地下商场连接部位的防烟防火性能的研究1立项依据与研究现状1.1项目的立项依据地铁因行驶快、载客量大、准点准时及清洁无污染等优点，越来越倍受人们青睐和欢迎。地铁站属于人密集场所，由于其位于地下的部分空间封闭狭长，故大大限制了其通风和人员疏散。因此火灾时人员伤亡和财产损失通常较为惨重，国外已经发生过多次地铁火灾事故。1987年英国伦敦地铁君王十字车站，由于自动扶梯自燃引发火灾造成32人死亡[1-2]。1995年，阿塞拜疆巴库地铁由于列车发动机电气老化短路引起火灾，列车停在了隧道里，导致乘客难以逃生，死亡337人，严重受伤269人[3-4]。2003年发生的韩国大邱市地铁火灾，火灾起因是乘客携带的易燃液体引燃了座椅和地板革，其中一列车的大多数车门未能打开，乘客受困于车厢，事故造成198人死亡[5-6]。统计显示，我国北京地铁建成至今总共发生了156起火灾，多是因违章操作、电器故障等引起。我国已批复2015年前后建设地铁的城市有25个，共87条线路，总里程2529.62公里，总投资10043.16亿元，位居世界前列。随着地铁里程的增加，地铁交通的安全问题越来越突现出来[7]。据统计[8]，地铁交通中各种灾害及其分布情况为：火灾事故占45%，机车车辆事故占23%，恐怖活动事故占17%，可见火灾在各类事故中发生的频率最高。目前虽然车辆性能不断改善，交通管理水平不断提高，但随着地铁周边环境的复杂化，设备的老化和使用人员的无序结构，事故概率呈增加态势，人为处理事情的不适当也会导致人为火灾的发生，而且目前我国尚未出台专门针对地铁系统防火防烟的法律法规。由于地铁极大的人流量，商家都看重地铁周边的物业，因此更多的地铁车站连接着地下商场，此时当商场形成一个大型的购物娱乐聚集地，也加大了该地铁车站的人流量，如广州地铁烈士陵园车站连接着流行前线地下商场。地下商场可燃物数量多，电气设备也多，用电负荷大，且商铺众多很难统一管理，如随意改变电气线路，或采用不合格的电线电缆和接插件，容易引发火灾，此时烟气会迅速蔓延开来，进入连接通道威胁到地铁的安全运营。现有的消防设计因种种原因不能完全保证地铁或地下商场一方发生火灾，另一方完全不受影响。因此，研究更安全的措施来控制烟气在地铁与地下商场之间的流动显得极为重要，一方面要遏制烟气源，另一方面隔离危险区，相邻区域如连接通道要阻止烟气扩散。1.2国内外研究现状车厢火灾地铁车站火灾发生及发展过程已经成为火灾科学和消防工程研究的一个重点。其中，如何确定地铁列车的火灾功率，已经成为开展地铁火灾研究和进行地铁消防工程设计最重要的环节之一。目前在分析地铁火灾危害时采用的火灾功率范围跨度相当大，大都是根据与列车相似建筑环境的试验数据，缺乏全尺寸地铁车厢火灾试验的数据支持。国内外的研究人员已开展了一些全尺寸的地铁列车车厢火灾试验，如公安部四川消防研究所开展的地铁列车车厢局部试验，瑞典的SP技术研究所及澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）利用报废车厢开展的全尺寸火灾试验。这些试验得到了一批宝贵的实验数据，但是由于使用的多为老旧车厢，且研究着重于车厢自身座椅、地毯等可燃物着火后的火灾功率，或限于条件，仅仅开展了局部火灾试验。中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室根据在南方某城市地铁中的乘客携带行李物品等移动火灾荷载的实际调查数据，在全尺寸地铁列车车厢实验模型中开展了一系列车厢火灾试验，并发展了一种基于氧耗法的简易热释放速率计算方法，基于简化的氧耗法测量得到的数据，对于车厢内某一区域发生多个个纸箱共同燃烧的情况，其热释放速率最大可达1.5MW；而对于被泼溅了大量可燃液体的极限情况下，其最大火灾规模可达3.8MW。地铁站台站厅烟气蔓延研究随着计算机计算能力的增强，CFD(ComputationalFluidDynamics)技术被广泛地应用到地铁站以及隧道内火灾烟气发展以及通风等分析中，并取得了大量的研究成果。Simcox[10]对伦敦地铁君王十字车站火灾进行了数值模拟，研究了火灾烟气在地铁站内的流动情况。Abu-Zaid[11]等人对地铁中转站的烟气进行了模拟，通过对不同火灾位置下烟气温度场和速度场的分析，模拟结果显示如果没有机械排烟的作用，人员的安全疏散将无法实现。Deng[12]等人对地铁火灾计算机模拟中的网格生成、网格质量、边界条件设置、物理模型的选择等方面进行了研究。Elias[13]等人通过改变网格形状、网格密度以及区域网格加密对地铁站内的列车火灾进行了模拟。台湾国立大学的陈法林[14]等人利用CFX模拟了台北Gung-Guan地铁站火灾时烟气的蔓延过程，对火灾时各种烟气控制方案进行了评价，并对屏蔽门系统在烟控中的作用进行了模拟。同时研究了烟囱效应对于地铁火灾烟气蔓延的影响。Won-HeePark[15]等人利用FDS对地铁站机械排烟情况下烟气的蔓延过程进行了数值模拟，并以此来判断站台机械排烟的最优方案。那艳玲[16]等利用自己开发的CFD区域模拟软件对地铁环控状态下的温度场、气流场进行了比较详细的研究。对地铁火灾状态下不同地铁系统的不同站台形势、站台站厅不同位置着火以及列车不同位置着火的湿度场分布规律进行了较为详细的模拟分析。诸德志[17]运用CFD中的κ-ε双方程3维紊流模型，分别对岛式和侧式站台层轨道中央列车车厢和站台层左侧两楼梯中间位置着火情况下烟气扩散情况进行模拟，比较屏蔽门对火灾烟气扩散的影响。结果表明：车厢着火时，屏蔽门把烟气限制在了轨道区域；楼梯之间着火时，屏蔽门将烟气限制在着火区域。同时排烟风机的效率至少提高了10%，站台层内温度也随着排烟效率的提高而显著降低，保证6min的人员安全疏散时间。钟委等研究地铁站内排烟口设置对排烟效果的影响，得出结论排烟口越高、排烟风速越小，则排烟效率越高。若不改变排烟口面积而直接增加排烟量，可能会由于排烟口风速过大而发生烟气层吸穿，排烟效率可低至不足50%[20]。纪杰等研究得出在长通道内，排烟口不宜设置在一维蔓延阶段，即距火源的距离不宜大于通道宽度的1.33倍，以尽量降低由于排烟口的抽吸作用对下层空气造成的扰动，以减少排烟引起的烟气层卷吸加剧所导致的烟气增加量，并有效地排出烟气。在一端开敞通道内进行机械排烟时，并非启动的排烟口越多、分布越均匀排烟效果越好，宜单独启动补气口相反侧的排烟口或同时启动火源两侧的排烟口，而在两端开敞通道内进行机械排烟时，宜同时启动火源两侧的排烟口。侯丛兰[22]用CFX模拟北京某大型地铁换乘站在站台中部及站厅中部发生火灾下共5种工况下的烟气流动规律，分析得出该工况下的安全临界，同时，利用冷烟现场实测数据与CFX无火灾工况模拟结果数据对比，证实了CFX数值模拟对地铁火灾的研究有很好的可靠性。田娟荣[23]等通过调查问卷的形式，分析了广州地铁公园前站乘客的基本组成、特性，问卷调查结果显示仅有19.1%的调查对象知道列车上灭火器的具体位置并且能够熟练使用，其他对象或者不知道具体位置或者不会使用灭火器。按照我国的《地铁设计规范》中规定的“应保证在远期高峰小时客流量时发生火灾的情况下，6min内将一列乘客和站台上候车的乘客及工作人员全部撤离站台”，地铁车站现有的客流量无法保证6min内全部疏散。地铁设计规范我国出台的《地铁设计规范》（GB20157-2003）参考国外相关的消防规范，如美国的NFPA130以及日本防火规范。《地铁设计规范》中规定：地铁站厅或站台的单个防火分区面积不宜超过750平米；同时，防烟分区部分按地面面积每平米要具有1m3/min以上的排烟能力地铁火灾按照起火的位置不同，通常可以分为区间隧道火灾和车站火灾。车站发生火灾时，人员可就近通过车站的出入口疏散至地面安全区域。地铁列车在区间隧道发生火灾时，《地铁设计规范》（GB20157-2003）给出的疏散原则是：将着火列车快速驶入前方站台，再指挥人员疏散。而列车一旦无法驶入前方站台，停留在隧道内，列车上的人员将不得不下车沿隧道新风方向向最近的车站疏散，或者通过联络通道向相邻隧道疏散，再通往最近的车站。受区间隧道断面狭小的影响，无论采取列车端门疏散还是侧面设置疏散平台，列车上的人员均难以快速迅捷地疏散至车外。由于两个地铁车站之间的区间隧道长度一般不低于1km，人员在隧道内的疏散距离长，需要较长的时间才能到达最近的车站。列车在区间隧道内发生火灾易造成重大伤亡事故。根据现行国家《地铁设计规范》（GB20157-2003）要求，采用站台层排烟，站厅层送风（传统防排烟模式），站台层为负压，楼梯口向下气流速度不小于1.5m/s，在站厅与站台间的楼梯口设置挡烟垂壁，其高度不低于0.5m，一列车乘客和站台上候车的乘客及工作人员6min内全部从站台撤离。1.3存在的不足前人主要的研究内容均集中在地铁站内烟气控制系统的有效性分析或者站台内通风模式设计和选择上，对于连接外部对地铁的火灾烟气威胁以及地铁对连接外部的影响缺乏研究，目前尚无学者对地铁站台站厅连接商业中心的消防安全进行研究，亦没有通过全尺寸实验数值模拟等方法研究商业中心发生火灾对地铁站的影响。地下商场人员密集，可燃物数量多，如用火管理不善，如违章使用电炉等电热器具、使用不合格的电气产品、随处吸烟、随意丢弃烟头等，很容易引起火灾，并导致大面积蔓延。在火灾等危险情况下，能够将危险区域隔离开来，保证地铁和地下商场互不影响。目前针对地铁火灾的研究手段以数值模拟计算为主。其中大部分的研究工作都是选用某种场模拟软件比如CFX、FLUENT、FDS等作为工具，针对某个特定结构的地铁站台，对设定的几个火灾场景下地铁站内烟气的流动进行数值模拟。国内外开展的全尺寸地铁站实火实验非常少，仅有部分文献中提到了对地铁站各个位置进行了风速的测量，或者在地铁站内开展了冷烟实验。但是这些冷烟实验或站台风速测量与实际地铁站发生火灾时的情况存在相当大的差异，这也限制了其实验数据的适用性。因此有必要在实际地铁车站开展热烟实验。2研究内容及拟解决的关键问题2.1研究内容目前地铁消防安全技术上已经取得了很大的改进，对车辆的内装材料、座椅、电线、电缆等材料进行了严格的阻燃或不燃处理，减少了地铁固定的火灾危险源。但是广州地铁车站人流量很大，经常出现超员的情况，而且越来越多的地铁车站连接着地下商场，地下商场可燃物很多，如服装、化妆品、饰品、店铺的装潢材料等，一旦发生火灾势必会影响地铁的安全。因此，对于这类地下建筑，既要防止站台发生火灾时，烟气蔓延至站厅，甚至侵入连接的商城；同时又要防止商城发生火灾的烟气侵扰到站厅，即重点研究如何防范地下商场和地铁之间的灾害蔓延。总结来看，地铁与地下商场连接相关的问题有如下几个方面可以进行深入研究：（1）统计广州地铁车站与商场连接的个数，对连接的参数诸如开口大小、距离、周围的可燃物记录下来。(2)对于地下商场和地铁连接处，现有的消防措施是设置防火卷帘，但是防火卷帘实际的防烟防火性能到底如何不得而知。因此，有必要对在建连接商场的地铁车站进行热烟实验，测试连接处现有消防设施防烟的有效性。(3)连接处的消防设施的改进，增加其他防烟防火措施，如喷淋、水幕等。同时通过实验及数值模拟来验证防火防火性能的提高。（4）通过理论分析结合实验、数值模拟等手段找出地下商场与连接处的最小安全距离，（5）制定火灾发生时地铁管理部门的应对方案，特别是如何与地下商场管理部门对连接处的消防管理进行联动方案。2.2拟解决的关键问题大量的火灾案例表明，消防系统不完备或消防系统管理不当，导致火灾时不能及时报警、消火栓或自动喷淋系统没有水、防火卷帘不能有效降落等，使得火灾在初期不能得到遏制而造成重大损失。1）改进现有地下商场与地铁车站连接处的防烟防火措施。2)对广州地铁连接的地下商场进行调研，重点是掌握地下商场可燃物的产烟量，以此确保热烟实验的准确性。2）形成一套火灾情况下的连接处消防管理策略及人员疏散方案。3项目可行性分析地铁车站与地下商场都属于地下空间，地下空间只能通过有限的人员出入口、通风竖井及其狭小的断面与大气沟通，主要依靠机械设备组织通风。在火灾发生时容易出现缺氧现象，燃烧不充