軌道交通區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道防火門(mén)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究

摘 要： 本文旨在探討軌道交通區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道防火門(mén)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)，以應(yīng)對(duì)地下隧道火災(zāi)情況。本文研究分析了聯(lián)絡(luò)通道防火門(mén)的結(jié)構(gòu)與施工方法，并提出了3套解決方案，通過(guò)試驗(yàn)和測(cè)試驗(yàn)證了這些方案的適用性，包括抗風(fēng)壓試驗(yàn)、防火測(cè)試以及隧道現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等。基于此，本文建立了聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)煙氣風(fēng)速模型，并進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算仿真，揭示了防火門(mén)高度和火災(zāi)熱釋放效率對(duì)通道內(nèi)風(fēng)速的影響，展示了模型在控制橫通道煙氣侵入中的作用。本文為軌道交通區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道防火門(mén)設(shè)計(jì)提供要參考依據(jù)，并為相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)一步研究和應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：軌道交通；區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道；防火門(mén)；煙氣控制；臨界風(fēng)速；數(shù)值計(jì)算

中圖分類(lèi)號(hào)：U 25 " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著城市軌道交通的發(fā)展，地下隧道系統(tǒng)日益完善，而隧道內(nèi)部發(fā)生火災(zāi)是一種常見(jiàn)且危險(xiǎn)的情況，吸引了許多相關(guān)領(lǐng)域研究分析。劉晨[1]以黑山南北高速公路項(xiàng)目為例，研究了中東歐國(guó)家與中國(guó)公路隧道防火理念對(duì)比。楊溢等[2]通過(guò)軟件建模和仿真分析，進(jìn)行了火災(zāi)煙氣流動(dòng)對(duì)半開(kāi)豎井連廊疏散效率影響的模擬研究。熊慧萍等[3]基于FDS和Pathfinder軟件進(jìn)行建筑子母式防火門(mén)火災(zāi)安全疏散模擬研究。劉雪驕等[4]進(jìn)行了臨近區(qū)間隧道抗疲勞受壓防火門(mén)的疲勞壽命預(yù)測(cè)研究。利用有限元軟件建立數(shù)值模型。萬(wàn)曉鑫[5]從山體隧道特點(diǎn)、有軌電車(chē)隧道特點(diǎn)以及人員疏散方式等方面探討了有軌電車(chē)山體隧道建筑防火與疏散設(shè)計(jì)方案。王奕然等[6]解析了城市軌道交通區(qū)間隧道聯(lián)絡(luò)通道中抗風(fēng)壓防火門(mén)的2項(xiàng)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)。鄒琦等[7]結(jié)合實(shí)例驗(yàn)證不同間距設(shè)置條件下人員安全逃生情況，并推薦最佳門(mén)間距設(shè)置為200m。綜合相關(guān)研究，為了有效控制隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣向聯(lián)絡(luò)通道回流，防止事故擴(kuò)大，本文討論了其防火門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和尺寸設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

1 聯(lián)絡(luò)通道防火門(mén)結(jié)構(gòu)分析

1.1 施工背景與方法

廣州地鐵3號(hào)線是中國(guó)廣州市的一條城市軌道交通線路，也是廣州地鐵網(wǎng)中的重要組成部分。該線路北起天河客運(yùn)站，南至番禺廣場(chǎng)，全長(zhǎng)約67.3km，共設(shè)車(chē)站30座。3號(hào)線貫穿了廣州市區(qū)的主要商業(yè)和居住區(qū)域，連接了天河、海珠、荔灣、越秀以及番禺等城區(qū)，作為廣州地鐵網(wǎng)中的主干線路之一，在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中滿足大量乘客的出行需求。因此，針對(duì)這條線路上各個(gè)車(chē)站和區(qū)間的設(shè)計(jì)以及設(shè)施配置都顯得尤為重要。以龍人區(qū)間作為案例進(jìn)行研究，在這一具體區(qū)間可能存在特定的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和需求，例如疏散門(mén)設(shè)計(jì)與安全保障等方面。針對(duì)隧道區(qū)間施工環(huán)境的惡劣特點(diǎn)，本文引入了整體預(yù)制法作為施工方法。這種方法將門(mén)框、門(mén)體和五金配件在工廠預(yù)制成組合體，并運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)安裝于門(mén)洞。通過(guò)這種方式，成功減少了現(xiàn)場(chǎng)的施工作業(yè)量，并確保了門(mén)體及五金的安裝精度，有效縮短了在隧道內(nèi)的施工周期。

1.2 防火門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道防火門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，特別考慮了惡劣環(huán)境下的應(yīng)用需求。根據(jù)常規(guī)維護(hù)保養(yǎng)基礎(chǔ)，確保設(shè)計(jì)的區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道疏散門(mén)適用于-35℃～40℃的溫度范圍，并能承受相對(duì)濕度為10%～98%的環(huán)境條件。針對(duì)這個(gè)要求，提出了3套不同的解決方案，其中最終選定的設(shè)計(jì)采用了橫向明裝四點(diǎn)鎖定式鎖具。這種鎖具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在防火門(mén)中起著關(guān)鍵作用。通過(guò)專(zhuān)家評(píng)價(jià)和多方考量，確認(rèn)這種四點(diǎn)鎖定式鎖具能夠有效地保障防火門(mén)的安全性和穩(wěn)固性。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，這種設(shè)計(jì)能夠更好地抵御惡劣環(huán)境下可能出現(xiàn)的壓力和振動(dòng)，從而提高防火門(mén)的可靠性和持久性。在防火門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，也考慮了易于維護(hù)和操作性。確保防火門(mén)在實(shí)際使用中能夠便捷、高效地開(kāi)啟和關(guān)閉，并且容易進(jìn)行日常維護(hù)保養(yǎng)工作。這樣的設(shè)計(jì)不僅保證了用戶體驗(yàn)，也延長(zhǎng)了防火門(mén)的使用壽命。

綜上所述，在區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道防火門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中注重了環(huán)境適應(yīng)性、安全性和操作便捷性等關(guān)鍵因素。通過(guò)精心篩選和專(zhuān)家評(píng)估最終確定了橫向明裝四點(diǎn)鎖定式鎖具作為最佳選擇。這一設(shè)計(jì)將為地下隧道系統(tǒng)提供更可靠、更安全的防火措施，并有效應(yīng)對(duì)各種極端環(huán)境條件下可能出現(xiàn)的挑戰(zhàn)。

1.3 防火門(mén)性能驗(yàn)證

驗(yàn)證區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道疏散門(mén)能夠滿足使用、功能、性能等多方面要求時(shí)進(jìn)行了一系列試驗(yàn)和測(cè)試包括抗風(fēng)壓試驗(yàn)、防火測(cè)試以及隧道現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等。相關(guān)指標(biāo)要求以18號(hào)線、22號(hào)線相關(guān)隧道環(huán)境為例，其結(jié)果見(jiàn)表1。當(dāng)設(shè)計(jì)不同位置的隧道及風(fēng)道時(shí)，需要考慮特定的風(fēng)壓值范圍。這些風(fēng)壓值反映了通風(fēng)系統(tǒng)在維持通道內(nèi)空氣流動(dòng)和質(zhì)量時(shí)所需承受的外部環(huán)境力量。因此，設(shè)計(jì)防火門(mén)時(shí)必須考慮這些外部環(huán)境因素，確保防火門(mén)能夠承受相應(yīng)的外部壓力。這些風(fēng)壓數(shù)據(jù)直接影響防火門(mén)的材料選擇和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)，通過(guò)考慮不同位置的隧道及風(fēng)道所需承受的風(fēng)壓值范圍，可以有效地確定防火門(mén)所需具備的抗壓能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。只有當(dāng)防火門(mén)能夠符合這些外部環(huán)境力量下的要求，它才能發(fā)揮其限制火災(zāi)蔓延、控制疏散路徑等關(guān)鍵作用。這種系統(tǒng)化、全面性能驗(yàn)證過(guò)程有助于提高防火門(mén)在地下隧道系統(tǒng)中的可靠性，并確保其在各種極端情況下都能有效發(fā)揮作用。

2 聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)煙氣風(fēng)速模型

2.1 量綱分析

火災(zāi)條件下，隧道內(nèi)的煙氣將根據(jù)密度逐層分布，而隧道內(nèi)的聯(lián)絡(luò)通道作為來(lái)向空氣進(jìn)入重要通道，也將形成煙氣回流。因此，防火門(mén)需要提供有效阻隔作用，避免這一煙氣回流。本文基于此進(jìn)行相應(yīng)定性的量綱分析。其煙氣回流影響因素整理如公式（1）所示。

V=f（Q，Vt，ρ，T，c，g，Ht，A，Hd，θ） （1）

式中：V為煙氣回流速度；Q為火災(zāi)的熱釋放速率；Vt為隧道內(nèi)縱向的通風(fēng)速度；ρ為空氣密度；T為空氣溫度；c為空氣定壓比熱；g為重力加速度；Ht為防火門(mén)高度；A為隧道面積；Hd為隧道高度；θ為隧道坡度。

其中，多項(xiàng)指標(biāo)為常數(shù)，具體尺寸參數(shù)和坡度在地鐵隧道中往往保持穩(wěn)定，環(huán)境空氣溫度對(duì)特定火災(zāi)環(huán)境來(lái)說(shuō)差異不顯著，特別是無(wú)其他火源的條件下，廣州市的穩(wěn)定氣溫決定其對(duì)煙氣溫度和羽流影響不顯著。因此考慮隧道內(nèi)的煙氣回流速度主要受到火災(zāi)熱釋放速率、空氣溫度以及隧道高度等有限指標(biāo)的影響。例如忽略其他指標(biāo)，單純對(duì)其進(jìn)行無(wú)量綱化處理，可得公式（2）。

（2）

式中：a、b、c均為衡量相應(yīng)指標(biāo)影響的系數(shù)。

煙氣流動(dòng)速度受到上述一系列因素影響，進(jìn)一步形成影響火災(zāi)后果的關(guān)鍵因素，是防火門(mén)設(shè)計(jì)需要考慮的關(guān)鍵指標(biāo)?；诖?，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行隧道內(nèi)聯(lián)絡(luò)通道煙氣擴(kuò)散影響的具體性能分析。

2.2 數(shù)值計(jì)算仿真

基于以上分析和試驗(yàn)結(jié)果，本文在實(shí)際全尺寸隧道及連接的橫通道進(jìn)行模擬，并對(duì)防火門(mén)尺寸進(jìn)行影響分析。其中，防火門(mén)高度的影響如圖1所示。

由圖1可知，觀察縱坐標(biāo)（通道內(nèi)風(fēng)速）和橫坐標(biāo)（防火門(mén)高度）的數(shù)據(jù)。在無(wú)煙情況下，通道內(nèi)風(fēng)速?gòu)?.61 m/s逐漸增至0.75 m/s；而在有煙的情況下，通道內(nèi)風(fēng)速?gòu)?.59 m/s逐漸增至0.68 m/s。隨著防火門(mén)高度的增加，無(wú)煙和有煙情況下的通道內(nèi)風(fēng)速呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)趨勢(shì)。在一定范圍內(nèi)（0 m/s～2.5 m/s），通道內(nèi)風(fēng)速基本保持穩(wěn)定或略微波動(dòng)；然而，防火門(mén)高度超過(guò)2.5m后，通道內(nèi)風(fēng)速開(kāi)始出現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)。隨著防火門(mén)高度增加，氣流在通過(guò)較低高度防火門(mén)時(shí)可能會(huì)受到一定限制。這導(dǎo)致了在低防火門(mén)高度范圍內(nèi)通道內(nèi)風(fēng)速相對(duì)較低，避免了煙氣擴(kuò)散。在這一過(guò)程中，防火門(mén)的阻隔形成一個(gè)相對(duì)速度較低的局部空間，在這個(gè)空間中氣流受到一定程度的封閉或擾動(dòng)。這可能導(dǎo)致局部區(qū)域內(nèi)通道內(nèi)風(fēng)速波動(dòng)較大，煙氣在局部蓄積，這在無(wú)明顯煙塵干擾條件下更顯示出防火門(mén)對(duì)煙氣流動(dòng)的抑制作用。

考慮火災(zāi)釋放效率的影響，其結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，在無(wú)煙的情況下，隨著火災(zāi)熱釋放效率增加，通道內(nèi)風(fēng)速?gòu)?.17 m/s逐漸增至0.25 m/s；而在有煙的情況下，通道內(nèi)風(fēng)速?gòu)?.16 m/s逐漸增至0.23 m/s。隨著火災(zāi)熱釋放效率的增加，無(wú)煙和有煙情況下通道內(nèi)風(fēng)速均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。這表明火災(zāi)熱釋放效率與通道內(nèi)風(fēng)速之間存在一定的正相關(guān)關(guān)系，顯著地隨著火災(zāi)熱釋放效率增加，空氣溫度可能會(huì)升高，導(dǎo)致空氣密度降低?；馂?zāi)本身會(huì)產(chǎn)生氣流運(yùn)動(dòng)，并且高溫氣體具有向上升騰的趨勢(shì)。較低密度的空氣更容易受到流體力學(xué)作用的影響而產(chǎn)生流動(dòng)，從而促進(jìn)通道內(nèi)風(fēng)速的增加這種運(yùn)動(dòng)可能會(huì)影響通道內(nèi)氣流分布和速度，導(dǎo)致通道內(nèi)風(fēng)速增加。

3 臨界佛羅德數(shù)模型分析

3.1 模型推導(dǎo)

假設(shè)存在一臨界佛羅德數(shù)，該臨界數(shù)對(duì)應(yīng)控制橫通道煙氣侵入的最小風(fēng)速。根據(jù)橫通道尺寸等參數(shù)定義如公式（3）所示。

（3）

式中：V為煙氣回流速度；g為重力加速度；Ht為隧道高度；ρ為環(huán)境空氣密度；ρf為煙氣密度；U為橫通道臨界風(fēng)速。

其中，U的物理意義是當(dāng)煙氣密度差異引起的浮升力與空氣流動(dòng)的慣性力比值相當(dāng)時(shí)，空氣流動(dòng)產(chǎn)生的慣性力正好能阻止煙氣回流。

基于此，本文建立了橫通道煙氣流動(dòng)的質(zhì)量和能量平衡方程，并對(duì)火災(zāi)熱釋放率的對(duì)流部分進(jìn)行分析。其質(zhì)量和能量的平衡關(guān)系如公式（4）所示。

ma=mb-mc

macT=mbcT-mccT-Q' " " （4）

式中：ma為火災(zāi)方向隧道氣流力量；mb為非火災(zāi)方向隧道氣流角標(biāo)；mc為聯(lián)絡(luò)通道方向氣流角標(biāo)；Q'為Q的對(duì)流釋放部分，通常為Q的70%左右。

在這個(gè)過(guò)程中，本文考慮了煙氣作為理想氣體的基本性質(zhì)，并假設(shè)其僅涉及等壓過(guò)程，可以根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程得出公式（5）。

（5）

式中：Ad為防火門(mén)面積，通常與防火門(mén)高度呈指數(shù)關(guān)系。

同時(shí)，Tf為煙氣溫度，相對(duì)于環(huán)境空氣溫度的差值與熱釋放效率呈正相關(guān)，如公式（6）所示。

（6）

聯(lián)立公式（4）與公式（5），即綜合考慮各項(xiàng)參數(shù)和能量平衡方程后，得到了橫通道臨界風(fēng)速公式，并基于此擬合本文所討論的臨界風(fēng)速。

3.2 數(shù)值計(jì)算仿真

由此，進(jìn)行仿真模擬，其結(jié)果如圖3所示。在無(wú)煙和有煙的情況下，隨著通道內(nèi)臨界風(fēng)速的增加，通道內(nèi)風(fēng)速也增加。其中，在無(wú)煙的情況下，通道內(nèi)風(fēng)速與臨界風(fēng)速呈線性增長(zhǎng)關(guān)系。這一現(xiàn)象可以歸因于空氣流動(dòng)慣性力和密度差異效應(yīng)的影響。空氣流動(dòng)慣性力隨著臨界風(fēng)速增大而增加，推動(dòng)了通道內(nèi)空氣流動(dòng)速度的提升。同時(shí)，空氣密度差異引起的浮升力也影響了通道內(nèi)的風(fēng)速。在有煙的情況下，火災(zāi)熱釋放效率和濃度梯度驅(qū)動(dòng)成為影響因素?；馂?zāi)釋放的能量使空氣溫度升高，密度發(fā)生變化，導(dǎo)致通道內(nèi)的風(fēng)速比無(wú)煙情況更快。此外，燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的濃度梯度也會(huì)改變空氣流動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而影響通道內(nèi)風(fēng)速。在不同條件下（有/無(wú)煙），臨界佛羅德數(shù)對(duì)控制橫通道煙氣侵入具有重要作用。未來(lái)工作將進(jìn)一步驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，并結(jié)合更多實(shí)際案例進(jìn)行驗(yàn)證和修正，以提高模型適用范圍。

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究了軌道交通區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道防火門(mén)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)，這些成果為軌道交通區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道防火門(mén)設(shè)計(jì)提供了重要參考依據(jù)，并為相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)一步研究和應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。希望本文所取得的成果能夠?yàn)橄嚓P(guān)領(lǐng)域提供有益啟示，并推動(dòng)該領(lǐng)域技術(shù)水平不斷提升。

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