CN1937006A - 地铁灾害事故模拟实验平台 - Google Patents

Abstract

一种地铁灾害事故模拟实验平台，用于对地铁车站内的火灾、毒气扩散等事故的发生发展机理、控制与防治技术进行实验研究。包括1∶5大比例尺的地铁实验实体模型、火源系统、通风排烟系统、火灾探测报警系统、实验测量采集系统和数据分析系统。其中，地铁实体模型是包含区间隧道、站台、站厅、设备房等的多层建筑结构，采用模块化设计，模型整体可拆卸组合；火源系统可模拟不同火灾场景，产生近于真实的火灾热烟气，其火源功率和发烟量由模型相似性理论分析确定并可产生不同的火灾功率增长曲线。本平台解决了城市轨道交通灾害事故难以开展现场实验研究的难题，可实现地下、深埋、高架、岛式、侧式、中厅等不同车站结构地铁的灾害事故的三维实验模拟。

Description

地铁灾害事故模拟实验平台

技术领域

本发明涉及一种对地铁车站火灾蔓延、毒气扩散等事故进行实验研究的设备，具体是一种地铁灾害事故模拟实验平台。

背景技术

针对于特定空间内的灾害事故，若采用全尺寸的实体模型进行实验研究，则存在一定的困难，而采用一定比例尺的模拟实验模型来开展研究是一种必要、科学、经济而又切实可行的手段，现有的国内外大多数的模拟实验系统平台都是基于尺度模拟技术，结合特定的需求而设计研制的。例如，在建筑物内火灾事故研究方面，Thomas等人采用1/10缩小尺寸模型来研究大空间建筑内的烟气蔓延现象，Morgan采用1/10缩小尺寸的商场和中庭式大空间模型研究中厅火灾烟气控制规律，W.K.Chow在1/7比例尺内的中厅建筑模型内对火灾烟气流动特点进行了模拟研究。在地下工程方面，中国矿业大学研制了2000×2030×2030mm三维加载的地下工程实验系统模拟箱，可以对地铁工程、隧道及地下洞室工程、基础工程、特殊地下施工方法、边坡工程、挡土结构等地下工程进行模拟实验；北京交通大学建立了国内唯一的双层地下工程实验隧道，进行工程的现场动静力测试和监测的实验研究；北京工业大学采用1∶42的小比例尺地铁模型开展地铁洞内气流组织及传热效应的研究。然而，现有的模拟实验系统平台的适用对象和适用功能都较为单一，仅能满足某类工程的特定需求；或者是模型比例尺过小，在实验研究中会带来较大的相似性误差，无法满足灾害事故模拟实验深入研究的需要。

目前，国内尚无地铁车站实验模型平台用于模拟地铁火灾烟气蔓延及毒气泄漏扩散等的实验研究，因此，如何针对于地铁火灾等灾害事故，建立多功能大比例尺的实验系统平台，开展地铁空间火灾蔓延、毒气泄漏扩散等的实验模拟以及事故通风的实验研究，是城市轨道交通领域迫切需要解决的一个问题。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种可以对地铁车站火灾、毒气扩散等灾害事故的发生发展机理、控制与防治技术进行实验研究的地铁灾害事故模拟实验平台。

为此，本发明提出如下技术方案：

本发明的地铁灾害事故模拟实验平台总体上包括：地铁实验实体模型、火源系统、通风排烟系统、火灾探测报警系统、实验测量采集系统以及数据分析系统。其中，地铁实验实体模型是真实再现地铁结构的大比例尺模型，是模拟灾害事故发生的三维限定空间；火源系统用于模拟不同的火灾场景，产生接近于真实的火灾热烟气；通风排烟系统用于模拟地铁正常模式和灾害模式下的通风排烟；火灾探测报警系统用于进行地铁模型内部火灾的自动识别与报警；实验测量采集系统用于地铁灾害事故模拟实验中的数据测量、采集和处理；数据分析系统用于进行实验数据的对比、分析、验证以及事故后果的预测评估。

在上述方案中，所述地铁实验实体模型依据实际地铁建筑结构，采用相似性理论分析，建立的大比例尺模型，模型主体采用防火材料构建而成，是包含车站隧道、站台、站厅、设备房等空间的多层建筑结构。模型内部布置有屏蔽门、楼扶梯、列车模型等结构设施。在模型内部设置有多处玻璃观察窗，方便于实验进程的实时观测。站厅、站台、两侧车站隧道均采用模块化设计，依据需要可以对模型整体进行拆卸组合，因而，具有多层建筑结构的模型装置可以模拟地下深埋、地下浅埋、高架、岛式、侧式、中厅式等不同建筑形式的地铁车站。

在上述方案中，所述火源系统由采用比例控制的燃气燃烧器以及热烟发生箱构成，其功率和发烟量由模型相似性分析确定。通过流量计控制燃烧器气体的流量，从而控制气体火源的功率；燃烧炉头火源侧翼放置示踪烟气发生箱，示踪烟气注入火羽流加以混和卷吸，产生接近于真实的火灾热烟气，与常规火灾实验采用的真实燃烧物体不同，该系统用无毒的热烟代替了有毒有害的火灾烟气。火源系统移动方便，根据实验需要，可放置在地铁模型内部不同位置，模拟地铁内不同场所的火灾事故。

在上述方案中，所述通风排烟系统包括站台公共区通风排烟子系统、轨顶通风排烟子系统、轨底通风排烟子系统以及区间隧道通风排烟子系统，各通风排烟子系统相对独立，可以分别进行风量调节，各个风口的风量由模型相似分析确定。

在上述方案中，所述火灾探测报警系统用于进行地铁模型内部火灾的探测识别与报警，设置在站厅层、站台层，火灾识别原理、监测点的具体布置均与真实地铁内部的报警系统一致。

在上述方案中，所述实验测量采集系统用于地铁灾害事故模拟实验中的多点、多功能的信号测量、采集和实时处理，包括空间温度场、压力场、流速场、浓度、可见度以及动态发展过程的视频采集与处理。

在上述方案中，所述数据分析系统用于进行实验数据的对比、分析、验证，并结合三维数值模拟分析，开展灾害事故后果的预测评估。

本发明服务于地铁工程建设、运营的需求，针对于现有技术中存在的缺点与不足，提出了以大比例尺、多层结构的地铁实验实体模型、火源系统、通风排烟系统、火灾探测报警系统、实验测量采集系统以及数据分析系统构成的实验台结构体系，开展地铁车站火灾蔓延、毒气泄漏扩散等灾害的实验模拟以及事故通风的实验研究，为地铁建设的工程设计、地铁运营的防灾减灾提供合理、正确的科学依据。

本发明的地铁灾害事故模拟实验系统平台具有以下突出的技术特点、技术创新和显著的技术效果：

(1)本实验系统平台可以模拟不同车站形式的地铁结构

站厅、站台、车站隧道均采用了模块化设计，实体模型整体可进行拆卸组合，例如：四层结构对应着深埋地铁车站，二层结构对应着浅埋地铁车站，站台层在上、站厅层在下的结构对应着高架地铁车站，车站隧道在站台两侧的结构对应着岛式地铁车站，车站隧道两侧分布着站台的结构对应着侧式地铁车站，站台与站厅间具有开放共享空间的结构对应着中厅式地铁车站。

(2)大比例尺的多功能地铁模型

基于适用于火灾动力学、烟气流动的相似准则系数的相似理论分析，确定了1∶5的大比例尺地铁实体实验模型，这是目前轨道交通领域开展火灾事故分析的最大的多功能地铁模型。同时，在此模型内部可以开展火蔓延与烟气扩散实验研究、通风排烟研究、有毒有害气体扩散研究等。

(3)模拟不同功率火灾热烟气的火源系统

这是整个实验台的核心部分之一，采用的燃气燃烧器可以通过调节气体流量达到控制燃烧功率的效果，以产生不同的火灾功率增长曲线，功率的设置基于不同火灾场景的相似性理论分析而确定，小型热烟发生箱放置于燃烧器炉头的侧翼，产生示踪烟气颗粒，通过注入火羽流加以混和卷吸，产生可观测的火灾热烟气，该系统产生的热烟气体毒性小、模拟真实，装置移动方便，火源功率易调节易控制，最为重要的是，火源系统的实验重复性好、成本低。

(4)通风排烟系统的自动控制性

各通风排烟子系统相对独立，可分别进行风量调节。各子系统由不同数目的风机组构成，采用风流量罩对每个风机的风量进行标定，以保证风量的准确，再通过变速调解器自动集中控制每个风机风量，使得每个风口的流量与实验规定值相符。系统的自动控制性与准确性给地铁内部事故通风的模拟提供了极大的便利，提高了系统的可操控性。

附图说明

图1为本发明模拟实验平台的地铁实验实体模型(二层)的站台平面图；

图2为本发明模拟实验平台的地铁实验实体模型(二层)的站厅平面图；

图3为本发明模拟实验平台的地铁实验实体模型(二层)的A-A剖面图；

图4为本发明模拟实验平台的火源系统的原理图；

图5为本发明模拟实验平台的实验测量采集系统的布置图(地铁模型的侧式角度)。

图中：

1.隧道               2.站台           3.轨顶通风排烟系统     4.轨底通风排烟系统

5.隧道通风排烟系统   6.屏蔽门         7.结构支撑柱           8、9.扶梯

10.设备房            11.站厅          12.出入口              13.夹层

14.站台公共区通风排烟系统             15.火源系统控制器      16.燃烧器气源连线

17.热烟发生箱        18.燃烧器炉头    19、20、21.温度测量探头

22、23、24、25、26.站台内速度、温度、压力、气体成分测量探头

27、28、29.站厅内速度、温度、压力、气体成分测量探头

30、31.隧道内视频采集摄像头          32、33.站台内视频采集摄像头

34.站厅内视频采集摄像头              35、36.模型外部视频采集摄像头

具体实施方式

本发明的地铁灾害事故模拟实验平台主要包括：地铁实验实体模型、以及布设在该实体模型中的火源系统、通风排烟系统、火灾探测报警系统、实验测量采集系统和数据分析系统。下面，将结合附图，对本发明的模拟实验平台的一个具体实施例做进一步详细的描述。

1、地铁实验实体模型

图1和图2是本发明模拟实验平台中的地铁实验实体模型(二层)的平面图，图3是本发明模拟实验平台中的地铁实验实体模型(二层)的剖面图。由于模型实体具有拆卸改装的灵活性，图1～3仅给出最常用的二层岛式地铁结构的示意图，示出了站厅层、站台层、楼扶梯、设备房、排烟/排风口、出入口的基本结构与分布，其它不同建筑结构形式的地铁车站则可以在此基础上进一步实现。

如图1～3所示，地铁实验实体模型是模拟灾害事故发生的三维限定空间，是一个长×宽×高为20m×4m×2.2m的二层结构(相似比例1∶5)，主体结构下部代表地下二层的站台层(长×宽×高为16m×2m×1m)，上部代表地下一层的站厅层(长×宽×高为17m×3.6m×1m)。站厅层通过4个出入口与外界相连通(一般设有直通地面的楼扶梯，由于对本实验平台的研究意义不大，因此出入口与外界连通的细节在平台中省略)，出入口尺寸1.5m×0.8m；站厅层与站台层之间通过两组(共四个)扶梯相连通，这也即是站台层与外界相连的唯一出入口，其单个扶梯开口连通部位的净空尺寸为0.6m×0.4m。在岛式站台的两侧分别是两段车站隧道(长×宽×高为20m×1m×1.1m)，隧道的地面位置低于站台的地面位置0.2m；本实验系统平台采用具有屏蔽门的闭式系统设计方案，车站沿站台边缘设有屏蔽门，使站台空间与区间隧道空间相互隔开，屏蔽门的长度与站台长度相同，屏蔽门总高为0.6m；设备房分别位于站台区域的两侧，尺寸为1.6m×1.2m×0.6m。站台层与站厅层除了上述的特定出入口外，可视为密闭结构；区间隧道的两端留有开口，开口高度与宽度可由设置的遮挡装置自动调节，以便使实验中的边界条件尽可能地与实际相符。用多层耐火板搭建列车模型，列车尺寸为14.4m×0.6m×0.6m，可以根据需要放置在隧道内，也可移出隧道，用于模拟地铁内部有车、无车的情形。

地铁实验实体模型主体由耐火砖、耐火板、耐火玻璃以及钢构件等建筑材料组成，其中模型地基采用耐火砖铺垫；站台区域的屏蔽门采用耐火玻璃和钢构件构成；站台与站厅中间的20cm夹层采用耐火板；区间隧道的围护结构采用耐火砖；设备房采用耐火板分割而成；站台、站厅的一些围护结构采用多层加厚耐火板。

2、通风排烟系统

本发明的通风排烟系统包括：站台公共区通风排烟子系统14、轨顶通风排烟子系统3、轨底通风排烟子系统4以及车站隧道通风排烟子系统5。这些子系统，在正常情况下做通风用，在事故情况下做排烟用，各通风排烟子系统相对独立，可分别进行风量调节。整个通风排烟系统总共由50台小风机(最大风量100m³/h)、4台大风机(最大风量1000m³/h)构成。在列车正常停车范围的车站隧道内，每侧设置15个轨顶排烟风口和15个轨底(在站台下)排烟风口，排烟风口尺寸为0.3m×0.4m，具体布置详见图1；车站两端设有隧道通风子系统，每端配置有互相备用的隧道风机2台，风口尺寸为0.8m×0.9m，具体布置详见图1；车站站台公共区域两侧各设有10个排烟风口，排烟风口尺寸为0.3m×0.2m，具体布置详见图3。

为了保障每个风口流量的均匀性与可控性，上述各子系统分布式布置风机，并通过变速调解器自动控制。采用风流量罩对风机风量进行标定。实验中，各子系统风机的总风量依据地铁原有设计以及模型相似性理论分析来确定。同时，可开展不同风量下的实验，从而指导防排烟优化方案的设计。

3、火源系统

参见图4，本发明的火源系统由燃气燃烧器、热烟发生箱17以及火源系统控制器15构成。燃气燃烧器通过电子调节仪实现燃气流量的精确控制，从而控制火源功率，产生满足实验所要求的特定功率分布，可较为真实地模拟地铁特定火灾场景的火源功率增长曲线，最大稳定功率可达500KW，实验中所采用的具体功率增长曲线可依据地铁原有设计以及模型相似比例分析来确定。燃气燃烧器的点火方式为电子自动点火，燃气主要采用天然气、液化石油气等燃烧较洁净的气体。燃烧器的燃烧炉头18移动方便，可根据需要任意放置。由于天然气、液化石油气在燃烧时发烟量很小，为了跟踪烟气的运动情况，需加入示踪烟气颗粒，热烟发生箱即是基于此目的而与燃烧炉头配合使用的，其参照澳大利亚热烟测试标准AS1391设计，具体结构见图4，尺寸为0.2m×0.2m×0.15m，热烟发生箱底部放置烟饼，其燃点很低，发烟效果良好，实验中用内置小电炉将其点燃，烟饼引燃发出大量的白烟，烟气聚集扩散至侧翼，通过侧翼喷口对着燃烧炉头的火羽流区喷放，羽流卷吸烟气并带着烟气颗粒运动从而实现烟气的示踪效果，因而，在火源的加热下，采用这种方式即形成了特定功率的热烟气，该烟气接近于真实火灾热烟气。本发明提出的火源系统可真实模拟实际火灾燃烧物，其优点在于：该火源功率可电子调节控制，功率增长曲线可重复；产生的热烟气体毒性小、模拟真实；火源系统的实验重复性好、成本低；系统装置移动方便，可根据实验需要，放置在地铁模型内部不同位置来模拟不同场景的火灾事故。

4、火灾探测报警系统

本发明的火灾探测报警系统用于进行地铁模型内部火灾的探测识别与报警，包括探测器和报警控制器两部分，在站厅层设置4个感烟探测器，在站台层设置4个感烟探测器，当模拟的火灾烟气浓度达到设定阈值时，产生的响应电压便驱动报警器，进而与防排烟系统联动。在实验中，可根据需要人为地适时关闭或启动火灾自动报警系统。

5、实验测量采集系统和数据分析系统

本发明的实验测量采集系统用于地铁灾害事故模拟实验中的多点、多方位、多参数、多功能的信号测量、采集和处理实验数据，实验主要测量隧道、站台、站厅以及疏散楼梯间的烟气温度、流速、压力、气体成分等，另外通过目测、摄像、感烟报警来确定烟气的蔓延情况，图5为实验测量系统的布置图。

温度传感器采用K型铠装热电偶，温度探头包括站台(包括楼扶梯开口处)、站厅、隧道内温度测量探头(见图5)。

速度测量采用热球风速仪以及双向压差皮托管，速度探头包括站台(包括楼扶梯开口处)、站厅、隧道内速度测量探头(见图5)。

空间压力的测量通过微压传感器进行，对不同建筑空间内的压力进行实时的测量(见图5)。

气体浓度如火灾环境中的CO、CO₂、O₂等气体成分，及毒气泄漏浓度，通过烟气分析仪和红外气体分析仪测量(见图5)。

实验过程中的图像通过分布式图像采集系统进行实时连续捕捉动态图像，由多点布置的CCD摄像系统进行现场图像捕捉，由分频多方位切换高清晰数字显示器进行后端显示。摄像头包括有：隧道内摄像头30、31，站台内摄像头32、33，站厅内摄像头34，地铁模型侧面摄像头35、36(见图5)。同时，可以根据实际需要灵活调整摄像头的具体位置。

由于实验中需要测量的信号类型多，传感器多点多方位布置，因此需要多通道采集系统进行信号采集，采集系统采用National Instruments的多通道采集仪器NI SCXI-1102。

本发明的数据分析系统用于对得到的实验数据进行分析，获得灾害事故的实验数据，并采用FDS、FLUENT等软件开展火灾流体动力学的三维数值模拟，结合实验数据的分析，对灾害事故后果进行合适的预测评估，提出有针对性的灾害放置措施，为地铁建设的工程设计、地铁运营的防灾减灾提供合理、准确的科学依据。

下面简述本发明的地铁灾害事故模拟实验平台的使用过程：(1)将火源系统的燃烧炉头和热烟发生箱(内有烟饼)放置于地铁模型内部需要进行灾害模拟的位置，例如站台、站厅、列车或隧道内；(2)根据火灾场景的设计以及相似性理论分析，设计实验火源功率增长曲线，以在实验中调整；(3)同样，根据地铁原有设计和相似性理论分析，对实验中通风排烟系统进行风量调节；(4)根据模式，设置屏蔽门打开方式(一侧开、两侧开、全关闭)；(5)根据需要，布置或移走列车模型；(6)根据需要，启动或关闭火灾自动报警系统；(7)开启实验测量采集系统，校验，标定；(8)实验开始，启动火源的电点火，排烟系统进入灾害模式，数据采集；(9)实验结束，结束采集，关闭燃烧器，开启实验环境排烟，处理、分析实验数据。

Claims (10)

1.一种地铁灾害事故模拟实验平台，包括地铁实验实体模型以及布设在该实体模型中的火源系统、通风排烟系统、火灾探测报警系统、实验测量采集系统和数据分析系统；其中：地铁实验实体模型为模拟地铁结构的大比例尺模型，用于模拟灾害事故发生的三维限定空间；火源系统用于产生火灾热烟气以模拟不同火灾场景；通风排烟系统用于模拟地铁正常模式和灾害模式下的通风和排烟；火灾探测报警系统用于进行地铁模型内部火灾的自动识别与报警；实验测量采集系统用于地铁灾害事故模拟实验中的数据测量、采集和处理；数据分析系统用于进行实验数据的对比、分析、验证以及事故后果的预测评估；其特征在于：

所述地铁实验实体模型是依据实际地铁的建筑结构采用相似性理论分析而建立的多层建筑结构，包含有车站隧道、站台、站厅、设备房等，车站隧道、站台、站厅均采用模块化设计，可根据需要对模型进行拆卸和组合；

所述火源系统包括燃气燃烧器、热烟发生箱和火源系统控制器，其火源功率和发烟量可以调节，以产生不同的火灾功率增长曲线，实验中采用的具体功率增长曲线依据地铁原有设计和模型相似比例分析而确定。

2.如权利要求1所述的地铁灾害事故模拟实验平台，其特征在于：所述地铁实验实体模型可以模拟具有不同车站形式的地铁结构，包括：具有四层结构的深埋地铁车站，或者具有二层结构的浅埋地铁车站，或者站台层在上而站厅层在下的高架地铁车站，或者车站隧道在站台两侧的岛式地铁车站，或者车站隧道两侧分布着站台的侧式地铁车站，或者站台与站厅间具有开放共享空间的中厅式地铁车站。

3.如权利要求1或2所述的地铁灾害事故模拟实验平台，其特征在于：所述地铁实验实体模型主体采用防火材料构建，并且在模型内部不同的考察位置设置有玻璃观测窗。

4.如权利要求1所述的地铁灾害事故模拟实验平台，其特征在于：所述火源系统的燃气燃烧器和热烟发生箱采用比例控制，并且火源系统是可移动的。

5.如权利要求1、2或4所述的地铁灾害事故模拟实验平台，其特征在于：所述火源系统包含有流量计，以控制燃烧器的气体流量从而控制气体火源的功率；所述燃烧器的燃烧炉头的火源侧翼放置有示踪烟气发生箱，所产生的热烟无毒。

6.如权利要求1、2或4所述的地铁灾害事故模拟实验平台，其特征在于：所述通风排烟系统包括站台公共区通风排烟子系统、轨顶通风排烟子系统、轨底通风排烟子系统和区间隧道通风排烟子系统，各通风排烟子系统相对独立，可分别进行风量调节，其各个风口的风量由模型相似性分析确定。

7.如权利要求6所述的地铁灾害事故模拟实验平台，其特征在于：所述通风排烟子系统各由不同数目的风机组构成，采用风流量罩对每个风机的风量进行标定，并通过变速调解器自动集中控制每个风机的风量，使每个风口的流量与实验规定值相符。

8.如权利要求1所述的地铁灾害事故模拟实验平台，其特征在于：所述地铁实验实体模型所采用的大比例尺为1∶5。

9.如权利要求1所述的地铁灾害事故模拟实验平台，其特征在于：所述地铁实验实体模型模型内布置有屏蔽门、楼扶梯和列车模型，所述屏蔽门沿车站站台边缘设置以使站台空间与区间隧道空间相互隔开，屏蔽门的长度与站台长度相同。

10.如权利要求1所述的地铁灾害事故模拟实验平台，其特征在于：所述实验测量采集系统为多通道采集系统，包括多点布置的测量探头和摄像头，用于对地铁灾害事故模拟实验中的空间温度场、压力场、流速场、气体浓度、可见度进行多点多功能的信号测量、采集和实时处理，以及进行动态发展过程的视频采集与处理。

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