軌道交通區間聯絡通道防火門設計關鍵技術研究

摘 要： 本文旨在探討軌道交通區間聯絡通道防火門設計關鍵技術，以應對地下隧道火災情況。本文研究分析了聯絡通道防火門的結構與施工方法，并提出了3套解決方案，通過試驗和測試驗證了這些方案的適用性，包括抗風壓試驗、防火測試以及隧道現場測試等。基于此，本文建立了聯絡通道內煙氣風速模型，并進行了數值計算仿真，揭示了防火門高度和火災熱釋放效率對通道內風速的影響，展示了模型在控制橫通道煙氣侵入中的作用。本文為軌道交通區間聯絡通道防火門設計提供要參考依據，并為相關領域的進一步研究和應用奠定了堅實基礎。

關鍵詞：軌道交通；區間聯絡通道；防火門；煙氣控制；臨界風速；數值計算

中圖分類號：U 25 " " " 文獻標志碼：A

隨著城市軌道交通的發展，地下隧道系統日益完善，而隧道內部發生火災是一種常見且危險的情況，吸引了許多相關領域研究分析。劉晨[1]以黑山南北高速公路項目為例，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，進行了火災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軟件進行建筑子母式防火門火災安全疏散模擬研究。劉雪驕等[4]進行了臨近區間隧道抗疲勞受壓防火門的疲勞壽命預測研究。利用有限元軟件建立數值模型。萬曉鑫[5]從山體隧道特點、有軌電車隧道特點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計方案。王奕然等[6]解析了城市軌道交通區間隧道聯絡通道中抗風壓防火門的2項團體標準。鄒琦等[7]結合實例驗證不同間距設置條件下人員安全逃生情況，并推薦最佳門間距設置為200m。綜合相關研究，為了有效控制隧道內火災煙氣向聯絡通道回流，防止事故擴大，本文討論了其防火門結構設計和尺寸設計等關鍵技術問題。

1 聯絡通道防火門結構分析

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，也是廣州地鐵網中的重要組成部分。該線路北起天河客運站，南至番禺廣場，全長約67.3km，共設車站30座。3號線貫穿了廣州市區的主要商業和居住區域，連接了天河、海珠、荔灣、越秀以及番禺等城區，作為廣州地鐵網中的主干線路之一，在運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車站和區間的設計以及設施配置都顯得尤為重要。以龍人區間作為案例進行研究，在這一具體區間可能存在特定的設計挑戰和需求，例如疏散門設計與安全保障等方面。針對隧道區間施工環境的惡劣特點，本文引入了整體預制法作為施工方法。這種方法將門框、門體和五金配件在工廠預制成組合體，并運輸至現場安裝于門洞。通過這種方式，成功減少了現場的施工作業量，并確保了門體及五金的安裝精度，有效縮短了在隧道內的施工周期。

1.2 防火門結構設計

在區間聯絡通道防火門結構設計方面，特別考慮了惡劣環境下的應用需求。根據常規維護保養基礎，確保設計的區間聯絡通道疏散門適用于-35℃～40℃的溫度范圍，并能承受相對濕度為10%～98%的環境條件。針對這個要求，提出了3套不同的解決方案，其中最終選定的設計采用了橫向明裝四點鎖定式鎖具。這種鎖具結構設計在防火門中起著關鍵作用。通過專家評價和多方考量，確認這種四點鎖定式鎖具能夠有效地保障防火門的安全性和穩固性。與傳統結構相比，這種設計能夠更好地抵御惡劣環境下可能出現的壓力和振動，從而提高防火門的可靠性和持久性。在防火門結構設計過程中，也考慮了易于維護和操作性。確保防火門在實際使用中能夠便捷、高效地開啟和關閉，并且容易進行日常維護保養工作。這樣的設計不僅保證了用戶體驗，也延長了防火門的使用壽命。

綜上所述，在區間聯絡通道防火門結構設計中注重了環境適應性、安全性和操作便捷性等關鍵因素。通過精心篩選和專家評估最終確定了橫向明裝四點鎖定式鎖具作為最佳選擇。這一設計將為地下隧道系統提供更可靠、更安全的防火措施，并有效應對各種極端環境條件下可能出現的挑戰。

1.3 防火門性能驗證

驗證區間聯絡通道疏散門能夠滿足使用、功能、性能等多方面要求時進行了一系列試驗和測試包括抗風壓試驗、防火測試以及隧道現場測試等。相關指標要求以18號線、22號線相關隧道環境為例，其結果見表1。當設計不同位置的隧道及風道時，需要考慮特定的風壓值范圍。這些風壓值反映了通風系統在維持通道內空氣流動和質量時所需承受的外部環境力量。因此，設計防火門時必須考慮這些外部環境因素，確保防火門能夠承受相應的外部壓力。這些風壓數據直接影響防火門的材料選擇和結構強度設計，通過考慮不同位置的隧道及風道所需承受的風壓值范圍，可以有效地確定防火門所需具備的抗壓能力和結構穩定性。只有當防火門能夠符合這些外部環境力量下的要求，它才能發揮其限制火災蔓延、控制疏散路徑等關鍵作用。這種系統化、全面性能驗證過程有助于提高防火門在地下隧道系統中的可靠性，并確保其在各種極端情況下都能有效發揮作用。

2 聯絡通道內煙氣風速模型

2.1 量綱分析

火災條件下，隧道內的煙氣將根據密度逐層分布，而隧道內的聯絡通道作為來向空氣進入重要通道，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。本文基于此進行相應定性的量綱分析。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為火災的熱釋放速率；Vt為隧道內縱向的通風速度；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，多項指標為常數，具體尺寸參數和坡度在地鐵隧道中往往保持穩定，環境空氣溫度對特定火災環境來說差異不顯著，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。因此考慮隧道內的煙氣回流速度主要受到火災熱釋放速率、空氣溫度以及隧道高度等有限指標的影響。例如忽略其他指標，單純對其進行無量綱化處理，可得公式（2）。

（2）

式中：a、b、c均為衡量相應指標影響的系數。

煙氣流動速度受到上述一系列因素影響，進一步形成影響火災后果的關鍵因素，是防火門設計需要考慮的關鍵指標。基于此，利用試驗數據進行隧道內聯絡通道煙氣擴散影響的具體性能分析。

2.2 數值計算仿真

基于以上分析和試驗結果，本文在實際全尺寸隧道及連接的橫通道進行模擬，并對防火門尺寸進行影響分析。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（通道內風速）和橫坐標（防火門高度）的數據。在無煙情況下，通道內風速從0.61 m/s逐漸增至0.75 m/s；而在有煙的情況下，通道內風速從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風速呈現出一定的波動趨勢。在一定范圍內（0 m/s～2.5 m/s），通道內風速基本保持穩定或略微波動；然而，防火門高度超過2.5m后，通道內風速開始出現較大幅度的波動。隨著防火門高度增加，氣流在通過較低高度防火門時可能會受到一定限制。這導致了在低防火門高度范圍內通道內風速相對較低，避免了煙氣擴散。在這一過程中，防火門的阻隔形成一個相對速度較低的局部空間，在這個空間中氣流受到一定程度的封閉或擾動。這可能導致局部區域內通道內風速波動較大，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。

考慮火災釋放效率的影響，其結果如圖2所示。

由圖2可知，在無煙的情況下，隨著火災熱釋放效率增加，通道內風速從0.17 m/s逐漸增至0.25 m/s；而在有煙的情況下，通道內風速從0.16 m/s逐漸增至0.23 m/s。隨著火災熱釋放效率的增加，無煙和有煙情況下通道內風速均呈現逐漸增加的趨勢。這表明火災熱釋放效率與通道內風速之間存在一定的正相關關系，顯著地隨著火災熱釋放效率增加，空氣溫度可能會升高，導致空氣密度降低。火災本身會產生氣流運動，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作用的影響而產生流動，從而促進通道內風速的增加這種運動可能會影響通道內氣流分布和速度，導致通道內風速增加。

3 臨界佛羅德數模型分析

3.1 模型推導

假設存在一臨界佛羅德數，該臨界數對應控制橫通道煙氣侵入的最小風速。根據橫通道尺寸等參數定義如公式（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為環境空氣密度；ρf為煙氣密度；U為橫通道臨界風速。

其中，U的物理意義是當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時，空氣流動產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量和能量平衡方程，并對火災熱釋放率的對流部分進行分析。其質量和能量的平衡關系如公式（4）所示。

ma=mb-mc

macT=mbcT-mccT-Q' " " （4）

式中：ma為火災方向隧道氣流力量；mb為非火災方向隧道氣流角標；mc為聯絡通道方向氣流角標；Q'為Q的對流釋放部分，通常為Q的70%左右。

在這個過程中，本文考慮了煙氣作為理想氣體的基本性質，并假設其僅涉及等壓過程，可以根據理想氣體狀態方程得出公式（5）。

（5）

式中：Ad為防火門面積，通常與防火門高度呈指數關系。

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

（6）

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

3.2 數值計算仿真

由此，進行仿真模擬，其結果如圖3所示。在無煙和有煙的情況下，隨著通道內臨界風速的增加，通道內風速也增加。其中，在無煙的情況下，通道內風速與臨界風速呈線性增長關系。這一現象可以歸因于空氣流動慣性力和密度差異效應的影響。空氣流動慣性力隨著臨界風速增大而增加，推動了通道內空氣流動速度的提升。同時，空氣密度差異引起的浮升力也影響了通道內的風速。在有煙的情況下，火災熱釋放效率和濃度梯度驅動成為影響因素。火災釋放的能量使空氣溫度升高，密度發生變化，導致通道內的風速比無煙情況更快。此外，燃燒過程中產生的濃度梯度也會改變空氣流動狀態，進而影響通道內風速。在不同條件下（有/無煙），臨界佛羅德數對控制橫通道煙氣侵入具有重要作用。未來工作將進一步驗證模型的準確性，并結合更多實際案例進行驗證和修正，以提高模型適用范圍。

4 結語

本文研究了軌道交通區間聯絡通道防火門設計關鍵技術，這些成果為軌道交通區間聯絡通道防火門設計提供了重要參考依據，并為相關領域的進一步研究和應用奠定了堅實基礎。希望本文所取得的成果能夠為相關領域提供有益啟示，并推動該領域技術水平不斷提升。

參考文獻

[1]劉晨.中東歐國家與中國公路隧道防火理念對比研究——以黑山南北高速公路項目為例[J].公路交通科技， 2024，41（3）：163-168.

[2]楊溢，韋芊竹，周白霞，等.火災煙氣流動對半開豎井連廊疏散效率影響的模擬研究[J].安全與環境學報，2024，24（5）：1947-1954.

[3]熊慧萍，帥小根，張寧潔，等.基于FDS和Pathfinder的建筑子母式防火門火災安全疏散模擬研究[J].安全與環境工程，2023，30（2）： "61-67.

[4]劉雪驕，連瑛秀，張庚申，等.臨近區間隧道抗疲勞受壓防火門的疲勞壽命預測[J].科學技術與工程，2022，22（33）：14934-14943.

[5]萬曉鑫.有軌電車山體隧道建筑防火與疏散設計方案[J].城市軌道交通研究，2021，24（增刊2）：44-48，55.

[6]王奕然，李磊，付超，等. 隧道抗風壓防火門的兩項團體標準解析[J].都市快軌交通，2021，34（5）：150-154.

[7]鄒琦，張麗莎，姜學鵬，等.慢行道隧道火災疏散門間距設置研究[J].消防科學與技術，2021， 40（10）：1451-1454.