CN205028570U - 一种公铁共用盾构隧道火灾通风排烟模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种公铁共用盾构隧道火灾通风排烟模拟实验装置，包括隧道半横向排烟控制和优化系统、模拟火源系统、多特征参数测量系统、火灾探测系统和细水雾灭火系统；由模拟火源系统模拟火源及其发生位置，由火灾探测系统感知火灾的发生及发出报警信号，由多特征参数测量系统获得火灾的多特征参数，由隧道半横向排烟控制和优化系统对隧道火灾进行排烟处理，由细水雾灭火系统对火灾火势进行控制。本实用新型能模拟真实公铁共用隧道内发生火灾情况，提供烟气控制和优化、复杂情况下隧道火灾探测、火灾扑救控制及一氧化碳分布演化规律等全面系统研究的模拟实验台，从而为真实该类型隧道发生火灾进行人员疏散设计提供更好的实施方案。

Description

一种公铁共用盾构隧道火灾通风排烟模拟实验装置

技术领域

本实用新型涉及公铁共用盾构隧道火灾安全领域，具体涉及一种公铁共用盾构隧道火灾通风排烟模拟实验装置。

背景技术

随着经济社会的快速发展，涌现出一大批长大隧道和各种大断面隧道，如上海复兴路隧道、军工路隧道等大断面双层隧道，与此同时兴起的是一种公铁共用盾构水下隧道，上层走汽车，下层走轻轨或地铁列车，给交通带来了极大便利。近年来隧道火灾事故频繁发生，造成了重大伤亡和财产损失。隧道火灾、烟气控制、火灾探测和灭火控制研究成为人们关心的焦点，通过模拟实验来研究隧道内火灾状况下的烟气蔓延和控制规律，用来指导隧道火灾烟气排烟控制模式的有效选择，对于保障隧道运营安全以及最重要的人员生命安全具有重要科学意义。

由于公铁共用盾构隧道结构相比于常规隧道的特殊性及巨大的长宽比特征，人们对这种特殊隧道发生火灾时烟气的蔓延和控制规律缺乏深入了解，急需建立相关试验平台展开研究，现有的大尺度隧道火灾数值模拟仿真存在一定的误差，而建造全断面或者大断面的隧道火灾实验平台是比较耗费财力和代价的，同时实验边界条件也难以精确控制。因此，小尺寸的公铁共用隧道烟气模拟试验平台在针对隧道火灾的研究方法中显得尤为重要且被广泛应用。

然而，目前研究中的小尺寸隧道火灾模拟实验平台普遍存在以下重要的缺陷：

(1)没有针对大断面双层盾构隧道烟气蔓延的控制的实验平台，例如，对比文件CN203978442U仅仅提供了一种适用于采用明挖法或明挖法与其他工法结合修建的公铁合建水下隧道的线路布置方式，不涉及盾构隧道烟气蔓延实验平台。同时对比文件CN103670437A只对公铁合建盾构隧道的疏散通道布置结构做了说明，未对该类型隧道火灾通风排烟、排烟优化实验做具体介绍，更为重要的是，目前针对公铁共用双层盾构隧道的火灾烟气流动及其特征参数分布、火灾控制技术有效性的研究还几乎是空白，也还未见相关专门的试验研究平台，科学人员对此还缺乏相关的认识。如果不能合理排烟控制优化，会造成很大资源浪费。

(2)隧道断面尺寸有限并且存在一定缺陷。目前国内外隧道火灾实验台的长度大都在20m之内，横断面也比较狭小，和实际隧道有一定差异，很难扑捉到一些隧道火灾特征参数。在对比文件CN101726370B中，其隧道长度为60多米，但其隧道断面是方形的，隧道方形顶部会忽略弧形顶部所带来的烟气集聚作用会对烟气层特征参数分布造成重要影响。

(3)行车道火灾探测局限性。传统的隧道早期火灾探测未综合考虑车辆堵塞限制这一特殊边界条件，不能对其限制作用及该条件下的隧道火灾烟气输运和探测进行描述。

(4)隧道模拟火源不可控。传统的隧道火源模拟，采用油池火较常见，其火源功率不易调节控制，而火源功率的确定对隧道火灾动力学规律的研究具有重要作用。

实用新型内容

本实用新型为解决现有技术中的不足之处，提供一种公铁共用双层盾构隧道火灾通风排烟模拟实验装置，以期能模拟真实公铁共用隧道内发生火灾情况，提供烟气控制和优化、复杂情况下隧道火灾探测、火灾扑救控制及一氧化碳分布演化规律等全面系统研究的模拟实验台，从而为真实该类型隧道发生火灾进行人员疏散设计提供更好的实施方案；对采用公铁共用双层盾构隧道系统的火灾通风排烟控制、探测与扑救控制系统设计研究具有重要的应用前景和实际指导意义。

为了达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：

本实用新型一种基于公铁共用双层盾构隧道系统的火灾通风排烟实验模拟装置，所述公铁共用双层盾构隧道分为两层结构，上层结构包括汽车车道，下层结构包括地铁车道；其特点是，所述实验模拟装置包括隧道半横向排烟控制和优化系统、模拟火源系统、多特征参数测量系统、火灾探测系统和细水雾灭火系统；

在所述汽车车道一侧的扇形空间内设置逃生通道；并在所述汽车车道内设置障碍物；在所述地铁车道一侧的扇形空间内设置逃生楼梯；所述逃生楼梯与所述逃生通道相连通；

所述隧道半横向排烟控制和优化系统，包括上层集中排烟通道、下层排烟通道、上层排烟口、下层排烟口和风洞装置；

所述上层排烟通道设置在所述汽车车道的上方空间内，并通过顶隔板与所述汽车车道隔开；并通过所述上层排烟口将所述上层集中排烟通道内的烟雾向上排出；

所述下层排烟通道设置在所述地铁车道另一侧的扇形空间内；并通过所述下层排烟口将所述下层排烟通道内的烟雾向外侧排出；

所述风洞装置设置在所述双层盾构隧道一端，用于提供风源，并通过风速仪探头获得所述风源的风速；

所述模拟火源系统，包括燃烧器控制燃料流量的质量流量计、燃料气瓶和滑动小车组成；由所述质量流量计控制所述燃料气瓶的气源大小并流向所述燃烧器，形成模拟火源，并通过所述滑动小车模拟火灾发生位置；

所述多特征参数测量系统，包含火灾烟气温度测量装置、一氧化碳浓度测量装置和烟气流速测量装置；所述火灾烟气温度测量装置、所述一氧化碳浓度测量装置和所述烟气流速测量装置分别交错设置在所述顶隔板的下方中间位置处，用于采集多特征参数，所述多特征参数包括：烟雾的竖向温度和纵向温度、采集一氧化碳浓度，以及烟气流速和空气流速；

所述火灾探测系统，包括光纤光栅探测器和隧道专用火灾探测器；所述隧道专用火灾探测器设置在所述顶隔板的中间位置处，用于探测火灾的发生并发出报警信号；所述光纤光栅探测器设置在所述顶隔板的两侧位置处，也用于探测火灾的发生并发出报警信号；

所述细水雾灭火系统，包括：细水雾喷头、控制阀组和水泵；所述细水雾喷头分别设置在所述汽车车道和地铁车道的两侧，用于控制所述双层盾构隧道内的火灾；

所述模拟实验装置是由所述模拟火源系统模拟火源及其发生位置，由所述火灾探测系统感知火灾的发生及发出报警信号，由所述多特征参数测量系统获得火灾的多特征参数，由所述隧道半横向排烟控制和优化系统对隧道火灾进行排烟处理，由所述细水雾灭火系统对火灾火势进行控制。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果体现在：

1、在实验模型尺度方面，本实用新型实验按照1:6尺度设计，隧道断面的面积为19.625m²，模拟隧道长度长50m。是目前第一个针对公铁共用圆形盾构隧道排烟控制和优化、火灾探测、灭火等系统进行研究的全方面试验装置，该模拟装置操作方便，安全可靠，既仿真了火灾发生时隧道内各个系统的相互协调与帮助，又可以通过实验结果分析问题并对灭火救援实际情况给出科学应对策略，从而为真实隧道发生火灾进行人员疏散提供更好的实施方案。

2、在火灾烟气蔓延模拟实验方面，本实用新型试验系统通过真实模拟火灾烟气在隧道内蔓延扩散过程，实时记录烟气流动扩散过程中各个相关参数演化特征；在整体上充分发挥了公铁共用盾构隧道的结构特点，利用合理的排烟技术措施且经济性较好，克服了现有很多利用隧道空间不合理的问题，能有效服务于公铁共用盾构隧道的排烟控制、火灾探测和灭火需要；同时在此种公铁共用盾构隧道排烟模式下，利用现有隧道上层空间形成了独立的排烟通道，隧道地铁车道也有专门的半横向排烟通道，有效控制了隧道上下层的火灾烟气，既节省隧道断面空间，提高了火灾烟气控制效果。为真实隧道中排烟提供了很好的参考方案，为逃生人员逃生创造更有利的条件。

3、在隧道火灾监测方面，本实用新型利用通用的光纤光栅探测器和隧道专用火灾探测器装置，并且设置障碍物(模拟不同大型车辆阻塞效应)在隧道汽车车道内，地铁车道设置了线性光纤感温火灾探测器；测量不同纵向风速作用下隧道火灾烟气温度场的发展规律及隧道监测系统中的能见度、CO浓度指标的增长特性，研究隧道内不同纵向风速作用和障碍物设置下对火灾探测器的影响研究，综合火灾探测器的在恶劣条件下响应特性及适用技术条件，对其阈值、判别算法进行改进，发展优化组合的公铁共用盾构隧道火灾复合探测方法，弥补了传统行车道火灾探测局限性问题，给公铁共用盾构隧道火灾复合探测性能带来了的显著效果。

4、在模拟火源设置方面，本实用新型采用气体燃料，设置了专门的质量流量及压力表，可以连续调节燃料流量，增加了对隧道火灾燃烧过程的控制，在试验结束或出现火势失控等意外情况下能够及时的关停火源，避免事故的发生，是一种更具有安全性的火源模拟装置。

5、本模拟实验装置对我国改进公铁共用盾构隧道排烟控制方式，提高该类型隧道火灾探测和灭火救援能力具有重要指导意义；综合考虑了车辆堵塞限制效应，可为纵向风作用下车辆堵塞对隧道早期火灾探测的影响规律，对原有的隧道火灾探测系统进行优化，提出更为合理、准确的隧道火灾探测方法；对于保障隧道内人员生命安全，具有参考价值；因此，公铁共用双层盾构隧道火灾情况下火灾探测实验系统，隧道半横向排烟控制和优化系统、多特征参数测量系统、火灾探测系统以及细水雾灭火系统，适用于公铁共建大断面隧道火灾烟气控制和灭火实验研究。

附图说明

图1本为本实用新型隧道横截面图；

图2为本实用新型楼梯间示意图；

图3a为本实用新型上层车道排烟设施俯视图；

图3b为本实用新型隧道纵剖面排烟局部示意图；

图3c为本实用新型排烟系统的横截面简图；

图3d为本实用新型实验装置外部侧视图；

图4为本实用新型模拟火源系统；

图5为本实用新型火灾探测系统立体效果图；

图6为本实用新型特征参数测量系统；

图7a为本实用新型细水雾灭火系统图；

图7b为本实用新型细水雾灭火装置俯视图。

图中标号：1上层集中排烟通道；2隧道专用火灾探测器；3通用线性光纤感温火灾探测器；4细水雾喷头；5上层逃生门；6下层逃生门；7逃生通道；8地铁车道；9汽车车道；10下层排烟通道；11线缆通道；12模拟供水管通道；13下层排烟口；14上层排烟口；15逃生楼梯；16列车轨道；17自动排烟防火阀；18风洞装置；19上层排烟出口管；20下层排烟出口管；21轴流风机；22风幕机；23压力表；24燃烧器；25顶隔板；26滑动小车；27质量流量计；28燃料气瓶；29风速仪探头；30火灾烟气温度测量装置；31一氧化碳浓度测量装置；32烟气流速测量装置；33障碍物；34排空阀；35减压阀；36高压氮气罐；37储水罐；38进水阀；39出水阀；40疏散平台；41侧向平台。

具体实施方式

本实施例中，如图1所示，一种基于公铁共用双层盾构隧道系统的火灾通风排烟实验模拟装置中的公铁共用双层盾构隧道分为两层结构，上层结构包括汽车车道9，下层结构包括地铁车道8；并按照1:6的比例进行制造，隧道断面的面积为19.625m²，模拟隧道长度长50m。隧道框架使用不锈钢钢板焊接而成，同时在隧道内壁和行车道表面都铺设防火板。该模拟隧道上层汽车车道9有三个车道位，宽度2.2m。下层地铁隧道宽度约0.8m。

实验模拟装置包括隧道半横向排烟控制和优化系统、模拟火源系统、多特征参数测量系统、火灾探测系统和细水雾灭火系统；同时在汽车车道9一侧的扇形空间内设置逃生通道7；并在汽车车道9内设置障碍物33；障碍物33是由30cm×30cm、25cm×40cm等尺寸大小不同不锈钢金属材质组成的；在地铁车道8一侧的扇形空间内设置逃生门6、连接上下层的逃生楼梯15、疏散平台40和侧向平台41；逃生楼梯15与逃生通道7相连通，本实施例中，如图2所示，在地铁车道8上地铁乘客通过侧向平台41，侧向平台有5mm厚不锈钢钢板构成，沿着隧道纵向方向布置，地铁乘客经由下层逃生门6进入疏散平台40上，逃生门6采用防火门建造，在逃生门的上方各安装一个风幕机22，控制火灾烟气进入相邻隧道层，模拟逃生楼梯分为两段，两段楼梯高度之和略低于上下层车道高度，上层0.2m、下层0.25m，楼梯也是采用不锈钢板构成。在上层汽车车道9发生火灾事故时，乘客通过上层逃生门5进入疏散通道7，进而通过疏散楼梯15疏散到隧道下层疏散平台40上。

本实施例中，如图3a、图3b所示，隧道半横向排烟控制和优化系统，包括上层集中排烟通道1、下层排烟通道10、上层排烟口14、下层排烟口13和风洞装置18；两台轴流通风机呈上下组合的简易的风洞系统18安装于隧道一端，它产生的风流通过紧邻风机的一段由蜂窝层结构组成蜂窝整流段到达隧道内部，形成稳定风速。其中轴流通风机叶轮直径700mm，转速可达到1450r/min，最大风量达到26000m³/h。风洞装置18设置在双层盾构隧道一端，用于提供风源，并通过风速仪探头29获得风源的风速；测风速探头29分别设置在模拟隧道的起始段和中间段，共2串，每串3个，高度0.5m；用来测量隧道内风速在隧道发生火灾情况下，排烟风机将火灾烟气通过排烟口抽入专用排烟通道后排出。可通过耦合控制行车道纵向风速、排烟风量和排烟口组合，实现公铁共用双层盾构隧道火灾排烟效率优化研究。

如图3c所示，上层集中排烟通道1设置在汽车车道9的上方空间内，并通过5mm厚顶隔板25与汽车车道9隔开；在模拟隧道内每隔5m设置0.25m高×0.3m长的上层排烟口14并通过上层排烟口14将上层集中排烟通道1内的烟雾经由高度0.8m、半径0.3m的圆形不锈钢材质的上层排烟出口管19向上排出；

如图3d所示，侧壁上端距路面垂直距离0.6m，下层排烟通道10每隔5m设置在地铁车道8另一侧的扇形空间内；尺寸0.2m长×0.3m宽；并通过下层排烟口13将下层排烟通道10内的烟雾经由高度0.8m、半径0.3m的圆形不锈钢材质的下层排烟出口管20向外侧排出；该独立矩形排烟通道仅为下层隧道火灾烟气排烟控制使用；独立矩形排烟通道旁边的线缆通道11和城市市政供水的模拟供水管通道12，面积一共约为0.28m²，约占双层隧道限界内断面面积的6.5％，光缆从隧道底部光纤接续盒到侧面的线缆通道11，线缆盒采取镀锌保护。

如果隧道汽车车道9发生火灾，采用顶部集中排烟控制模式，集中排烟口设置在上层隧道的顶部，每隔一定距离设置一个排烟口。下层地铁隧道火灾烟气采用半横向排烟模式，排烟口每隔一定距离设置在侧壁上端，隧道火灾烟气会受到排烟风机的抽吸作用，使得火灾烟气进入专用排烟管道输运到隧道外部。上层排烟口14和下层排烟口13上安装有自动排烟防火阀，同时根据实验需要对排烟口设置间距和数量进行调整，便于优化排烟效率。

本实施例中，如图4所示，模拟火源系统，包括装有均匀粗颗粒、细颗粒沙的燃烧器24、控制燃料流量的质量流量计27、燃料气瓶28和高0.3m，宽度1m滑动小车26组成；由质量流量计27控制燃料气瓶28的气源大小并流向燃烧器，形成模拟火源，并通过滑动小车26模拟火灾发生位置；

燃料通过燃气瓶28流出，经过事先标定好的燃气质量流量计27，进入燃烧器24，该燃烧器24下层铺有粗颗粒沙，上层铺有细颗粒沙。燃气均匀从燃烧器24上部扩散流出，形成扩散燃烧火焰。燃烧器24放置在小车上方。小车可在宽度1米隧道行车道轨道上滑行，可模拟隧道不同隧道处发生火灾事故情况。

本实施例中，如图5所示，火灾探测系统，包括光纤光栅探测器3和隧道专用火灾探测器2；隧道专用火灾探测器2设置在顶隔板25的中间位置处，用于探测火灾的发生并发出报警信号；光纤光栅探测器3设置在顶隔板25的两侧位置处，也用于探测火灾的发生并发出报警信号；在隧道中间的试验段每隔3.4m在上层每个车道的正上方都装一个检测器。其中左右两个车道的装置通用线性光纤感温火灾探测器，中间车道装置隧道专用火灾探测器。通用线性光纤感温火灾探测器3距离汽车车道9顶部8cm，隧道专用火灾探测器距离汽车车道9顶部10cm。并且在模拟装置中放置有大小不同、高低不均匀的障碍物，通过控制行车道纵向风速，集合上述的特征参数测量系统，测量不同纵向风速作用下隧道火灾烟气温度场的发展规律和一氧化碳浓度指标的增长特性，研究隧道内不同纵向风速作用下，对比有无障碍物来测量障碍物对火灾探测器的影响，以及光纤光栅探测器和隧道专用火灾探测器的响应特性及适用技术条件，对其阈值、判别算法进行改进，发展优化组合的公铁共用盾构隧道火灾复合探测方法，服务于公铁共用盾构隧道火灾的早期防治。

本实施例中，如图6所示，多特征参数测量系统，包含火灾烟气温度测量装置30、一氧化碳浓度测量装置31和烟气流速测量装置32；火灾烟气温度测量系统有多串热电偶树组成，热电偶树采用K型铠装热电偶，直径为1mm共5串，每串8个，之间相隔9m，每一串的热电偶高度是0.6m，用来测量烟气竖向分层和烟气温度纵向衰减特性；同时利用测量一氧化碳浓度探头测量一氧化碳的探头测量隧道内一氧化碳浓度指标的衰减特征；测量CO浓度探头31共2串，每串4个，相隔20m，每串高度0.4m。火灾烟气温度测量装置30、一氧化碳浓度测量装置31和烟气流速测量装置32分别交错设置在顶隔板25的中间位置处，其中烟气流速测量装置皮托管一共2串，每串4个，相隔9m，高度0.4m，用于采集多特征参数。多特征参数包括：烟雾的竖向温度和纵向温度、采集一氧化碳浓度，以及烟气流速和空气流速；烟气流速测量系统，可利用皮托管可测量火灾烟气稳态情况下烟气蔓延速率和烟气层下层冷空气流速，进而实现烟气卷吸下层冷空气速率的计算。

本实施例中，如图7a、图7b所示，细水雾灭火系统，包括：细水雾喷头4、控制阀组和水泵；细水雾喷头4分别设置在汽车车道9和地铁车道8的两侧，用于控制双层盾构隧道内的火灾；

模拟汽车车道9两侧的细水雾喷头相连的管道，控制阀组和水泵。细水雾灭火装置主要是在上下层隧道中间试验段每隔0.8米或1米或1.2米或1.4米设置一个细水雾喷头，可用于研究不同细水雾压力和设置间距情况下控制火灾烟气效果。

实验模拟装置是由模拟火源系统模拟火源及其发生位置，由火灾探测系统获得火灾发生的报警信号，由多特征参数测量系统获得火灾的多特征参数，由隧道半横向排烟控制和优化系统对火灾进行排烟处理，由细水雾灭火系统对火灾火势进行控制，从而可以完善传统隧道火灾烟气在该特殊边界下的不足；综合考虑车辆堵塞限制效应，可为纵向风作用下车辆堵塞对隧道早期火灾探测的影响规律，对原有的隧道火灾探测系统进行优化，提出更为合理、准确的隧道火灾探测方法。对于保障隧道内人员生命安全，具有参考价值。

Claims (1)

1.一种公铁共用盾构隧道火灾通风排烟模拟实验装置，所述公铁共用双层盾构隧道分为两层结构，上层结构包括汽车车道(9)，下层结构包括地铁车道(8)；其特征是，所述实验模拟装置包括隧道半横向排烟控制和优化系统、模拟火源系统、多特征参数测量系统、火灾探测系统和细水雾灭火系统；

在所述汽车车道(9)一侧的扇形空间内设置逃生通道(7)；并在所述汽车车道(9)内设置障碍物(33)；在所述地铁车道(8)一侧的扇形空间内设置逃生楼梯(15)；所述逃生楼梯(15)与所述逃生通道(7)相连通；

所述隧道半横向排烟控制和优化系统，包括上层集中排烟通道(1)、下层排烟通道(10)、上层排烟口(14)、下层排烟口(13)和风洞装置(18)；

所述上层排烟通道(1)设置在所述汽车车道(9)的上方空间内，并通过顶隔板(25)与所述汽车车道(9)隔开；并通过所述上层排烟口(14)将所述上层集中排烟通道(1)内的烟雾向上排出；

所述下层排烟通道(10)设置在所述地铁车道(8)另一侧的扇形空间内；并通过所述下层排烟口(13)将所述下层排烟通道(10)内的烟雾向外侧排出；

所述风洞装置(18)设置在所述双层盾构隧道一端，用于提供风源，并通过风速仪探头(29)获得所述风源的风速；

所述模拟火源系统，包括燃烧器(24)控制燃料流量的质量流量计(27)、燃料气瓶(28)和滑动小车(26)组成；由所述质量流量计(27)控制所述燃料气瓶(28)的气源大小并流向所述燃烧器(24)，形成模拟火源，并通过所述滑动小车(26)模拟火灾发生位置；

所述多特征参数测量系统，包含火灾烟气温度测量装置(30)、一氧化碳浓度测量装置(31)和烟气流速测量装置(32)；所述火灾烟气温度测量装置(30)、所述一氧化碳浓度测量装置(31)和所述烟气流速测量装置(32)分别交错设置在所述顶隔板(25)的下方中间位置处，用于采集多特征参数，所述多特征参数包括：烟雾的竖向温度和纵向温度、采集一氧化碳浓度，以及烟气流速和空气流速；

所述火灾探测系统，包括光纤光栅探测器(3)和隧道专用火灾探测器(2)；所述隧道专用火灾探测器(2)设置在所述顶隔板(25)的中间位置处，用于探测火灾的发生并发出报警信号；所述光纤光栅探测器(3)设置在所述顶隔板(25)的两侧位置处，也用于探测火灾的发生并发出报警信号；

所述细水雾灭火系统，包括：细水雾喷头(4)、控制阀组和水泵；所述细水雾喷头(4)分别设置在所述汽车车道(9)和地铁车道(8)的两侧，用于控制所述双层盾构隧道内的火灾；

所述模拟实验装置是由所述模拟火源系统模拟火源及其发生位置，由所述火灾探测系统感知火灾的发生及发出报警信号，由所述多特征参数测量系统获得火灾的多特征参数，由所述隧道半横向排烟控制和优化系统对隧道火灾进行排烟处理，由所述细水雾灭火系统对火灾火势进行控制。