專利名稱：地鐵災害事故模擬實驗平臺的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種對地鐵車站火災蔓延、毒氣擴散等事故進行實驗研究的設備，具體是一種地鐵災害事故模擬實驗平臺。
背景技術：
針對于特定空間內的災害事故，若采用全尺寸的實體模型進行實驗研究，則存在一定的困難，而采用一定比例尺的模擬實驗模型來開展研究是一種必要、科學、經濟而又切實可行的手段，現有的國內外大多數的模擬實驗系統平臺都是基于尺度模擬技術，結合特定的需求而設計研制的。例如，在建筑物內火災事故研究方面，Thomas等人采用1/10縮小尺寸模型來研究大空間建筑內的煙氣蔓延現象，Morgan采用1/10縮小尺寸的商場和中庭式大空間模型研究中廳火災煙氣控制規律，W.K.Chow在1/7比例尺內的中廳建筑模型內對火災煙氣流動特點進行了模擬研究。在地下工程方面，中國礦業大學研制了2000×2030×2030mm三維加載的地下工程實驗系統模擬箱，可以對地鐵工程、隧道及地下洞室工程、基礎工程、特殊地下施工方法、邊坡工程、擋土結構等地下工程進行模擬實驗；北京交通大學建立了國內唯一的雙層地下工程實驗隧道，進行工程的現場動靜力測試和監測的實驗研究；北京工業大學采用1∶42的小比例尺地鐵模型開展地鐵洞內氣流組織及傳熱效應的研究。然而，現有的模擬實驗系統平臺的適用對象和適用功能都較為單一，僅能滿足某類工程的特定需求；或者是模型比例尺過小，在實驗研究中會帶來較大的相似性誤差，無法滿足災害事故模擬實驗深入研究的需要。
目前，國內尚無地鐵車站實驗模型平臺用于模擬地鐵火災煙氣蔓延及毒氣泄漏擴散等的實驗研究，因此，如何針對于地鐵火災等災害事故，建立多功能大比例尺的實驗系統平臺，開展地鐵空間火災蔓延、毒氣泄漏擴散等的實驗模擬以及事故通風的實驗研究，是城市軌道交通領域迫切需要解決的一個問題。
發明內容
本發明的目的在于解決上述問題，提供一種可以對地鐵車站火災、毒氣擴散等災害事故的發生發展機理、控制與防治技術進行實驗研究的地鐵災害事故模擬實驗平臺。
為此，本發明提出如下技術方案
本發明的地鐵災害事故模擬實驗平臺總體上包括地鐵實驗實體模型、火源系統、通風排煙系統、火災探測報警系統、實驗測量采集系統以及數據分析系統。其中，地鐵實驗實體模型是真實再現地鐵結構的大比例尺模型，是模擬災害事故發生的三維限定空間；火源系統用于模擬不同的火災場景，產生接近于真實的火災熱煙氣；通風排煙系統用于模擬地鐵正常模式和災害模式下的通風排煙；火災探測報警系統用于進行地鐵模型內部火災的自動識別與報警；實驗測量采集系統用于地鐵災害事故模擬實驗中的數據測量、采集和處理；數據分析系統用于進行實驗數據的對比、分析、驗證以及事故后果的預測評估。
在上述方案中，所述地鐵實驗實體模型依據實際地鐵建筑結構，采用相似性理論分析，建立的大比例尺模型，模型主體采用防火材料構建而成，是包含車站隧道、站臺、站廳、設備房等空間的多層建筑結構。模型內部布置有屏蔽門、樓扶梯、列車模型等結構設施。在模型內部設置有多處玻璃觀察窗，方便于實驗進程的實時觀測。站廳、站臺、兩側車站隧道均采用模塊化設計，依據需要可以對模型整體進行拆卸組合，因而，具有多層建筑結構的模型裝置可以模擬地下深埋、地下淺埋、高架、島式、側式、中廳式等不同建筑形式的地鐵車站。
在上述方案中，所述火源系統由采用比例控制的燃氣燃燒器以及熱煙發生箱構成，其功率和發煙量由模型相似性分析確定。通過流量計控制燃燒器氣體的流量，從而控制氣體火源的功率；燃燒爐頭火源側翼放置示蹤煙氣發生箱，示蹤煙氣注入火羽流加以混和卷吸，產生接近于真實的火災熱煙氣，與常規火災實驗采用的真實燃燒物體不同，該系統用無毒的熱煙代替了有毒有害的火災煙氣。火源系統移動方便，根據實驗需要，可放置在地鐵模型內部不同位置，模擬地鐵內不同場所的火災事故。
在上述方案中，所述通風排煙系統包括站臺公共區通風排煙子系統、軌頂通風排煙子系統、軌底通風排煙子系統以及區間隧道通風排煙子系統，各通風排煙子系統相對獨立，可以分別進行風量調節，各個風口的風量由模型相似分析確定。
在上述方案中，所述火災探測報警系統用于進行地鐵模型內部火災的探測識別與報警，設置在站廳層、站臺層，火災識別原理、監測點的具體布置均與真實地鐵內部的報警系統一致。
在上述方案中，所述實驗測量采集系統用于地鐵災害事故模擬實驗中的多點、多功能的信號測量、采集和實時處理，包括空間溫度場、壓力場、流速場、濃度、可見度以及動態發展過程的視頻采集與處理。
在上述方案中，所述數據分析系統用于進行實驗數據的對比、分析、驗證，并結合三維數值模擬分析，開展災害事故后果的預測評估。
本發明服務于地鐵工程建設、運營的需求，針對于現有技術中存在的缺點與不足，提出了以大比例尺、多層結構的地鐵實驗實體模型、火源系統、通風排煙系統、火災探測報警系統、實驗測量采集系統以及數據分析系統構成的實驗臺結構體系，開展地鐵車站火災蔓延、毒氣泄漏擴散等災害的實驗模擬以及事故通風的實驗研究，為地鐵建設的工程設計、地鐵運營的防災減災提供合理、正確的科學依據。
本發明的地鐵災害事故模擬實驗系統平臺具有以下突出的技術特點、技術創新和顯著的技術效果(1)本實驗系統平臺可以模擬不同車站形式的地鐵結構站廳、站臺、車站隧道均采用了模塊化設計，實體模型整體可進行拆卸組合，例如四層結構對應著深埋地鐵車站，二層結構對應著淺埋地鐵車站，站臺層在上、站廳層在下的結構對應著高架地鐵車站，車站隧道在站臺兩側的結構對應著島式地鐵車站，車站隧道兩側分布著站臺的結構對應著側式地鐵車站，站臺與站廳間具有開放共享空間的結構對應著中廳式地鐵車站。
(2)大比例尺的多功能地鐵模型基于適用于火災動力學、煙氣流動的相似準則系數的相似理論分析，確定了1∶5的大比例尺地鐵實體實驗模型，這是目前軌道交通領域開展火災事故分析的最大的多功能地鐵模型。同時，在此模型內部可以開展火蔓延與煙氣擴散實驗研究、通風排煙研究、有毒有害氣體擴散研究等。
(3)模擬不同功率火災熱煙氣的火源系統這是整個實驗臺的核心部分之一，采用的燃氣燃燒器可以通過調節氣體流量達到控制燃燒功率的效果，以產生不同的火災功率增長曲線，功率的設置基于不同火災場景的相似性理論分析而確定，小型熱煙發生箱放置于燃燒器爐頭的側翼，產生示蹤煙氣顆粒，通過注入火羽流加以混和卷吸，產生可觀測的火災熱煙氣，該系統產生的熱煙氣體毒性小、模擬真實，裝置移動方便，火源功率易調節易控制，最為重要的是，火源系統的實驗重復性好、成本低。
(4)通風排煙系統的自動控制性各通風排煙子系統相對獨立，可分別進行風量調節。各子系統由不同數目的風機組構成，采用風流量罩對每個風機的風量進行標定，以保證風量的準確，再通過變速調解器自動集中控制每個風機風量，使得每個風口的流量與實驗規定值相符。系統的自動控制性與準確性給地鐵內部事故通風的模擬提供了極大的便利，提高了系統的可操控性。
圖1為本發明模擬實驗平臺的地鐵實驗實體模型(二層)的站臺平面圖；圖2為本發明模擬實驗平臺的地鐵實驗實體模型(二層)的站廳平面圖；圖3為本發明模擬實驗平臺的地鐵實驗實體模型(二層)的A-A剖面圖；圖4為本發明模擬實驗平臺的火源系統的原理圖；圖5為本發明模擬實驗平臺的實驗測量采集系統的布置圖(地鐵模型的側式角度)。
圖中1.隧道 2.站臺 3.軌頂通風排煙系統 4.軌底通風排煙系統5.隧道通風排煙系統 6.屏蔽門 7.結構支撐柱 8、9.扶梯10.設備房11.站廳 12.出入口 13.夾層14.站臺公共區通風排煙系統 15.火源系統控制器 16.燃燒器氣源連線17.熱煙發生箱18.燃燒器爐頭19、20、21.溫度測量探頭22、23、24、25、26.站臺內速度、溫度、壓力、氣體成分測量探頭27、28、29.站廳內速度、溫度、壓力、氣體成分測量探頭30、31.隧道內視頻采集攝像頭 32、33.站臺內視頻采集攝像頭34.站廳內視頻采集攝像頭 35、36.模型外部視頻采集攝像頭具體實施方式
本發明的地鐵災害事故模擬實驗平臺主要包括地鐵實驗實體模型、以及布設在該實體模型中的火源系統、通風排煙系統、火災探測報警系統、實驗測量采集系統和數據分析系統。下面，將結合附圖，對本發明的模擬實驗平臺的一個具體實施例做進一步詳細的描述。
1、地鐵實驗實體模型圖1和圖2是本發明模擬實驗平臺中的地鐵實驗實體模型(二層)的平面圖，圖3是本發明模擬實驗平臺中的地鐵實驗實體模型(二層)的剖面圖。由于模型實體具有拆卸改裝的靈活性，圖1～3僅給出最常用的二層島式地鐵結構的示意圖，示出了站廳層、站臺層、樓扶梯、設備房、排煙/排風口、出入口的基本結構與分布，其它不同建筑結構形式的地鐵車站則可以在此基礎上進一步實現。
如圖1～3所示，地鐵實驗實體模型是模擬災害事故發生的三維限定空間，是一個長×寬×高為20m×4m×2.2m的二層結構(相似比例1∶5)，主體結構下部代表地下二層的站臺層(長×寬×高為16m×2m×1m)，上部代表地下一層的站廳層(長×寬×高為17m×3.6m×1m)。站廳層通過4個出入口與外界相連通(一般設有直通地面的樓扶梯，由于對本實驗平臺的研究意義不大，因此出入口與外界連通的細節在平臺中省略)，出入口尺寸1.5m×0.8m；站廳層與站臺層之間通過兩組(共四個)扶梯相連通，這也即是站臺層與外界相連的唯一出入口，其單個扶梯開口連通部位的凈空尺寸為0.6m×0.4m。在島式站臺的兩側分別是兩段車站隧道(長×寬×高為20m×1m×1.1m)，隧道的地面位置低于站臺的地面位置0.2m；本實驗系統平臺采用具有屏蔽門的閉式系統設計方案，車站沿站臺邊緣設有屏蔽門，使站臺空間與區間隧道空間相互隔開，屏蔽門的長度與站臺長度相同，屏蔽門總高為0.6m；設備房分別位于站臺區域的兩側，尺寸為1.6m×1.2m×0.6m。站臺層與站廳層除了上述的特定出入口外，可視為密閉結構；區間隧道的兩端留有開口，開口高度與寬度可由設置的遮擋裝置自動調節，以便使實驗中的邊界條件盡可能地與實際相符。用多層耐火板搭建列車模型，列車尺寸為14.4m×0.6m×0.6m，可以根據需要放置在隧道內，也可移出隧道，用于模擬地鐵內部有車、無車的情形。
地鐵實驗實體模型主體由耐火磚、耐火板、耐火玻璃以及鋼構件等建筑材料組成，其中模型地基采用耐火磚鋪墊；站臺區域的屏蔽門采用耐火玻璃和鋼構件構成；站臺與站廳中間的20cm夾層采用耐火板；區間隧道的圍護結構采用耐火磚；設備房采用耐火板分割而成；站臺、站廳的一些圍護結構采用多層加厚耐火板。
2、通風排煙系統本發明的通風排煙系統包括站臺公共區通風排煙子系統14、軌頂通風排煙子系統3、軌底通風排煙子系統4以及車站隧道通風排煙子系統5。這些子系統，在正常情況下做通風用，在事故情況下做排煙用，各通風排煙子系統相對獨立，可分別進行風量調節。整個通風排煙系統總共由50臺小風機(最大風量100m3/h)、4臺大風機(最大風量1000m3/h)構成。在列車正常停車范圍的車站隧道內，每側設置15個軌頂排煙風口和15個軌底(在站臺下)排煙風口，排煙風口尺寸為0.3m×0.4m，具體布置詳見圖1；車站兩端設有隧道通風子系統，每端配置有互相備用的隧道風機2臺，風口尺寸為0.8m×0.9m，具體布置詳見圖1；車站站臺公共區域兩側各設有10個排煙風口，排煙風口尺寸為0.3m×0.2m，具體布置詳見圖3。
為了保障每個風口流量的均勻性與可控性，上述各子系統分布式布置風機，并通過變速調解器自動控制。采用風流量罩對風機風量進行標定。實驗中，各子系統風機的總風量依據地鐵原有設計以及模型相似性理論分析來確定。同時，可開展不同風量下的實驗，從而指導防排煙優化方案的設計。
3、火源系統參見圖4，本發明的火源系統由燃氣燃燒器、熱煙發生箱17以及火源系統控制器15構成。燃氣燃燒器通過電子調節儀實現燃氣流量的精確控制，從而控制火源功率，產生滿足實驗所要求的特定功率分布，可較為真實地模擬地鐵特定火災場景的火源功率增長曲線，最大穩定功率可達500KW，實驗中所采用的具體功率增長曲線可依據地鐵原有設計以及模型相似比例分析來確定。燃氣燃燒器的點火方式為電子自動點火，燃氣主要采用天然氣、液化石油氣等燃燒較潔凈的氣體。燃燒器的燃燒爐頭18移動方便，可根據需要任意放置。由于天然氣、液化石油氣在燃燒時發煙量很小，為了跟蹤煙氣的運動情況，需加入示蹤煙氣顆粒，熱煙發生箱即是基于此目的而與燃燒爐頭配合使用的，其參照澳大利亞熱煙測試標準AS1391設計，具體結構見圖4，尺寸為0.2m×0.2m×0.15m，熱煙發生箱底部放置煙餅，其燃點很低，發煙效果良好，實驗中用內置小電爐將其點燃，煙餅引燃發出大量的白煙，煙氣聚集擴散至側翼，通過側翼噴口對著燃燒爐頭的火羽流區噴放，羽流卷吸煙氣并帶著煙氣顆粒運動從而實現煙氣的示蹤效果，因而，在火源的加熱下，采用這種方式即形成了特定功率的熱煙氣，該煙氣接近于真實火災熱煙氣。本發明提出的火源系統可真實模擬實際火災燃燒物，其優點在于該火源功率可電子調節控制，功率增長曲線可重復；產生的熱煙氣體毒性小、模擬真實；火源系統的實驗重復性好、成本低；系統裝置移動方便，可根據實驗需要，放置在地鐵模型內部不同位置來模擬不同場景的火災事故。
4、火災探測報警系統本發明的火災探測報警系統用于進行地鐵模型內部火災的探測識別與報警，包括探測器和報警控制器兩部分，在站廳層設置4個感煙探測器，在站臺層設置4個感煙探測器，當模擬的火災煙氣濃度達到設定閾值時，產生的響應電壓便驅動報警器，進而與防排煙系統聯動。在實驗中，可根據需要人為地適時關閉或啟動火災自動報警系統。
5、實驗測量采集系統和數據分析系統本發明的實驗測量采集系統用于地鐵災害事故模擬實驗中的多點、多方位、多參數、多功能的信號測量、采集和處理實驗數據，實驗主要測量隧道、站臺、站廳以及疏散樓梯間的煙氣溫度、流速、壓力、氣體成分等，另外通過目測、攝像、感煙報警來確定煙氣的蔓延情況，圖5為實驗測量系統的布置圖。
溫度傳感器采用K型鎧裝熱電偶，溫度探頭包括站臺(包括樓扶梯開口處)、站廳、隧道內溫度測量探頭(見圖5)。
速度測量采用熱球風速儀以及雙向壓差皮托管，速度探頭包括站臺(包括樓扶梯開口處)、站廳、隧道內速度測量探頭(見圖5)。
空間壓力的測量通過微壓傳感器進行，對不同建筑空間內的壓力進行實時的測量(見圖5)。
氣體濃度如火災環境中的CO、CO2、O2等氣體成分，及毒氣泄漏濃度，通過煙氣分析儀和紅外氣體分析儀測量(見圖5)。
實驗過程中的圖像通過分布式圖像采集系統進行實時連續捕捉動態圖像，由多點布置的CCD攝像系統進行現場圖像捕捉，由分頻多方位切換高清晰數字顯示器進行后端顯示。攝像頭包括有隧道內攝像頭30、31，站臺內攝像頭32、33，站廳內攝像頭34，地鐵模型側面攝像頭35、36(見圖5)。同時，可以根據實際需要靈活調整攝像頭的具體位置。
由于實驗中需要測量的信號類型多，傳感器多點多方位布置，因此需要多通道采集系統進行信號采集，采集系統采用National Instruments的多通道采集儀器NI SCXI-1102。
本發明的數據分析系統用于對得到的實驗數據進行分析，獲得災害事故的實驗數據，并采用FDS、FLUENT等軟件開展火災流體動力學的三維數值模擬，結合實驗數據的分析，對災害事故后果進行合適的預測評估，提出有針對性的災害放置措施，為地鐵建設的工程設計、地鐵運營的防災減災提供合理、準確的科學依據。
下面簡述本發明的地鐵災害事故模擬實驗平臺的使用過程(1)將火源系統的燃燒爐頭和熱煙發生箱(內有煙餅)放置于地鐵模型內部需要進行災害模擬的位置，例如站臺、站廳、列車或隧道內；(2)根據火災場景的設計以及相似性理論分析，設計實驗火源功率增長曲線，以在實驗中調整；(3)同樣，根據地鐵原有設計和相似性理論分析，對實驗中通風排煙系統進行風量調節；(4)根據模式，設置屏蔽門打開方式(一側開、兩側開、全關閉)；(5)根據需要，布置或移走列車模型；(6)根據需要，啟動或關閉火災自動報警系統；(7)開啟實驗測量采集系統，校驗，標定；(8)實驗開始，啟動火源的電點火，排煙系統進入災害模式，數據采集；(9)實驗結束，結束采集，關閉燃燒器，開啟實驗環境排煙，處理、分析實驗數據。
權利要求
1.一種地鐵災害事故模擬實驗平臺，包括地鐵實驗實體模型以及布設在該實體模型中的火源系統、通風排煙系統、火災探測報警系統、實驗測量采集系統和數據分析系統；其中地鐵實驗實體模型為模擬地鐵結構的大比例尺模型，用于模擬災害事故發生的三維限定空間；火源系統用于產生火災熱煙氣以模擬不同火災場景；通風排煙系統用于模擬地鐵正常模式和災害模式下的通風和排煙；火災探測報警系統用于進行地鐵模型內部火災的自動識別與報警；實驗測量采集系統用于地鐵災害事故模擬實驗中的數據測量、采集和處理；數據分析系統用于進行實驗數據的對比、分析、驗證以及事故后果的預測評估；其特征在于所述地鐵實驗實體模型是依據實際地鐵的建筑結構采用相似性理論分析而建立的多層建筑結構，包含有車站隧道、站臺、站廳、設備房等，車站隧道、站臺、站廳均采用模塊化設計，可根據需要對模型進行拆卸和組合；所述火源系統包括燃氣燃燒器、熱煙發生箱和火源系統控制器，其火源功率和發煙量可以調節，以產生不同的火災功率增長曲線，實驗中采用的具體功率增長曲線依據地鐵原有設計和模型相似比例分析而確定。
2.如權利要求1所述的地鐵災害事故模擬實驗平臺，其特征在于所述地鐵實驗實體模型可以模擬具有不同車站形式的地鐵結構，包括具有四層結構的深埋地鐵車站，或者具有二層結構的淺埋地鐵車站，或者站臺層在上而站廳層在下的高架地鐵車站，或者車站隧道在站臺兩側的島式地鐵車站，或者車站隧道兩側分布著站臺的側式地鐵車站，或者站臺與站廳間具有開放共享空間的中廳式地鐵車站。
3.如權利要求1或2所述的地鐵災害事故模擬實驗平臺，其特征在于所述地鐵實驗實體模型主體采用防火材料構建，并且在模型內部不同的考察位置設置有玻璃觀測窗。
4.如權利要求1所述的地鐵災害事故模擬實驗平臺，其特征在于所述火源系統的燃氣燃燒器和熱煙發生箱采用比例控制，并且火源系統是可移動的。
5.如權利要求1、2或4所述的地鐵災害事故模擬實驗平臺，其特征在于所述火源系統包含有流量計，以控制燃燒器的氣體流量從而控制氣體火源的功率；所述燃燒器的燃燒爐頭的火源側翼放置有示蹤煙氣發生箱，所產生的熱煙無毒。
6.如權利要求1、2或4所述的地鐵災害事故模擬實驗平臺，其特征在于所述通風排煙系統包括站臺公共區通風排煙子系統、軌頂通風排煙子系統、軌底通風排煙子系統和區間隧道通風排煙子系統，各通風排煙子系統相對獨立，可分別進行風量調節，其各個風口的風量由模型相似性分析確定。
7.如權利要求6所述的地鐵災害事故模擬實驗平臺，其特征在于所述通風排煙子系統各由不同數目的風機組構成，采用風流量罩對每個風機的風量進行標定，并通過變速調解器自動集中控制每個風機的風量，使每個風口的流量與實驗規定值相符。
8.如權利要求1所述的地鐵災害事故模擬實驗平臺，其特征在于所述地鐵實驗實體模型所采用的大比例尺為1∶5。
9.如權利要求1所述的地鐵災害事故模擬實驗平臺，其特征在于所述地鐵實驗實體模型模型內布置有屏蔽門、樓扶梯和列車模型，所述屏蔽門沿車站站臺邊緣設置以使站臺空間與區間隧道空間相互隔開，屏蔽門的長度與站臺長度相同。
10.如權利要求1所述的地鐵災害事故模擬實驗平臺，其特征在于所述實驗測量采集系統為多通道采集系統，包括多點布置的測量探頭和攝像頭，用于對地鐵災害事故模擬實驗中的空間溫度場、壓力場、流速場、氣體濃度、可見度進行多點多功能的信號測量、采集和實時處理，以及進行動態發展過程的視頻采集與處理。
全文摘要
一種地鐵災害事故模擬實驗平臺，用于對地鐵車站內的火災、毒氣擴散等事故的發生發展機理、控制與防治技術進行實驗研究。包括1∶5大比例尺的地鐵實驗實體模型、火源系統、通風排煙系統、火災探測報警系統、實驗測量采集系統和數據分析系統。其中，地鐵實體模型是包含區間隧道、站臺、站廳、設備房等的多層建筑結構，采用模塊化設計，模型整體可拆卸組合；火源系統可模擬不同火災場景，產生近于真實的火災熱煙氣，其火源功率和發煙量由模型相似性理論分析確定并可產生不同的火災功率增長曲線。本平臺解決了城市軌道交通災害事故難以開展現場實驗研究的難題，可實現地下、深埋、高架、島式、側式、中廳等不同車站結構地鐵的災害事故的三維實驗模擬。
文檔編號G08B17/00GK1937006SQ20061015050
公開日2007年3月28日 申請日期2006年10月18日 優先權日2006年10月18日
發明者鐘茂華, 史聰靈, 符泰然, 劉鐵民 申請人:中國安全生產科學研究院