地下交通聯(lián)系通道火災(zāi)排煙控制方案探討

城市地下交通連接渠道（utlt）是連接地下開發(fā)區(qū)和地下市政道路的公共道路。這是一種新的地下交通形式。目前國(guó)內(nèi)已建和在建的UTLT項(xiàng)目有北京金融街UTLT、北京奧林匹克公園UTLT、天津開發(fā)區(qū)CBD(中央商務(wù)區(qū))UTLT、上海CBD核心區(qū)UTLT。UTLT具有與多處地下車庫(kù)相連接、基本呈環(huán)形、地面出入口較多、出入口坡度大、斷面高度小、車流量大、車速較慢等特點(diǎn)。正常運(yùn)營(yíng)時(shí),車庫(kù)車行出口的門開通,車庫(kù)與通道形成一個(gè)統(tǒng)一的整體;火災(zāi)工況下,車庫(kù)車行出口的門自動(dòng)關(guān)閉,不作為人員疏散的通道。因此,火災(zāi)情況下,煙氣只能在環(huán)狀通道內(nèi)流動(dòng)并經(jīng)由通道與外界的出入口或風(fēng)井排出,司乘人員只能利用通道與車庫(kù)之間的疏散門及通道出入口進(jìn)行疏散。本研究運(yùn)用性能化設(shè)計(jì)的思想,針對(duì)蘇州火車站地下交通聯(lián)系通道工程實(shí)際,建議增設(shè)防火卷簾對(duì)通道進(jìn)行物理隔斷,以地面出入口和風(fēng)井劃分排煙控制區(qū)段,提出不同火災(zāi)位置時(shí)的排煙控制方案,采用數(shù)值模擬方法研究公路隧道火災(zāi)時(shí)的煙氣流動(dòng)特性及通風(fēng)防排煙系統(tǒng)運(yùn)行模式,對(duì)各火災(zāi)場(chǎng)景的煙氣控制方案的排煙效果進(jìn)行分析。1主副煙道獨(dú)立排放由于本通道存在線路較長(zhǎng)、交叉路口多、出入口較多且坡度較大等不利排煙因素,煙氣難以從通道出口和風(fēng)井排煙口排出地面,建議在通道內(nèi)交叉路口增設(shè)防火卷簾門(耐火極限不小于2h)(圖1)。火災(zāi)情況下通過防火卷簾對(duì)通道進(jìn)行物理隔斷,利用出入口與風(fēng)井一起將通道分隔為多個(gè)排煙控制區(qū)段。遵循“可信最不利”的原則,將每個(gè)區(qū)段內(nèi)的火災(zāi)對(duì)應(yīng)于同一火災(zāi)場(chǎng)景,每個(gè)火災(zāi)場(chǎng)景都采用同樣的排煙控制策略。為了保障人員及車輛的安全疏散,火災(zāi)排煙以順車流方向組織,并盡量縮短煙氣在通道內(nèi)的行程,以減小火災(zāi)的影響范圍,故煙氣排出地面的最佳位置是地面通道出口和風(fēng)井排煙口?；馂?zāi)場(chǎng)景設(shè)計(jì)及煙氣控制方案見表1和圖2~圖7。2計(jì)算模型2.1第l種組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)利用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件FDS4.0進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,基本方程如下。質(zhì)量守恒方程氣體成分守恒方程動(dòng)量守恒方程能量守恒方程理想氣體方程式中,ρ為密度(m3/s);u為速度矢量(m/s);Yl為第l種組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù);Dl為第l種組分的質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)(m2/s);m觶l為單位體積內(nèi)第l種組分質(zhì)量生成速率(kg·m-3·s-1);hl為第l種組分的焓值(kJ);f為除重力外的外力矢量(N);τ為黏滯應(yīng)力張量(N/m);P為壓力(Pa);p0為背景壓力(Pa);T為溫度(K);t為時(shí)間(s);R為通用氣體常數(shù)(J·mol-1·K-1);Mi為混合物中第i種成分的物質(zhì)的量(kg/mol);M為混合氣體的平均物質(zhì)的量(kg/mol);qr為輻射熱流向量(W/m2);k為熱傳導(dǎo)系數(shù)(W·m-2·K-1);g為重力加速度(m/s2)。2.2燃燒模擬場(chǎng)景蘇州火車站地下交通聯(lián)系通道截面平均約為7.5m×3.6m,長(zhǎng)約2.17km。鑒于通道為小汽車專用,火災(zāi)熱釋放功率為5MW,為平方火,約600s達(dá)到穩(wěn)定燃燒狀態(tài)。燃燒物表面積為4.5m×1.8m,燃燒物表面距地面0.5m,其水平布置為通道地面中心。為節(jié)省計(jì)算時(shí)間,對(duì)每一火災(zāi)場(chǎng)景進(jìn)行計(jì)算,其模擬長(zhǎng)度略大于控制區(qū)段長(zhǎng)度。各坐標(biāo)軸方向上采用均勻網(wǎng)格劃法,空間網(wǎng)格大小為0.6m×0.6m×0.6m。模擬的總?cè)紵龝r(shí)間為1800s,時(shí)間步長(zhǎng)由滿足數(shù)值穩(wěn)定性要求的CFL數(shù)確定。臨界通風(fēng)風(fēng)速為2.5m/s,風(fēng)井排煙量為60m3/s。3出入口煙氣排煙口通風(fēng)排煙有效性的判定依據(jù)應(yīng)包括:(1)在存在出入口煙囪效應(yīng)、車庫(kù)門漏風(fēng)等情況下,能將火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣從通道出口和風(fēng)井排煙口排出地面;(2)減小煙氣對(duì)疏散的影響,保障人員、車輛安全避難。3.1射流風(fēng)機(jī)縱向通風(fēng)作用以F-D-G-E段發(fā)生火災(zāi)為例,通過數(shù)值模擬方法分析火災(zāi)場(chǎng)景3的排煙策略的有效性。從起火后5min到30min火源附近的溫度(圖8)和煙氣蔓延3D示意圖(圖9)可看出,車道的東北角F-D-G-E點(diǎn)組成的小環(huán)形區(qū)段內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后,在射流風(fēng)機(jī)的縱向通風(fēng)作用下,空氣從F點(diǎn)進(jìn)口進(jìn)入車道,火災(zāi)煙氣從出口E點(diǎn)排出,煙氣基本上沒有向火源上游蔓延,排煙效果良好。通風(fēng)帶來了大量的冷空氣,對(duì)煙氣進(jìn)行了冷卻,車道內(nèi)的平均溫度較低。防火卷簾門3和防火卷簾門5的關(guān)閉,阻止了煙氣向C-D段及G-H段的蔓延,減小了火災(zāi)的影響范圍,保證了其他區(qū)域內(nèi)人員的安全。通過對(duì)不同區(qū)段內(nèi)典型位置火災(zāi)排煙過程的數(shù)值模擬分析表明,應(yīng)用所提供的排煙組織方案,火災(zāi)發(fā)生后煙氣能沿預(yù)定的路線進(jìn)行排放,并難以蔓延至起火點(diǎn)上游區(qū)域,在射流風(fēng)機(jī)和風(fēng)井的聯(lián)合作用下,大量的火災(zāi)煙氣將從豎井的排煙口或者車道的特定出口排出,煙氣得到較好的控制。3.2關(guān)于排水策略對(duì)配送安全的擔(dān)保分析3.2.1煙氣異常優(yōu)勢(shì)通道內(nèi)火災(zāi)危險(xiǎn)臨界條件可按以下情況確定。1)減光度達(dá)到影響人員行動(dòng)的極限值,對(duì)于地下交通通道這種狹長(zhǎng)大空間,可取10m作為人眼特征高度處煙氣危險(xiǎn)臨界能見度。2)當(dāng)溫度≤80℃時(shí)人員有生存可能性,溫度>80℃具有潛在危險(xiǎn)甚至可能死亡,可用80℃作為人眼特征高度處煙氣危險(xiǎn)臨界溫度。3)當(dāng)煙層界面低于人眼特征高度時(shí),可根據(jù)其中有害燃燒產(chǎn)物的臨界濃度判定是否達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài),例如當(dāng)CO濃度達(dá)到2.5×10-3時(shí)就可對(duì)人構(gòu)成嚴(yán)重危害。對(duì)以上3個(gè)臨界條件,取先達(dá)到者為通道火災(zāi)危險(xiǎn)臨界條件判據(jù),從保守角度出發(fā),取2.0m為人眼特征高度值。3.2.2火災(zāi)情況下的人員疏散通道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后,人員能否安全疏散主要取決于2類時(shí)間:(1)火災(zāi)發(fā)展到對(duì)人構(gòu)成危險(xiǎn)所需時(shí)間(即危險(xiǎn)時(shí)間)TASET;(2)人員疏散到安全場(chǎng)所需要的時(shí)間(即疏散時(shí)間)TRSET。如果人員能在火災(zāi)達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)之前全部疏散到安全區(qū)域,便可認(rèn)為該環(huán)形車道的防火安全設(shè)計(jì)對(duì)于火災(zāi)中的人員疏散是安全的。TASET可用火災(zāi)模擬軟件FDS模擬得到,TRSET可由人員疏散模型EVACENT模擬通道火災(zāi)狀態(tài)下的人員疏散過程計(jì)算得到。一般來說要經(jīng)過3個(gè)時(shí)間段:探測(cè)時(shí)間Tdct、反應(yīng)時(shí)間Tresp和行動(dòng)時(shí)間Ttrav。所以,從火災(zāi)發(fā)生到人員全部疏散為止,總的疏散時(shí)間為:TRSET=Tdct+Tresp+Ttrav。人員疏散的安全性基本判據(jù)為在通道中每個(gè)可能受到火災(zāi)威脅的區(qū)域都應(yīng)滿足式(6)。3.2.3車輛疏散場(chǎng)景trset+ta服通過對(duì)環(huán)形通道內(nèi)人員和車輛疏散的模擬計(jì)算,結(jié)合FDS對(duì)火災(zāi)煙氣蔓延分析,可對(duì)不同火災(zāi)場(chǎng)景下可用安全疏散時(shí)間TASET與人員和車輛需要的安全疏散時(shí)間TRSET進(jìn)行比較。通過圖10~圖15中不同火災(zāi)場(chǎng)景下TASET與TRSET的比較發(fā)現(xiàn):(1)在火災(zāi)場(chǎng)景1、火災(zāi)場(chǎng)景3、火災(zāi)場(chǎng)景4、火災(zāi)場(chǎng)景6情況下,車輛疏散時(shí)間小于可用疏散時(shí)間,即TRSET<TASET,能滿足車輛安全疏散要求?；鹪瓷嫌螣煔獾玫搅撕芎玫目刂?人員安全疏散時(shí)間小于可用安全疏散時(shí)間,即TRSET<TASET,能滿足人員安全疏散的要求;(2)在火災(zāi)場(chǎng)景2情況下,車輛安全疏散時(shí)間小于可用安全疏散時(shí)間,能滿足車輛安全疏散要求?；馂?zāi)上游由于疏散門口位置人員聚集,存在擁塞現(xiàn)象,導(dǎo)致該位置附近疏散時(shí)間較長(zhǎng)。但該位置煙氣得到了很好控制,人員安全疏散時(shí)間小于可用安全疏散時(shí)間,能滿足人員安全疏散的要求;(3)在火災(zāi)場(chǎng)景5情況下,車輛安全疏散時(shí)間小于可用安全疏散時(shí)間,即TRSET<TASET,能滿足車輛安全疏散要求?；鹪瓷嫌稳藛T疏散距離較長(zhǎng),但由于煙氣得到了很好控制,人員安全疏散時(shí)間小于可用安全疏散時(shí)間,即TRSET<TASET,能滿足人員安全疏散的要求。分析表明,各火災(zāi)場(chǎng)景下人員和車輛利用現(xiàn)有安全疏散設(shè)施所需要的安全疏散時(shí)間均低于可用安全疏散時(shí)間,即TRSET<TASET,因此地下環(huán)形通道內(nèi)采用順車流方向的排煙模式能夠滿足火源前方的車輛和火源后方的人員安全疏散要求。4煙氣控制方案1)考慮蘇州火車站地下交通聯(lián)系通道路線較長(zhǎng)、交叉路口多、出入口坡度較大,不利于煙氣順車行方向從設(shè)定的通道出口和風(fēng)井排煙口排出地面等實(shí)際情況,建議在通道內(nèi)交叉路口處增設(shè)一定數(shù)量的防火卷簾門。利用防火卷簾門對(duì)通道進(jìn)行隔斷劃分,通過通道出入口與風(fēng)井一起,將通道分隔為多個(gè)排煙控制區(qū)段,提出了不同區(qū)段內(nèi)火災(zāi)的排煙控制方案。2)借助FDS模擬蘇州火車站地下交通聯(lián)系通道火災(zāi)煙氣的蔓延情況,并結(jié)合火災(zāi)發(fā)生時(shí)人員和車輛利用通道內(nèi)既有設(shè)施進(jìn)行疏散的安