（安全技术及工程专业论文）地铁火灾通风模拟研究.pdf

s u b j e c t：s t u d yo ns i m u l a t i o no ft h eu n d e r g r o u n dv e n t i l a t i o nu n d e r f i r e s p e c i a l t y：s a f e t ye n g i n e e r i n g n a m e i n s t r u c t o r ：x ul i y a ( s i g n a t u r e ) 独丝卜 ：z h a n gj i a n g r a n g $ 适n a t u r e ) 五呼俨丑吁 a b s t r a c t 2 1 s tw i l lb et h eu n d e r g r o u n db u i l d i n g s c e n t u r y s u b w a yw i l lb el a u n c h e di n t ou s ea sa n i m p o r t a n t t r a f f i ct o o li nm a n yb i ga n dm i d d l ec i t i e s b u tt h es u b w a yf i r eh a st h em o r e d a n g e r o u s f o ra l lt h e s er e a s o n s ，t h es t a t u so f m e c h a n i s mv e n t i l a t i o nu n d e r f i r ea r es e l e c t e da s t h es u b j e c to ft h i sp a p e r , w h i c hw i l lb em e a n i n g f u lt ot h ep e r f o r m a n c e b a s e df i r ep r o t e c t i o n d e s i g ni nu n d e r g r o u n dv e n t i l a t i o n ，a n dh o p et ob eh e l p f u lt ot h er e s e a r c ho fh o w t oc o n t r o lt h e u n d e r g r o u n df i r e t h e p a p e ru s e sq i a n m e ns t a t i o na st h er e s e a r c ho b j e c t ，w h i c hi sar e p r e s e n t a t i v es t a t i o n o fb e i j i n g t h ep r o p e rv e n t i l a t i o nd e s i g ni n c l u d i n go p e n i n gs i z e ，l o c a t i o na n da i r f l o wr a t e w e r et h e r e f o r ei d e n t i f i e df o rt h ea s s i s to ft h em e c h a n i c a lv e n t i l a t i o ns y s t e md e s i g n t h ep a p e r s t u d i e st h em e c h a n i c a lv e n t i l a t i o nc o n d i t i o n so fi s l a n ds t y l ep l a t f o r m ，a n db a s e so nt h e s i m u l a t i o nr e s u l t sg i v e st h eb e t t e rv e n t i l a t i o ns c h e m e t h i sp a p e r sr e s e a c hm e t h o di sm a i n l yc o m p u t e rs i m u l a t i o n a l t h o u g ht h ed a t ao fe n t i t y d i m e n s i o ne x p e r i m e n ti st h eb e s t ，b u tt h ee x p e r i m e n tw i l lc o s tl o n gt i m e ，a n dt h ef i r ec a l l tb e r e p l i c a t e d t h es m a l l p r o p o r t i o n a le x p e r i m e n tc a no n l yb eu s e di nq u a l i t a t i v er e s e a r c h ，a n d u s i n gt h ee x p e r i m e n t a ld a t ah a sl o c a l i z a t i o n s ow ea d o p ts o m ep r e d i g e s tm e a s u r e ，s t r i v et o f i n db e t t e rp r o j e c t i o n ，i no r d e rt os i m u l a t et h ev e n t i l a t i o nw h i c hc a n tb ec a r r yo u tb e c a u s eo f c o n d i t i o nr e s t r i c t t h ep a p e ra d o p t st h en p e r c e n t a g ea n de v a c u a t i o nf o m u l at op r o v i d et h eb o u n d a r y c o n d i t i o n sa n dt h en u m e r i c a lv a l u eo ft h es i m u l a t i o n f d si su s e dt os i m u l a t et h es u b w a y s v e n t i l a t i o na n ds m o k em a n a g e n m e n tu n d e rf i r e ，s o l v e dt h ep r o b l e mo fb e s tv e n t i l a t i o nm o d e u n d e rf i r e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es m o k es p r e a d sq u i c k l ya n dt h et e m p e r a t u r ea s c e n df a s t u n d e rt h ec a s eo fu n m e c h a n i c a l - v e n t i l a t i o nf o r m t h ev e n t i l a t i o ns y s t e mh a se f f e c t i v e f u n c t i o n t h eb e s tv e n t i l a t i o nf o r mi su s i n gm e c h a n i c a la i rs u p p l yf o r mf a rf r o mt h ef i r e ，a n d u s i n gm e c h a n i c a ls m o k ee x t r a c t i o nf o r i l l c l o s et of i r e i tc a ne n s u r et h a tt i l es m o k e c o n c e n t r a t i o ni sl o wi nac e r t a i nt i m ea n dt h et e m p e r a t u r ei sl o w t h a tw i l lb ep r o p i t i o u st ot h e p e o p l e se v a c u l a t i o n k e y w o r d s ：u n d e r g r o u n d f d sf i r ev e n t i l a t i o n s a f e t ye g r e s s s i m u l a t i o n t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y 西姿料技太擎 学位论文独创性说明 y9 2 2 8 0 2 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体己经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：钩韵珈t 日期： 州，印f f 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：瓤函硼乞指导教师签名：届伤1 o 蚋6 年霉其l 扩b 1 绪论 1 绪论 1 1 问题的提出 城市交通问题是城市发展过程中所遇到的主要问题之一。近年来，在世界上人口超 过1 0 0 万以上的大城市中，当单方向每小时稳定的等候客流密度超过3 万人时，地下铁 道将成为城市交通的主体并已成为趋势。据不完全统计，目前全世界已有3 0 多个国家 和地区的8 0 多个城市建造了地铁，地铁的总长度约为5 千公里，其中4 千多公里已正 式运营，共有客车约4 万辆，每年运送旅客1 6 0 亿人次。目前，伦敦、巴黎、莫斯科、 东京、纽约、汉城等城市的地铁已形成了上下几层、四通八达的地铁网。有的城市还连 通了地下的大型商场、娱乐场所，并与之组成了地下城市。 我国的地铁建设起步较晚，但是发展很快。现在北京、上海、天津、广州，深圳都 有了地铁，有的城市正在筹建地铁。 由于地铁运行方式的特殊性，一旦发生火灾事故，其后果特别严重。2 0 世纪8 0 年 代以来世界各国发生了多起地铁火灾： 1 9 8 2 年3 月1 6 日，美国纽约地铁发生火灾，1 节车厢被毁坏，伤8 6 人。 1 9 8 7 年1 1 月1 8 日，英国k i n g sc r o s s 地下车站发生火灾，共3 1 人死亡，多人受伤。 1 9 9 1 年4 月1 6 曰，瑞士苏黎世地铁机车发生火灾，导致下面的机房和地下一层的 售票厅被烧毁，3 1 人死亡，1 0 0 多人受伤。 1 9 9 5 年1 0 月2 9 日，埃塞拜疆首府巴库列车于地下隧道内发生火灾，3 3 7 人死亡， 2 7 0 人重伤。 1 9 9 8 年元旦，俄罗斯莫斯科地铁发生火灾，3 人受伤。 1 9 9 9 年6 月，俄罗斯圣彼得堡发生地铁车站火灾，6 人死亡。 1 9 9 9 年1 0 月，韩国首尔郊外的地铁发生火灾，5 5 人死亡。 2 0 0 1 年8 月，英国伦敦发生地铁爆炸，6 人受伤。 2 0 0 1 年8 月3 0 日，巴西圣保罗地铁发生火灾，1 人死亡，2 7 人受伤。 2 0 0 2 年1 1 月2 2 日，北京东直门地铁站内一车厢内发生火灾，在工作人员及时疏导 和奋力扑救下，人员得到及时疏散。 2 0 0 3 年2 月1 9 日，韩国大邱市地铁发生火灾，至少1 3 0 多人死亡，1 4 0 多人受伤。 1 1 1 我国地铁及其通风排烟设施概况 ( 1 ) 主要城市地铁概况 我国建成地铁的城市有北京、上海、天津、广州、深圳。其中北京、上海、广州地 西安科技大学硕士学位论文 铁具有代表性。 北京地铁第一期工程于1 9 6 9 年1 0 月投入试运营。目前，北京地铁现总长5 4 公里， 4 1 个运营车站，4 条运营线路客运量日平均1 7 0 万人次。北京地铁的满载率和单车运行 均居世界第一。地铁1 号线起点为石景山区苹果园站，终点为朝阳区四惠东站，全长3 0 4 4 公里，设有车站2 3 座，现日均客运量约为6 0 万人次。地铁2 号线为沿北京旧城墙的环 行线，全长2 3 1 公里，设有车站1 8 座，1 9 7 1 年3 月动工，1 9 8 4 年9 月通车运营，现日 均客运量约7 0 万人次。3 号线( 城市铁路) ，是北京第一条以地面和高架运营为主的线路， 起点为西直门站，终点为东直门站，全长4 0 8 5 公里，其中地面线2 6 a 公里，地下线3 4 7 公里，高架线1 1 2 8 公里。全线有车站1 6 座，其中地面站7 座，地下站1 座，高架站8 座。1 9 9 9 年1 2 月动工，西线2 0 0 2 年通车，全线2 0 0 3 年1 2 8 通车。工程总投资6 2 4 亿元，现日均客运量8 万人次。八通线，也即l 号线延长线，起点为朝阳区四惠，终点 为通州区土桥，全长1 8 9 5 公里，其中地面线7 9 公里，高架线1 1 0 5 公里，设有车站 1 3 个，其中高架站9 座，地面站4 座。2 0 0 1 年1 2 月动工，2 0 0 3 年1 2 月建成通车，工 程总投资3 4 亿元。 上海于1 9 9 0 年9 月开工建设地铁一号线，1 9 9 5 年4 月全线通车。1 9 9 6 年7 月1 日 一号线与5 2 5 公里南延伸线连通，使线路总长达2 1 5 1 公里，共1 6 个车站。地铁一号 线是上海城市轨道交通网络中的南北主干道，工程南起莘庄，北到宝钢。按工程设计， 地铁一号线具备高峰每小时单向客流量近期为四万人次，远期六万人次的城市交通客运 能力；目前日客流量已达4 0 万人次左右。地铁二号线是上海地铁网络中的东西线路。 全长1 8 9 7 公里，设车站1 3 个，到2 0 0 5 年第三季度，上海地铁二号线一期工程日客流 量已达2 4 万人次左右。 广州地铁于1 9 9 3 年1 2 月破土动工，至1 9 9 7 年6 月一号线的一期工程竣工并投入 试运营。目前，广州地铁一号线全长1 8 4 8 公里，设1 6 个车站。单向断面高峰小时运能 5 5 5 万人次。每列车6 节编组，最高车速可达8 0 公里d , 时，平均车速3 5 公里d , 时。 设计最小发车间隔可达到2 分钟。地铁二号线2 0 0 2 年1 2 月2 9 日二号线三元里至晓港 段开通。广州地铁实现了我国第一个地铁站台屏蔽门系统、第一个全非接触式i c 卡的 自动售检票系统、第一个地铁集中供冷系统、第一个架空刚性悬挂接触网技术、第一个 使用国产化a 型车辆的应用。 ( 2 ) m 内地铁通风和排烟设施概况 因建设年代不同，北京地铁、上海地铁、广州地铁的通风和排烟系统不尽相同。总 体可分为两类： 第一类是通风和排烟同为一个系统，即系统均由相同的风机、消音器、风口、风道 和风亭组成。由风机的风叶进行正转或反转，来实现系统的送风或者排烟。隧道、站台 内的烟气流动方向为沿隧道或站台水平方向流动。站台发生火灾，通风排烟方式是站台 1 绪论 隧道入口上部的风机反向运转，将站台内的烟气由风口吸入风道，经风道尽头处的风亭 排到地面：隧道内发生火灾，区间风机反转吸风，站台风机正转送风，使隧道内烟气从 事故发生处流向区间风口，经风口进入风道，再从风道尽端的风亭排到地面。 另一类是通风系统和排烟系统分开设置，各自分别成为相对独立的系统。即通风系 统和排烟系统是由各自独立的风机、消音器、风道、风口( 排烟系统含风亭) 分别组成。 进烟口、通风口分别设在站台行车道上方和站台集散厅顶部，站台内的烟气流动为垂直 方向流动。 因建设年代早，北京地铁一号线的站台和隧道采用的是通风和排烟共为一个系统。 上海、广州地铁的通风和排烟是将两种方式结合使用，即隧道内采用第一种方式，站台 上采用第二种方式。 1 1 2 地铁火灾通风研究的目的和意义 在地铁火灾中，烟气是最主要的人员致死原因之一。而接连发生的地铁火灾为我们 敲响了警钟。加强安全意识，防患于未然已经成为当前地铁交通系统的一大问题。科研 人员开始研究隧道火灾发生、发展规律，以便加强隧道的防火安全设计。 对于地铁来讲，由于地下特殊的环境状况，通风设计及火灾条件下通风问题尤为重 要，一个合理的地铁车站通风环境，必须满足乘客、车站工作人员的安全需要。韩国大 邱地铁火灾事故的主要致因之一就是通风系统的容量不足。如果在通风设计中利用 c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 模拟方法充分研究了火灾工况下通风模式，这类事 故的发生机率会大为降低。另外，车站中的气流组织方式必须满足乘客的舒适性要求。 合理的风速、温湿度应该使得在站台短暂停留等车的乘客有一定的舒适感。此外，还需 考虑的是合理的通风方式应该具有较好的通风效率，如果新风的大部分没有和站台内的 空气进行良好的混合，直接排出站台，就会导致车站中某些局部区域空气品质的恶化。 因此，利用理论摸拟计算的工具对设计方案进行理论分析预测是十分必要的。 目前，针对这些特殊建筑的防火安全设计，普遍采用性能化设计方法。性能化消防 设计是国际消防界的一个热点，它是根据建筑的具体情况，提出防火安全目标，然后根 据模拟计算结果确定具体要采取的防火措施和建筑要达到的性能目标，最后对设计进行 安全评估，判断其是否达到了安全要求。 本文选取的研究对象北京地铁己经有几十年的历史，在老地铁中具有代表性，建设 时期通风问题并未能引起足够的重视，现在遗留的问题较多。因此，以北京地铁典型站 为模型的地铁通风系统研究和模拟，可以认识和掌握地铁火灾及其通风系统变化特点和 烟气流动规律，对地铁火灾通风辅助决策具有重要意义。 西安科技大学硕士学位论文 1 2 国内外研究状况 1 2 1 国外研究情况 国外对地铁通风及火灾研究较早。世界各国研究地铁火灾和通风的主要方法有实测 试验、模型试验和数值模拟研究。 模型试验是根据相似理论所推导的尺度法s f ( s c a l i n gl a w ) 吲将实际的建筑物缩小成 一定比例的模型，在模型中重现实际建筑物发生火灾的物理现象。根据n f p a 9 2 a m f p a ，1 9 9 5 例规定，缩小实验模型的缩小比例必须大于1 8 才能精确的重现实际尺 寸建筑物的火场现象。因此，对具有大空间或中庭建筑物的烟控系统设计采用缩小尺寸 模型实验在模型的制作上会耗费大量经费。 数值模拟研究方法包括：有限差分法、有限元法、有限容积法和特征线法。由于数 值模拟法是以实验和简化理论为基础，其限制与假设条件比较多。但由于此方法简单易 操作，不必用复杂的模型试验，因此是消防设计人员设计烟控系统的主要工具。 火灾烟气流动计算机模拟方法划分为场模拟、区域模拟和网络模拟。 场模拟是利用计算机求解火灾过程中状态参数( 如速度、温度、各组分浓度等) 的空 间分布及其随时间变化的模拟方式。场模拟的理论基础是质量守恒( 连续性方程) 、动量 守恒f n a v e s s t o k e 方程) 、能量守恒以及化学反应的定律等。国外主要有p h o e n i c s ， f l o w 3 d 以及j a s m i n e 等场模拟软件。2 0 世纪8 0 年代中期兴起的计算流体力学模拟 软件c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 是一种用于分析流体流动性质的计算技术，包 括对各种类型的流体在各种速度范围内的复杂流动在计算机上进行数值模拟计算。计算 流体力学的基本特征是数值模拟和计算机实验，它从基本物理定理出发，在很大程度上 替代了耗资巨大的流体动力学实验设备，在科学研究和工程技术中产生巨大的影响。 f d s ( f i r ed y n a m i c ss i m u l a t o r ) 是c f d 模式的一种，是一种实用流体工程分析工具，它 主要用于模拟火灾状态下流体的流动、传热、多相流、化学反应、燃烧问题。 区域模拟是以受限空间中的火灾为研究对象的一种半物理模拟。2 0 世纪7 0 年代初， 美国哈佛大学的e n u n o n s 【4 教授将质量守恒、动量守恒、能量守恒和化学反应原理巧妙 地运用在建筑火灾的研究上，发展了建筑火灾烟气区域模拟的思想，从而奠定了烟气区 域模拟的理论基础。1 9 7 5 年，美国交通部开发出地铁环境控制计算机模拟软s e s 4 ，为 以后许多地铁环境控制设计和方案比选提供了比较好的计算工具。在后来不断的实践和 应用中，人们对s e s 进行了大量的补充和发展。1 9 7 6 年，s e s 修改后被应用在公路隧 道通风分析。1 9 8 5 年，增加了火灾动态模拟，比较有代表性的模拟理论如 c c f m v e n t s ( c o n s 0 1 i d a t i o nc o m p a r t m e n tf i r em o d e l ) 和c f a s t ( c o n s o l i d a t e dm o d e lo f f i r eg r o w t ha n ds m o k et r a n s p o r t ) 模拟理论。 1 绪论 c f a s t 模型是由美国n i s t 开发的区域式计算多室火灾与烟气蔓延的程序。该程序 主要是由早期的f a s t 模型发展而来的，它还融合了n i s t 开发的另一个火灾模型c c f m 中先进的数值计算方法，从而使程序运行更加快速、稳定。前些年，在美国n f p a 的支 持下，n i s t 将c f a s t 模型和火灾探测模型d e t e c t 、人员承受极限模型t e n e b 及人 员疏散模型( e x i t t ) 组合起来，形成功能齐全的h a z a r d 模型。这一模型曾一度受到人 们的普遍关注。c f a s t 是h a z a r d 模型的核心程序，其它几个子程序都以c f a s t 的 计算结果为基础进行一些专门的计算。此后，c f a s t 仍在继续发展和完善，并形成一批 新版本。因此，人们经常单独使用该程序进行火灾过程的模拟计算。 网络模拟把一个受限空间作为一个控制体，假设每个单元体内部的状态参数( p n 气 体温度、组分浓度等1 是均匀的，火灾过程的发展表现为构成整个模拟空间的各单元内 部参数的变化。网络模拟中每一个受限空间只需用一个均匀参数来表示，因而它适用于 远离火场且混合己基本均匀的区域。目前，国外对网络模型的研究越来越多，如日本的 b r i 、加拿大的i r c 、英国的b r e 、美国的n b s 、荷兰的t n o 。这些模型都假设烟气流 动与空气流动形式一样，烟气与空气立刻混合并均匀分布。迄今为止，网络模型【5 j 已由 稳态模拟模型如b r i l 、b r e 、i r c 、n b s 等，发展到以b r l 2 、o f p ( 英国) 、t o o t h ( 波 兰) m f i r e 为代表的非稳态模型。 1 2 2 国内研究情况 我国对地铁环境的研究起步比较晚，一些科研单位和科研人员在这方面作了一些工 作，分别研制了地铁热环境模拟软件。李先庭和彦启森最早对城市地铁火灾进行二维场 模拟，把计算结果与澳大利亚的z w e n b e r g 隧道火灾实验数据进行比较，指出对于一般 的地铁火灾，2 m s 的纵向通风速率完全可以阻止烟气向上扩散1 6 j 。西南交通大学的冯炼 分析了地铁火灾烟气流动的物理模型和数学模型，在计算中对地铁系统进行了简化【7 j 。 清华大学开发的热环境模拟软件包s t e s s ，已先后用于北京2 号线、3 号线、5 号线， 上海、广州、重庆、南京、大连、青岛、深圳等地铁线路的方案论证和优选。西南交通 大学的t e s t 程序1 可以模拟地铁各种正常运行环境下的空气速度、温度、湿度、隧道 壁影响及列车的各种运行参数及空调负荷，可预测中长期地铁内各参量的变化，并在此 基础上对夏季夜间蓄冷和冬季蓄热方法对地铁系统的影响进行分析；f s c 软件可模拟地 铁系统发生火灾时的污染物浓度以及热烟气流动分析。但此项研究比较泛泛，而且火灾 模拟结果不可视。中国科技大学火灾科学国家重点实验室开发了区域模拟软件f a c 3 1 9 j 。 区域模拟可以对火灾燃烧系统进行较大简化的同时，尽可能保留火灾燃烧系统的复杂性 机制，从而有可能以较小的计算代价来揭示火灾系统的复杂性特征。但是这种方法却无 法得到流场的某些细节，同时对诸如气体卷吸、烟流回流( 滚退) 等现象予以考虑却相当 困难。北京工业大学参加了北京地铁科研所主持的北京市重点科研项目“北京地铁洞内 西安科技大学硕士学位论文 气流组织及传热效应的研究”，与冶金部建筑研究总院完成了地铁洞内气流组织的模拟 试验；地铁洞体传热效应分析和建立合理通风数学模型的科研工作：地铁科研所对地铁 通风现状、列车活塞风风量、分布规律和温度、热流状况进行了系统观测，并建立了地 铁通风换热数学模型，深入研究了地铁洞内热平衡状态及壁体调温能力。中国上海荷 兰鹿特丹友好城市技术协议的课题成果之一的c h m e s 地铁环境模拟计算程序可以对地 铁系统的火灾工况进行仿真模拟。上海市隧道工程轨道交通设计研究院郑晋丽曾以深圳 地铁一号线和四号线为例就c h i m e s 计算机程序模拟计算结果和环控系统初步设计中部 分设计参数运用作初步分析【l0 1 。该软件也曾用于上海、南京和深圳地铁的环控模拟，具 有一定的工程实用价值。 1 _ 3 本文研究方法及主要研究内容 计算流体力学作为能提供三维视图的手段，已经被许多学者用于研究环境控制系 统。但是由于设计条件和气候条件不同，用f d s 研究火灾状态下地铁通风的研究并不 多。 本文对北京地铁站建立空气动力学模型，通过经验公式和地铁实测所得数据等确定 模拟研究的边界条件，采用美国n i s t 开发的f d s ( f i r ed y n a m i c ss i m u l a t o r ) 程序对地铁 站在火灾中的不同通风状况进行数值分析和模拟计算，分析当站台层地铁列车着火情况 下，烟气在地铁站内蔓延的规律及温度场、浓度场分布特点，研究各种机械防排烟方式 对烟气扩散的影响及机械防排烟的理论效果。 ( 1 ) 论述地铁站内防排烟规范，分析现有的机械排烟方法及其优缺点。 ( 2 ) 采用计算流体力学的方法对地铁站内列车着火情况下多个不同的着火点分别进 行模拟，得到烟气的扩散形式及热量的传递规律，着重研究火灾状况下的温度、烟气浓 度及火场可视度的变化。 ( 3 ) 通过用计算流体力学模拟的方式对地铁站火灾烟气控制进行研究，掌握在机械排 烟情况下烟气的扩散形式，并对多种烟气控制方法进行分析比较，得出火灾状况下的最 优通风方式，以期对火灾下地铁通风系统的性能化设计提供科学的建议。 2 地铁火灾特点及火灾通风意义 2 地铁火灾特点及火灾通风意义 2 1 地铁特点及其火灾危害性 2 1 1 地铁特点 地铁消防安全非常重要，因为火灾是地铁的第一天敌。这是由地下建筑的特点及地 铁火灾的特点所决定的。城市地铁建筑工程与地面建筑不同，其主要特点为： ( 1 ) 地铁建筑由地铁的干线、候车大厅、站台、控制室等部分组成，只有地下空间， 其空间连续性强，防火困难；地铁是人流高度集中的场所，运营线路长，机电设各复杂、 繁多，而且位置分散，地铁内空间过大，有的火灾报警和自动喷淋等消防设旋配置不完 善，起火后地下电源可能会被自动切断，通风空调系统失效，失去了通风排烟作用。 ( 2 ) 地铁工程的出入口少，客流量大，人员疏散不易，一旦发生火灾，出入口还必须 具有排烟、散热、人员疏散和消防队员扑救的入口的功能，大量烟雾只能从一两个洞口 向外涌，与地面空气对流速度慢，地下洞口的“吸风”效应使向外扩散的烟雾部分又被洞 口卷吸回来，容易令人窒息，如果不能及时有效地通风排烟并控制火情，将酿成巨大的 灾难。图2 1 为韩国大邱市地铁火灾烟气蔓延与扩散的情景。 图2 1 大邱市地铁火灾 ( 3 ) 地铁空间湿度大，容易造成因电气设备受潮，影响设备正常运转，从而导致火灾。 如普通电缆不能防水，只要有一节电缆进水就无法送电；绝缘材料受潮时也会发生老化， 其绝缘电阻便降低，从而造成电器设备漏电或短路事故的发生。 西安科技大学硕士学位论文 2 1 2 地铁火灾危害性 地铁火灾发生后可造成以下主要危害： ( 1 1 人员恐慌 人的心理恐慌程度大，行动混乱程度高。地铁区间隧道出入口少、通道狭窄、疏散 距离长、人员多，故造成的人员恐慌和行动混乱程度要比在地面建筑物中严重得多，容 易发生挤踩事故。 ( 2 1 疏散困难 地铁火灾的一个最重要特征是形成浓烟和热气浪，同时产生大量的有毒气体，这对 于人员疏散十分不利。据日本自治省消防厅研究所资料【7 】表明：当烟气浓度按减光系数 达到0 1 m 时，人的行进速度急剧下降，这时，人的思考力和判断力也随之下降；当减 光系数达到0 6 m 时，人的步行速度等于零，已无法自行脱险。在相同浓度的烟气层内， 人员处在长通道的地下空间比在一般地上空间更容易造成恐慌。 此外，由于地铁工程散热排烟口少，燃烧产生的热除了加热可燃物外，大量的热便 加热了地铁内的烟气，使气体体积膨胀，造成烟气流动速度加快，而形成高温热气浪， 给人员疏散带来困难。 烟气流动方向与人员疏散方向相同，由于地铁火灾时烟气的前锋流速约为1 7 5 2 4 0 m s ，而人员的疏散速度在照明系统正常的情况下，只有烟气速度的一半。同时，地 铁火灾后，新鲜空气补充较慢，使气体“中性带”降低，结果底层烟量增大、有毒气体增 多，致使疏散迟误者中毒身亡。 ( 3 ) 救援难度大 地铁火灾由于发生在地下一个相对封闭的系统内，救援工作十分困难。首先是火情 侦察困难，难以接近火点。由于浓烟或停电造成一片漆黑，使得火场指挥员无法迅速确 定起火点；第二是扑救进攻和撤离的路线少；第三是因烟热作用，往往会延长扑救时间 和增加喷水损失；第四是难以采取破拆等手段阻止火势扩大；第五是可使用的灭火剂比 地面建筑少，一般来说卤代烷1 2 1 l 、1 3 0 1 和c 0 2 灭火效果是非常理想的，但是地下空 间发生火灾时，上述灭火剂不宜使用。 2 2 地铁火灾烟气流动基本特性 2 2 1 烟气的产生 烟气的产生是衡量火灾环境的基本因素之一。产生烟气的燃烧状况，即明火燃烧、 热解和阴燃，影响着烟气的生成量、成分和特性。明火燃烧时，可产生大量元素形态的 炭，即炭黑，以微小固相颗粒的形式分布在火焰和烟气之中。由于热量作用于可燃物表 2 地铁火灾特点及火灾通风意义 面，使之温度升高并发生热解。热解过程的典型温度一般在6 0 0 k - 9 0 0 k 之间，大大低 于气相火焰温度1 2 0 0 k - 1 7 0 0 k 。析出的可燃蒸汽中大致包括燃料单体、部分氧化产物、 聚合链等。在其析出过程中，部分组分由于低蒸汽压而凝结成为微小的液相颗粒，形成 白色烟雾。与需要外部加热的热解过程不同，阴燃是自我维持的无明火燃烧，其典型的 温度范围为6 0 0 k 1 1 0 0 k 。只有很少的材料能发生阴燃，包括纤维物质和软质聚氨酯泡 沫。 2 2 2 地铁烟气层流动特性 当地铁发生火灾时，在火灾区域形成高温烟气火场。若氧气供给不足，物质燃烧不 充分，必将产生大量的固体微粒，而热空气的比重较周围冷空气低，所以形成一明显的 上升气流，尤其在地铁的垂直通道内，随着气流移动，使高温高热烟流快速在隧道内扩 散和蔓延。 使地铁火灾中产生的烟和高温气体流动有两个主要因素： ( 1 ) 烟气层本身流动性：因为高温气体比周围空气的密度低。 ( 2 ) 地铁内空气流动：因空气的流动，会将烟送至地铁内各处。 这两个因素作用的相对大小，取决于地铁中不同的情况。通常，靠近火场的地方， 烟气层本身的流动性将处于支配地位，相反，距离火场较远的地方，地铁内空气流动就 变得相当重要。由以上两个主要因素，可知地铁内部造成烟层流动的驱动力主要分为以 下几种： ( 1 ) 烟囱效应：因地铁内部空气与室外空气温度不同产生压力差所造成。在地铁内部 垂直通路的空气产生上升称为烟囱效应或下降的流动称为反烟囱效应，这些因素取决于 地铁内部空气与室外空气的温度差异高低。 ( 2 ) 烟气的热浮力效应：因火焰上方的高温气体与周围冷空气之间的密度不同，烟的 密度较低，相对的产生烟气的浮力。 ( 3 ) 气体热膨胀效应：由于燃烧所产生的高温使气体膨胀。 ( 4 ) 风的影响效应：在地铁不同方位的开口，因风向的关系，便有不同的压力，使地 铁内部的空气产生流动。 ( 5 ) 机械通风系统：由于现有地铁大都采用空调通风系统，尤其是中央空调系统通达 各层，一旦某一区域发生火灾，所产生的烟雾便利用回风与送风管道将烟气送到很远的 地方。此外，空调系统也正被设计成烟控的管道，利用防火、防烟挡板控制烟的流动， 或利用空调管进行排烟，使空调系统发挥更大的功用。 2 2 3 回流现象 地铁系统内发生火灾的特性与地上建筑或者一般的地下建筑有所不同，其中的浮 西安科技大学硕士学位论文 力效应是个关键问题。火灾发生时在地铁站台或隧道的顶部附近会形成一层远离火灾源 的热烟气流，同时支持燃烧的空气从热烟层下面向火灾源流动，如图2 1 所示。 图2 1 典型的未通风的烟气流动状况 地铁机械通风系统通过向火灾源送风以改变火灾源附近热气流的平衡。当送风风量 不足时附着在顶部区域的热气流将会向相反于压力通风的方向流动。这种现象的产生就 是通常所说的回流现象，如图2 2 所示。但如果送风量充足，热气流会流向送风流的下 流区如图2 3 。 回流现象的发生涉及到诸多因素，例如火灾源的大小、地铁结构上的差异、通风气 流速度的大小等。 图2 2 回流现象 图2 3 控制烟气流动方向的状况 2 地铁火灾特点及火灾通风意义 2 2 4i 临界风速 临界风速是以地铁隧道内是否产生回流现象的最小排烟风速而设定的风速值。在 地下铁道设计规范g b 5 0 1 5 7 - - 9 2 1 1 睇1 2 4 6 条规定排烟流速最小不能低于2 0m s ， 最大不能超过1 1m s 。这一规定的最小值就是基于临界风速而定的。 学k i g h q j ( 2 1 ) 弓2 去幔 ( 2 2 ) 式中：v c 一临界风速( m s ) ； c p 一空气定压比热( j k g k ) ； g _ 重力加速度( n 1 s 2 ) ； h 一隧道截面净高( 1 ) ； q 一火源热量释放率( w ) ； p 。一周围空气密度( k m 3 ) ； a 一隧道通风断面积( m 2 ) ； t f 一热烟温度( k ) ； t 。一环境温度( k ) ； k 一系数，取0 6 1 ； k 菩一坡度修正系数( 无量纲) ，k = 1 + 0 0 3 7 8 ( g r a d e ) o 8 ，g r a d e 为坡度 2 2 5 烟气流动阻力 烟流阻力包括热烟流的节流效应、摩擦阻力和浮力效应。 ( 1 ) 烟流节流效应阻力：火灾过程中，由于火焰的存在减小了火区隧道的有效过流断 面积，且风流在火区受热膨胀，使风流流过火区的阻力较前一段隧道的风流阻力明显增 加，火区形成了一个局部阻力，这个局部阻力就像一个节流阀作用于流过火区的烟流。 这种由于燃烧火焰阻碍烟流在隧道中流动，以及由于风流体积流量变化而产生的阻碍风 流流动的现象，称为烟流节流效应阻力。 ( 2 ) 烟流摩擦阻力：隧道火灾前后，隧道内风流摩擦阻力有较大不同，因为隧道内风 流摩擦阻力与体积流量的平方以及烟流密度成正比。而火灾时，隧道内的烟流密度、烟 流速度是距离的函数。当隧道断面结构和面积不变时，温度越高，速度越大，烟流摩擦 阻力越大。 西安科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 烟流浮力效应：在倾斜的隧道中，由于流动过程中烟流温度的不断下降，烟流密 度不断增加，烟流位压也较火灾前风流位压发生很大的变化，因而产生浮力效应，形成 对烟流的作用力。这种发生在倾斜隧道，由于火灾前的风流与火灾时期的烟流密度不同 而引起的对火灾烟流的附加作用，称为火灾烟流的浮力效应。 2 3 地铁火灾通风的目的及重要性 在多数情况下，空气的供给往往超过实际所需的数量，于是燃烧时产生的废气和过 量的空气混合便成为浓烟。l k g 木材燃烧1 1 2 1 时( 当6 0 充分燃烧) ，加热温度为6 0 0 。c ， 燃烧释放出气体1 8 m 3 ；观测烟在水平方向流动速度为0 5 一1 0 m s ，在垂直方向流动速度 为2 - 3 m s ，而在火灾发生后人员向外疏散的速度大大低于烟气流动速度。因此，在地铁 火灾中，烟气是最主要的致死原因之一。据统计，国内建筑火灾中7 5 8 5 死亡人员 是由于烟气的影响，其中大部分是吸入了有毒气体及烟尘昏迷后而致死的。 n f p a ( 美国消防协会) 根据美国死亡证明( 编号e 8 9 0 一e 8 9 9 ) 数据作了分析，对 1 9 7 9 1 9 9 2 火灾死亡人员进行了分类统训”1 ( 见表2 1 ) 。从表中可以看出，烟气致死人 数占总死亡人数的7 0 。十四年间，烟气致死人数呈递增形势，每年约增加l 。从表 中还可看出，由于各方面加强了防火措施，总死亡人数下降了3 0 ：火烧致死人数下降 了5 0 ：其它意外伤亡下降了7 4 ；而烟气致死人数仅仅下降1 5 ，说明对烟气的防 护措施仍是一个待解决的薄弱环节。 表2 11 9 7 9 - - - 1 9 9 2 年美国火灾死亡人数分类i l “ 年份总数烟气致死火烧致死其它 1 9 7 9 5 9 9 8 3 5 15 ( 5 8 6 ) 2 2 6 2 ( 3 7 7 ) 2 2 1 ( 3 ，7 ) 1 9 8 05 8 2 2 3 5 1 5 ( 6 0 4 )2 0 7 9 ( 3 5 7 ) 2 2 8o 9 ) 1 9 8 l5 6 9 7 3 5 0 1 ( 6 1 4 )2 0 4 8 ( 3 5 9 )1 4 8 ( 2 6 ) 1 9 8 25 2 1 0 3 3 9 6 ( 6 5 2 )1 6 8 3 ( 3 2 3 )1 3 0 ( 2 5 ) 1 9 8 35 0 3 9 3 2 4 5 ( 6 4 4 )1 6 5 4 ( 3 2 8 )1 4 0 ( 2 8 ) 1 9 8 45 0 2 2 3 2 7 7 ( 6 5 2 )1 6 2 5 ( 3 2 4 )1 2 1 ( 2 4 ) 1 9 8 54 9 5 2 3 3 1 1 ( 6 6 9 )1 4 9 8 ( 3 0 3 )1 4 3 ( 29 ) 1 9 8 64 3 8 5 3 3 2 8 ( 6 8 8 )1 4 1 5 ( 2 9 3 0 , 4 )9 2 ( 1 9 ) 1 9 8 74 7 1 0 3 3 0 7 ( 7 0 2 ) 1 3 0 i ( 2 7 6 ) 1 0 2 ( 2 2 ) 1 9 8 84 9 6 5 3 4 8 0 ( 7 0 1 )1 3 7 8 ( 2 7 8 ) 1 0 6 ( 2 1 ) 1 9 8 94 7 2 3 3 3 0 8 ( 7 0 o )1 3 1 1 ( 2 7 8 )1 0 3 ( 2 2 ) 1 9 9 0 4 1 8 l 2 9 8 6 ( 7 14 ) 11 3 8 ( 2 7 2 ) 5 7 ( 1 4 ) 1 9 9 14 1 2 6 2 9 7 7 ( 7 2 2 )1 0 7 8 ( 2 6 1 )7 0 ( 1 7 ) 1 9 9 2 3 9 6 6 2 8 6 6 ( 7 2 3 )9 9 5 ( 2 5 1 )1 0 5 ( 2 6 ) 般说来，火灾烟气的危害主要有缺氧、毒害性、减光性和恐怖性等。火灾烟气的 2 地铁火灾特点及火灾通风意义 毒害性、减光性是生理上的危害，而恐怖性是心理上的危害。 ( 1 ) 火灾烟气的毒害性 烟气中含有大量没有完全燃烧的组分，而且含有很多有毒、有害组分，如c o 、h c n 、 s 0 2 是其中的主要毒性组分。 近年来，随着石油化学工业的发展，高分子材料品种日渐增多，应用也越来越广泛， 有的作为建筑材料，有的作为室内装饰材料，普遍使用于高层、地下建筑等处。这些材 料质轻、美观、施工方便。但从消防角度看，大部分是易燃可燃材料，它们在高温条件 下释放的有毒、有害组分要比天然材料高得多，因而对人员安全的威胁更为严重。表2 2 列出了若干常见气体的毒性增大序列【i 。 火灾中的热分解产物及其浓度因燃烧材料不同而有所区别。由于可燃物各组分的热 解产物种类和生成量比较复杂，其中的有毒、有害组分对人体的影响也有较大差异，在 消防安全分析预测中很难准确地定量描述。因此，工程应用中通常采用一种有效的简化 处理方法：如果烟气的减光度不大于o 1 m ，则视为各种毒性燃烧产物的浓度在3 0 m i n 内将不会达到人体的耐受极限。 表2 2 若干有毒气体的毒性增大序列i “i c 0 2二氧化碳 1 5 c 2 h 4 0 乙醛 n h 3氨 2 h c i 氯化氢 c o 一氧化碳 h b r 溴化氢 n o 一氧化氮 h 2 s硫化氢 c j h 4 n氰丙烯 n 0 2二氧化氮 s 0 2二氧化硫 1 5r l c ( m , 2 4 0 ) = 0 1 5 , l c 0 ( r , 2 4 0 ) = 0 4 , l c ( r ,