地鐵作為人流密集的公眾聚集場所，一旦發(fā)生火災(zāi)等突發(fā)事故，其社會影響力、政治影響力和國際影響力十分巨大。為了避免地鐵火災(zāi)對人員造成危害以及對社會的負面影響，某院開展地鐵車站及區(qū)間隧道全尺寸火災(zāi)實驗研究，取得了一定成果。
地鐵作為現(xiàn)代化的城市軌道交通工具，承擔(dān)著越來越重要的大客流運輸任務(wù)。然而地鐵作為人流密集的公眾聚集場所，一旦發(fā)生突發(fā)事故，其社會影響力、政治影響力和國際影響力十分巨大。地鐵隧道基本處于地下相對密閉空間，運行的列車內(nèi)聚集著密集的人群，通風(fēng)和疏散都受到極大的限制，這是其突出的弱點。在國際上，地鐵火災(zāi)事故屢見不鮮，是各國安全防范的重點，如
2003年的韓國大邱地鐵列車火災(zāi)，和1995年的阿塞拜疆巴庫地鐵隧道火災(zāi)，傷亡人數(shù)均超過300人。
地鐵火災(zāi)事故造成重大傷亡事故的原因主要包括4個方面：一是地鐵列車可燃物較多，火災(zāi)強度大。地鐵列車本身有相應(yīng)的電器設(shè)備，雖然車輛制造材料主要為不燃物，但少部分阻燃材料著火時還會產(chǎn)生一定的毒性氣體，加上地下供氧不足，燃燒不完全，煙霧濃，發(fā)煙量大，易對人構(gòu)成危害。二是地下空間的通風(fēng)口少，火災(zāi)煙氣不易散發(fā)，燃燒產(chǎn)生的濃煙使隧道變成煙霧的通道，煙霧擴散極為迅速。煙氣因其高溫性、減光性、毒害性、恐怖性等特點，容易令人窒息。三是地鐵隧道內(nèi)列車高速行駛的活塞效應(yīng)造成隧道內(nèi)氣流組織復(fù)雜，煙氣空氣混和嚴重，強大的不穩(wěn)定逆轉(zhuǎn)氣流加大火災(zāi)的燃燒與擴散蔓延。四是地鐵列車內(nèi)客流量大，人員集中，隧道內(nèi)疏散距離較遠，疏散和滅火時間長，加上隧道火災(zāi)環(huán)境惡劣，一旦發(fā)生火災(zāi)，極易造成群死群傷。
復(fù)雜地鐵車站日益涌現(xiàn)
隨著城市內(nèi)部地鐵線網(wǎng)的日趨完善，城市繁華區(qū)多條線路交叉換乘，同時由于地質(zhì)、施工條件的限制，超深埋、大長區(qū)間、站臺密集型超短區(qū)間等復(fù)雜形式的地鐵車站及隧道日益出現(xiàn)。
某市地鐵六號線屬于深埋線路，最大的車站隧道埋深近35m、最大區(qū)間隧道埋深近40m，對于超深埋車站及隧道，其風(fēng)壓損失較大，同時部分區(qū)間隧道坡度很大，地鐵隧道發(fā)生火災(zāi)后，煙氣如何在車站內(nèi)蔓延，如何形成有效的風(fēng)流組織控制煙氣蔓延，是設(shè)計急需解決的問題。
某市新城區(qū)域地下集運系統(tǒng)也為一種復(fù)雜的地下隧道區(qū)間形式，線路總長約3.88km，采用雙區(qū)間三聯(lián)絡(luò)線結(jié)構(gòu)，卻設(shè)有地下車站9座，因此區(qū)間隧道很短，最小站間距為320.5m，平均站間距僅470m。
又如，某市地鐵三號線區(qū)間隧道長度近7km，為典型的大長區(qū)間地鐵隧道。大長區(qū)間中間需要加設(shè)風(fēng)井，火災(zāi)時中間風(fēng)井和車站的通風(fēng)排煙系統(tǒng)如何聯(lián)合動作、送排風(fēng)運行模式，以及區(qū)間風(fēng)井風(fēng)機風(fēng)量均是設(shè)計急需解決的問題。
這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式的地下車站和隧道的日益涌現(xiàn)，對地鐵火災(zāi)時通風(fēng)排煙設(shè)計的安全性提出了更高要求。如何確保復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式的地鐵車站和隧道發(fā)生火災(zāi)時煙氣的定向誘導(dǎo)和及時排放，需要用科學(xué)的方法加以研究、分析和驗證。
地鐵火災(zāi)模擬技術(shù)的應(yīng)用
火災(zāi)模擬技術(shù)基本可分為3類，即：區(qū)域模擬技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)和火災(zāi)場模擬技術(shù)，這3類技術(shù)在地鐵工程中均有較好的應(yīng)用。
區(qū)域模擬技術(shù)是將地鐵火災(zāi)環(huán)境分為兩個控制體，上層熱煙氣層和下部冷空氣層，并假設(shè)每個區(qū)域內(nèi)具有空間分布均勻的物理屬性。通過建立兩個控制體的質(zhì)量和能量平衡方程來求解煙氣層溫度、高度等變量，并假設(shè)室內(nèi)的壓力保持恒定，這在常規(guī)空間尺寸例如地鐵隧道內(nèi)是可行的。在中國安科院項目組的實際工作中，開發(fā)了區(qū)域模擬軟件，該軟件可以簡單快捷地用于地鐵車站公共區(qū)通風(fēng)排煙系統(tǒng)設(shè)計及運行模式的推演，風(fēng)機選型、風(fēng)量、設(shè)備數(shù)量等設(shè)計參數(shù)的確定，但由于其模型的簡化，由此帶來的誤差也較大，因此適用于地鐵火災(zāi)性能化設(shè)計和通風(fēng)排煙方案的早期設(shè)計。
網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)進一步簡化處理空間氣流參數(shù)，對每一空間采用一個均勻的物理參數(shù)，即同一空間的溫度、煙氣濃度、室內(nèi)空氣壓力等均認為是均勻分布的。地鐵的每一個屏蔽門開口、風(fēng)井、聯(lián)絡(luò)通道等都具有一定的通風(fēng)阻力，這些通道連接處作為網(wǎng)絡(luò)中的連接點。通過分支和節(jié)點連接而成網(wǎng)絡(luò)，運用求解節(jié)點風(fēng)量、分支阻力、回路風(fēng)壓平衡方程，可以得到空間網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的溫度、風(fēng)量、壓力、風(fēng)速等。如：知道某一區(qū)間隧道的區(qū)段發(fā)生火災(zāi)后，火災(zāi)煙氣在風(fēng)壓、室外風(fēng)流和其他動力作用下可能流經(jīng)的范圍和區(qū)域，火災(zāi)發(fā)生時，人員疏散就應(yīng)盡力避開這些隧道或空間，網(wǎng)絡(luò)模型能較好地滿足這一需要。網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)適用于對多個地鐵車站及隧道空間內(nèi)火災(zāi)時的氣流組織的解算，特別是長、大區(qū)間等情況，可計算較大空間，但不能細致反映煙氣流動的細節(jié)。目前國內(nèi)的一些地鐵設(shè)計院已經(jīng)在地鐵設(shè)計中進行了較多應(yīng)用。
火災(zāi)場模擬技術(shù)是計算求解火災(zāi)過程中網(wǎng)格化的三維空間內(nèi)物理參數(shù)隨時間變化的模擬方式，“場”是指狀態(tài)參數(shù)如速度、溫度、壓力、氣體組分濃度等的空間分布。場模擬的理論依據(jù)是自然界普遍存在的質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒以及化學(xué)反應(yīng)的定律等，火災(zāi)過程中狀態(tài)參數(shù)的變化也遵循著這些規(guī)律，因而可以用場模擬方法求解火災(zāi)過程。該技術(shù)通過對幾何參數(shù)和網(wǎng)格數(shù)目以及燃燒過程的一些設(shè)置，如：燃燒反應(yīng)模型、火源功率與燃燒時間、邊界熱交換屬性、通風(fēng)口大小與流量等，模擬計算可得到的一些輸出數(shù)據(jù)，如某點、某條線或某個面上的溫度、密度、壓力及混合組份在火災(zāi)過程中隨時間的變化等，然后再利用一些數(shù)據(jù)處理工具就可以獲得研究所需的數(shù)據(jù)以及曲線等。某院在國內(nèi)一些城市的地鐵安全評價和研究項目中使用了火災(zāi)大渦模擬技術(shù)，如：針對某市地鐵6號線深埋車站(見圖1)、某市地下旅客自動輸送系統(tǒng)、某市地鐵R2線長、大區(qū)間隧道等，都采用了火災(zāi)場模擬技術(shù)對其通風(fēng)排煙設(shè)計方案進行了論證研究，提出了地鐵火災(zāi)事故時安全、有效的氣流組織形式、排煙送風(fēng)模式。目前國內(nèi)一些科研機構(gòu)和地鐵設(shè)計單位也越來越多地采用火災(zāi)場模擬技術(shù)對地鐵通風(fēng)排煙系統(tǒng)的設(shè)計進行論證。
未來仍需進一步驗證
由于火災(zāi)計算模擬技術(shù)在計算方程、求解方法和邊界條件處理方面存在一些簡化，因此結(jié)果也存在一定的誤差，包括設(shè)計的風(fēng)機風(fēng)量是否能滿足實際需要，能否有效控制煙氣流動和沉降等。因此，在實際地鐵工程中，采用模型實驗?zāi)酥寥叽缁馂?zāi)試驗往往是對地鐵通風(fēng)排煙系統(tǒng)的有效驗證。
某院通過對深埋車站火災(zāi)進行模擬實驗研究，利用深埋地鐵車站模型，開展了列車火災(zāi)和站臺火災(zāi)的模擬實驗，針對某市地鐵6號線提出并驗證了深埋地鐵車站的通風(fēng)排煙方案。同時，還在其他城市的地鐵線路等開展了全尺寸火災(zāi)試驗，對地鐵通風(fēng)排煙系統(tǒng)火災(zāi)事故模式工作效果、可靠性及聯(lián)動狀況進行了檢驗，獲得了較多的有參考價值的數(shù)據(jù)，確保地鐵試運營安全。接下來，項目組將會對火災(zāi)模擬技術(shù)進行進一步論證，使該技術(shù)在應(yīng)用中更加準確、便捷。
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