摘 要： 本文旨在探討軌道交通區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道防火門設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)，以應(yīng)對地下隧道火災(zāi)情況。本文研究分析了聯(lián)絡(luò)通道防火門的結(jié)構(gòu)與施工方法，并提出了3套解決方案，通過試驗(yàn)和測試驗(yàn)證了這些方案的適用性，包括抗風(fēng)壓試驗(yàn)、防火測試以及隧道現(xiàn)場測試等?；诖?，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，揭示了防火門高度和火災(zāi)熱釋放效率對通道內(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；煙氣控制；臨界風(fēng)速；數(shù)值計(jì)算

中圖分類號：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，研究了中東歐國家與中國公路隧道防火理念對比。楊溢等[2]通過軟件建模和仿真分析，進(jìn)行了火災(zāi)煙氣流動對半開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的疲勞壽命預(yù)測研究。利用有限元軟件建立數(shù)值模型。萬曉鑫[5]從山體隧道特點(diǎn)、有軌電車隧道特點(diǎn)以及人員疏散方式等方面探討了有軌電車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結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和尺寸設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)問題。

1 聯(lián)絡(luò)通道防火門結(jié)構(gòu)分析

1.1 施工背景與方法

廣州地鐵3號線是中國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，全長約67.3km，共設(shè)車站30座。3號線貫穿了廣州市區(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)營過程中滿足大量乘客的出行需求。因此，針對這條線路上各個(gè)車站和區(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，例如疏散門設(shè)計(jì)與安全保障等方面。針對隧道區(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。這種方法將門框、門體和五金配件在工廠預(yù)制成組合體，并運(yùn)輸至現(xiàn)場安裝于門洞。通過這種方式，成功減少了現(xiàn)場的施工作業(yè)量，并確保了門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 防火門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道防火門結(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)通道疏散門適用于-35℃～40℃的溫度范圍，并能承受相對濕度為10%～98%的環(huán)境條件。針對這個(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)在防火門中起著關(guān)鍵作用。通過專家評價(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，從而提高防火門的可靠性和持久性。在防火門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，也考慮了易于維護(hù)和操作性。確保防火門在實(shí)際使用中能夠便捷、高效地開啟和關(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)，也延長了防火門的使用壽命。

綜上所述，在區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道防火門結(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。通過精心篩選和專家評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)對各種極端環(huán)境條件下可能出現(xiàn)的挑戰(zhàn)。

1.3 防火門性能驗(yàn)證

驗(yàn)證區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道疏散門能夠滿足使用、功能、性能等多方面要求時(shí)進(jìn)行了一系列試驗(yàn)和測試包括抗風(fēng)壓試驗(yàn)、防火測試以及隧道現(xiàn)場測試等。相關(guān)指標(biāo)要求以18號線、22號線相關(guān)隧道環(huán)境為例，其結(jié)果見表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)防火門時(shí)必須考慮這些外部環(huán)境因素，確保防火門能夠承受相應(yīng)的外部壓力。這些風(fēng)壓數(shù)據(jù)直接影響防火門的材料選擇和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)，通過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)證過程有助于提高防火門在地下隧道系統(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)通道作為來向空氣進(jìn)入重要通道，也將形成煙氣回流。因此，防火門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)境空氣溫度對特定火災(zāi)環(huán)境來說差異不顯著，特別是無其他火源的條件下，廣州市的穩(wěn)定氣溫決定其對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)，單純對其進(jìn)行無量綱化處理，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，是防火門設(shè)計(jì)需要考慮的關(guān)鍵指標(biāo)?；诖耍迷囼?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，并對防火門尺寸進(jìn)行影響分析。其中，防火門高度的影響如圖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)（防火門高度）的數(shù)據(jù)。在無煙情況下，通道內(nèi)風(fēng)速從0.61 m/s逐漸增至0.75 m/s；而在有煙的情況下，通道內(nèi)風(fēng)速從0.59 m/s逐漸增至0.68 m/s。隨著防火門高度的增加，無煙和有煙情況下的通道內(nèi)風(fēng)速呈現(xiàn)出一定的波動趨勢。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；然而，防火門高度超過2.5m后，通道內(nèi)風(fēng)速開始出現(xiàn)較大幅度的波動。隨著防火門高度增加，氣流在通過較低高度防火門時(shí)可能會受到一定限制。這導(dǎo)致了在低防火門高度范圍內(nèi)通道內(nèi)風(fēng)速相對較低，避免了煙氣擴(kuò)散。在這一過程中，防火門的阻隔形成一個(gè)相對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。這可能導(dǎo)致局部區(qū)域內(nèi)通道內(nèi)風(fēng)速波動較大，煙氣在局部蓄積，這在無明顯煙塵干擾條件下更顯示出防火門對煙氣流動的抑制作用。

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，在無煙的情況下，隨著火災(zāi)熱釋放效率增加，通道內(nèi)風(fēng)速從0.17 m/s逐漸增至0.25 m/s；而在有煙的情況下，通道內(nèi)風(fēng)速從0.16 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。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，空氣溫度可能會升高，導(dǎo)致空氣密度降低。火災(zāi)本身會產(chǎn)生氣流運(yùn)動，并且高溫氣體具有向上升騰的趨勢。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，從而促進(jìn)通道內(nèi)風(fēng)速的增加這種運(yùn)動可能會影響通道內(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的慣性力比值相當(dāng)時(shí)，空氣流動產(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的質(zhì)量和能量平衡方程，并對火災(zāi)熱釋放率的對流部分進(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的對流釋放部分，通常為Q的70%左右。

在這個(gè)過程中，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為防火門面積，通常與防火門高度呈指數(shù)關(guān)系。

同時(shí)，Tf為煙氣溫度，相對于環(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，在無煙的情況下，通道內(nèi)風(fēng)速與臨界風(fēng)速呈線性增長關(guān)系。這一現(xiàn)象可以歸因于空氣流動慣性力和密度差異效應(yīng)的影響?？諝饬鲃討T性力隨著臨界風(fēng)速增大而增加，推動了通道內(nèi)空氣流動速度的提升。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)動成為影響因素。火災(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)速比無煙情況更快。此外，燃燒過程中產(chǎn)生的濃度梯度也會改變空氣流動狀態(tài)，進(jìn)而影響通道內(nèi)風(fēng)速。在不同條件下（有/無煙），臨界佛羅德數(shù)對控制橫通道煙氣侵入具有重要作用。未來工作將進(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

本文研究了軌道交通區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道防火門設(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，并推動該領(lǐng)域技術(shù)水平不斷提升。

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