西安地铁2号线典型车站热烟测试评价研究

刘 庚

(西安市地下铁道有限责任公司,西安 710016)

1 概述

为缓解城市交通压力,西安市开始兴建地铁,目前西安市规划有6条线路,其中西安市地铁2号线(北客站—会展中心站)工程运营范围为北客站—会展中心段,共17 座车站,正线全长20.623 km,最大站间距1 610.7 m。

纵观世界地铁100多年的发展和事故教训,损失最大的是火灾事故,而烟气则是导致人员伤亡的主要因素[1-2]。根据西安地区的地质特点,西安地铁车站和隧道埋深均在17 m左右,在钟楼和古城墙等需要保护的文物的地区深度可达22 m。如此大的深度,加之地铁车站是一个相对封闭的空间,一旦发生火灾事故,热量积聚,会使温度很快上升,同时产生有毒烟气,而乘客由地下向地面逃生,疏散距离长,通道狭窄,很容易造成逃生者恐慌,发生踩踏事故[3-4]。

为了控制烟气的蔓延,减少烟气的危害,有必要对其进行全尺寸的热烟测试[5-7],检测地铁FAS系统的运行状况,检验地铁通风排烟等系统的工作效果,并基于现场测试,对车站通风排烟模式、气流组织方式及疏散方案提出合理的措施和建议。

本次进行热烟测试的车站为西安地铁2号线北苑站,该车站总长178.2 m,总建筑面积9 570.6 m2,其中主体建筑面积为7 051.5 m2,附属建筑面积为2 519.1 m2,车站为地下二层岛式车站；该工程于2008年2月开工建设,2008年12月主体工程竣工,2009年7月附属工程竣工。目前该站已通过验收投入运营使用。

2 测试方法和系统

2.1 测试方法

热烟测试是利用受控的火源与烟源, 在实际建筑中模拟真实的火灾场景而进行的烟气测试。该试验是以火灾科学为理论基础, 通过加热试验中产生的无毒人造烟气, 呈现热烟由于浮力作用在车站隧道内的蔓延情况。在试验过程中,根据能代表较多车站和隧道的结构形式和特点；能反映FAS系统的运行状况；尽量避免对周围居民和环境的干扰等3个原则选取测试的车站为：北苑站(图1)。车站站台层为地下二层,设置机械排烟,通过站台公共区排烟系统排放,同时开启两侧屏蔽门、利用隧道风机辅助排烟；地下一层为站厅层,设置机械排烟系统。站台、站厅火灾场景各开展1～2组测试,火灾功率0.34 MW,选用95% 的工业甲醇作为燃料, 发烟材料为烟饼。

图1 北苑站站厅、站台平面

2.2 测试系统

热烟测试适用于已建成的建筑或即将竣工的新建筑。对于后者,在建筑的结构或其相关部分已实质性完工,而且包括烟气控制系统在内的通风系统已安装并检验完毕后,测试方能进行。

本测试参照国际上通用的热烟测试标准AS4391—1999《SMOKE MANAGEMENT SYSTEMS、HOT SMOKE TEST》[1]。测试系统包括燃料盘、发烟装置及其他相关保护措施和测量装置等,如图2所示。

图2 火源系统及保护罩

2.3 测试指标

(1)FAS、BAS、屏蔽门、扶梯、闸机、风阀、事故照明、事故广播PIS等系统的联动状况；

(2)站台、站厅内的温度场变化(168个测点),其中站台112个测点,站厅56个测点；

(3)站台、站厅、设备房区域的烟气扩散情况；站台、站厅危险高度处温度变化；

(4)安全疏散时间；

(5)特征流速；

(6)特征时间等。

3 测试结果及分析

3.1 温度

站台测试时候的顶棚温度和人眼高度处的温度曲线如图3～图5所示。可以看出,顶棚温度在站台层的所有测试位置(具体位置见图1)均有温升,说明烟气已经扩散至全部站台。通过1.5 m 高处温度曲线可以看出,温度探测器只在近火源位置有温升,其他位置没有明显温度升高,说明烟气没有沉降到人眼高度。这里需要解释的是,图4中其他位置及图3的温度变化是由于站台通过站厅抽入外界的热空气,烟气未进入站厅。

图3 站台火灾测试时站台顶棚温度

图4 站台火灾测试时人眼高度处温度

图5 站台火灾测试时站厅顶棚温度

站厅测试时候的顶棚温度和人眼高度处的温度曲线如图6和图7所示。可以看出,顶棚温度均有温升,说明烟气已经扩散至全部站厅。通过1.5 m高处温度曲线可以看出,温度探测器在较大范围内有温升,说明烟气已经沉降到人眼高度。

图6 站厅火灾测试时顶棚温度

图7 站厅火灾测试时人眼高度处温度

3.2 速度

在通风排烟系统启动完成后,楼扶梯开口流速达到6.2 m/s,最大可达7～8 m/s。但无烟气向站厅蔓延,楼扶梯开口烟气控制达到要求。

3.3 系统联动效果

表1为系统联动时,进行3次实验不同动作的完成时间,从中可以看出,整个联动过程需要时间最长不超过37 s,可以为火灾发生时争取宝贵的时间。

除此之外,在联动测试过程中,还发现以下问题：

(1)PIS系统未显示紧急状态、紧急广播无法联动(需手动开启)、扶梯无法联动；

(2)设备区串烟较为严重；

(3)站厅火灾时,站台层有烟气进入；

(4)站台火灾模式下,站台中部排烟效果不理想。

表1 北苑站火灾时间记录

4 结论

4.1 火灾热烟测试评价结论

本文对西安市地铁2号线工程典型车站—北苑站进行了全尺寸的火灾热烟测试,对FAS系统的运行状况进行了测试,检验地铁通风排烟等系统的工作效果。测试表明：

(1)站台层FAS系统、通风排烟系统等工作状态良好,站台机械排烟效果明显,6 min时,站台烟气未降到人眼高度；

(2)防灾系统联动状态良好,火灾探测器、FAS系统、BAS系统、闸机均实现事故联动；屏蔽门人工开启,PIS、自动扶梯、广播等尚未实现联动；

(3)站台发生火灾情况下,楼扶梯开口向下流速为6.2 m/s,扶梯开口流速满足要求；

(4)站台发生火灾时,无烟气向站厅蔓延,楼扶梯开口烟气控制达到要求；

(5)火灾发生6 min时,站台烟气未降到人眼高度,可用安全疏散时间满足要求；

(6)站台、站厅火灾时,事故模式启动控制在30 s启动,启动时间满足要求；

(7)防火分区之间的防火封堵完善,满足要求。

4.2 存在问题及对策

通过测试,存在以下问题：

(1)站厅发生火灾时,站厅内的烟气在较大范围内很快沉降到人眼高度,可能原因是风机启动完成时间较慢,应对风机启动完成时间进行优化；

(2)站台发生火灾实验时,由于风阀不能完全关闭问题,烟气扩散至设备间；运营前,对所有车站的风阀进行逐一检查,确保防灾系统无隐患；

(3)站台发生火灾时,执行的模式是开启两侧屏蔽门,利用隧道TEF和TVF辅助排烟。实验表明开启两侧屏蔽门排烟对于扶梯中间的烟气聚集区来说并无明显效果。应在后期线路设计中对屏蔽门的开启模式、开启位置进行优化和详细论证,建议用CFD火灾模拟对屏蔽门开启模式问题进行研究；

(4)测试表明,楼扶梯开口流速可以达到6.2 m/s,风速较大,可能会对人员疏散不利,应对楼扶梯开口流速进行优化；

(5)站厅发生火灾时,站台层两端位置出现烟气,可能会导致多处报警无法正确启动火灾模式,应对该车站的串烟情况进行彻底排查,查明原因,及时整改。

4.3 类似工程的优化建议

在本次烟气测试过程中,发现目前地铁建造过程的一些问题,有些属于施工没有严格按照规范要求所致,有些则属于地铁建造过程中存在的普遍问题,提出以下建议,以期对类似工程有所帮助：

(1)风机的选用对于地铁站台排烟是设计过程中需要非常重视的过程,在选用风机的过程中,不仅需要关注风量和风压2个参数,还需要对风机的启动时间有所要求,要能保证事故发生时,风机能尽可能快地起到应有作用。

(2)站台火灾时,开启两侧屏蔽门排烟对于扶梯中间的烟气聚集区效果不明显。此问题应该配合排风口的设计,利用计算流体力学(CFD)火灾模拟对进行优化设计[8,9]；

(3)火灾发生时,风机启动时,烟气的流向及空气流速、温度、疏散路线等应该利用计算流体力学方法进行预评估,然后再根据结果进行设计方案的修正[10,11]。

5 结语

热烟测试做为地铁运营前安全测试的重要内容,可测试出站厅和站台内的温度场分布、烟气流向、逃离路线是否合理等。本次测试结果表明,地铁通风排烟等系统的工作效果总体满足设计要求和相关标准,但仍然存在一些可以改进的地方,主要是设备的可靠性存在一些问题,如风机的启动时间,风阀的关闭度,以及火灾警报模式的启动等。另外,对于排风口的设计也可利用计算流体力学进行优化模拟。

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

[2] 钟委,霍然,周吉伟,彭伟.某地铁站侧式站台火灾时机械排烟的补风研究[J].中国工程科学，2007,9(1):78-81．

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[7] 熊小平.浅谈地下建筑火灾特点以及对消防设施的要求[J].时代消防,1996(1)：42-43．

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