Моделирование пожара в двухпутном перегонном тоннеле метро

Опыт проектирования и эксплуатации объектов метрополитена показывает, что одной из важнейших подсистем противопожарной защиты является противодымная вентиляция, выбор, обоснование режимов и параметров работы которой – сложнейшая инженерная задача, требующая системного подхода и использования средств компьютерного моделирования физических процессов.

Содержание статьи

Основные причины возникновения пожара в метро
При анализе статистики аварийных ситуаций в метро можно выделить основные причины возникновения пожара и объекты, наиболее подверженные пожарной опасности
Работа аварийных систем при пожарах в метрополитене
Основным средством борьбы с задымленностью в чрезвычайной ситуации является аварийный режим работы системы тоннельной вентиляции…
Моделирование пожара поезда в тоннеле
Для моделирования процессов горения железнодорожных поездов в тоннелях был использован программный комплекс FDS
Заключение

Пожарно-тактическое учение в Московском метрополитене. Источник: mchs.gov.ru

В представленной статье приведены результаты численного моделирования развития пожара, распространения его опасных факторов, а также осуществлен выбор эффективных параметров работы системы дымоудаления в двухпутном тоннеле. Сложности обеспечения противопожарной безопасности на объектах метрополитена связаны с большими скоплениями людей, удаленностью станций от поверхности, высокой плотностью электрооборудования на единицу площади, особенностями вентиляционной системы, способствующей быстрому распространению огня и дыма.

Снижение потерь и затрат при пожарах требует тщательно разработанных организационных, технических и профилактических решений. Для этого необходима информация о том, как развивается и распространяется пожар, а также как опасные факторы пожара (далее – ОФП) воздействуют на людей, оборудование и конструкции станции и тоннеля. Для решения этой задачи во всем мире принято выполнять анализ динамики развития пожара и распространения ОФП с применением современных технологий компьютерного моделирования [1 – 4].

Основные причины возникновения пожара в метро

При анализе статистики аварийных ситуаций в метрополитене можно выделить основные причины возникновения пожара и объекты, наиболее подверженные пожарной опасности. Как показывает опыт, самой распространенной причиной пожаров на объектах метрополитена является неисправность электрооборудования. Чаще всего пожары происходят в подвижном составе, вторым по частоте возгораний объектом являются перегонные тоннели.

Помимо указанных факторов, возгорания подвижного состава, в особенности, остановившегося в тоннеле, представляют наибольшую опасность для пассажиров в силу быстрого распространения продуктов горения и роста температуры. Также спасение пассажиров из тоннеля осложняется особенностями путей эвакуации: контактный рельс и оборудование под высоким напряжением, узкие габариты проходов. Подтверждением может служить катастрофа в Бакинском метрополитене. Из-за возгорания тягового двигателя поезд был остановлен посреди тоннеля, в пожаре погибли 289 человек. Причиной смерти большинства из жертв стало отравление продуктами горения [4 – 6].

Источник: m.ru.sputnik.az

Выбор оптимальных проектных аварийных ситуаций определяет эффективность проектирования системы противопожарной безопасности и позволяет минимизировать негативные последствия от их наступления. В целом, при рассмотрении факторов пожара, препятствующих эффективной эвакуации, следует выделить снижение видимости, теплоту и токсичные газы. Ожоги и задымленность способствуют панике и дезориентации в пространстве, продукты горения, в зависимости от концентрации, приводят к беспомощности и смерти. Поэтому при моделировании пожаров в метрополитене, крайне важно правильно оценить выделение и распространение продуктов горения конструкционных материалов вагона [7 – 10].

В связи c этим в настоящей статье будут приведена оценка эффективности системы противодымной вентиляции двухпутного тоннеля, также построена зависимость необходимого объемного расхода дымоудаления от расстояния между дымоприемными отверстиями. Для получения зависимости была проведена серия вычислительных экспериментов по сценарию с возгоранием салона вагона подвижного состава с аварийной остановкой на перегоне.

Работа аварийных систем при пожарах в метрополитене

Основным средством борьбы с задымленностью в чрезвычайной ситуации является аварийный режим работы системы тоннельной вентиляции. В качестве дополнительных средств могут применяться специализированные системы дымоудаления и мобильные устройства дымоудаления пожарных расчетов. Рассмотрим два вида пожаров: в перегонном тоннеле и на станции. При пожаре в перегонном тоннеле основное условие работы аварийной вентиляции, работающей по классической схеме, заключается в том, чтобы эвакуация происходила навстречу создаваемому в тоннеле потоку воздуха. Основная задача и основная сложность при этом состоит в том, что необходимо подобрать такие режимы работы вентагрегатов на линии или участке линии (как правило по несколько перегонов в каждую сторону от источника пожара), чтобы обеспечить «свежую» струю навстречу эвакуирующимся и незадымление смежных неаварийных участков метрополитена.

При вытяжке газовоздушной смеси вниз по уклону в тоннеле устойчивость воздушного потока обеспечивается при превышении тепловой депрессии (тяги) пожара полным давлением (депрессией), генерируемым системой аварийной вентиляции. Для выполнения этого условия в тоннелях с большим уровнем уклона необходимо включение дополнительных вентиляционных шахт в аварийном режиме со стороны очага пожара на вытяжку, а со стороны станции — на приток. Это приводит к увеличению зоны задымления и подвергает опасности людей, находящихся на участке от вентиляционной шахты до станции.

Пожар в лондонском метро на станции Кингс Кросс, 1987 год

Недостаточная мощность вентустановок, некорректно подобранные параметры их совместного включения на линии, даже влияние условий на дневной поверхности могут приводить к «опрокидыванию» вентиляционного потока, образованию обратного течения и полной неработоспособности классической системы вентиляции. Кроме того, такие системы достаточно инерционны и сложноуправляемы.

Один из способов решения этой проблемы – перекрытие тоннеля, параллельного аварийному участку стационарными затворами или быстровозводимыми перемычками. Данное решение было предложено Чижиковым В.П. и группой специалистов Санкт-Петербургского университета МВД РФ (позднее – СПбФ ВНИИПО МЧС РФ) [11]. Несмотря на эффективность, продемонстрированную на опытном участке Московского метрополитена, на практике решение не прижилось.

В случае же пожара на станции, не обусловленного возгоранием подвижного состава, близлежащие шахты включаются на вытяжку сразу после освобождения тоннеля от поездов. Станционная шахта в случае пожара должна работать на вытяжку постоянно. Вентиляционные шахты на участках, смежных с аварийным, работают на приток, а соседние с ними — на вытяжку. Остальные шахты незначительно повлияют на дымоудаление, поэтому продолжают работать в стандартном режиме. При наличии на станции подвижного состава, его необходимо вывести из аварийной зоны, движение поездов перекрыть, системы местной вентиляции выключить.

Результаты моделирования воздухораспределения в тоннеле, ОАО «НИПИИ «Ленметрогипротранс»

Указанные меры позволяют обеспечить нисходящий вентиляционный поток в эскалаторных тоннелях. Для его стабилизации могут быть включены на вытяжку перегонные шахты. Недостатком такого аварийного режима является распространение задымления по тоннелям в обе стороны от станции вплоть до перегонных вентиляционных шахт. В случае с двухпутными тоннелями, имеющими больший диаметр, появляется возможность организовать в верхней части специализированный вентиляционный канал, предназначенный для подачи/удаления воздуха в перегонный тоннель, в том числе в аварийном режиме. Подробно это техническое решение рассмотрено в [7, 12, 13], является ноу-хау ОАО «Ленметрогипротранс» и впервые было применено при проектирования второй очереди Фрунзенского радиуса Петербургского метрополитена. Подобное решение позволяет локализовать область задымления и снизить влияние соседних участков линии на работу системы дымоудаления на аварийном участке.

Кроме того, строительство станций с боковым примыканием платформ на участках с двухпутными тоннелями с выделением транспортного отсека в отдельную зону, позволяет использовать модульную структуру станций, повысить эффективность работы вентиляции участка линии, и в отдельных случаях полностью отказаться от перегонных сооружений [14].

Моделирование пожара поезда в тоннеле

Для моделирования процессов горения железнодорожных поездов в тоннелях был использован программный комплекс FDS, реализующий полевую модель тепломассопереноса при пожарах. С помощью системы уравнений Навье-Стокса для многокомпонентного неизотермического течения в существенно дозвуковом приближении были описаны турбулентные течения реагирующей смеси. Система уравнений включает в себя уравнения сохранения массы, импульса и энергии, которые замыкаются уравнениями состояния идеального газа и энтальпии единицы массы, определенное через массовые доли компонентов газовой смеси и энтальпию каждого из компонентов.

Для выражения тензора напряжений в уравнении движения используется линейная зависимость его от тензора скорости деформаций. Моделирование турбулентности проводилось с помощью модели крупных вихрей. Для моделирования горения использовалась модель переменной смешения. Посредством решения одномерного уравнения теплопроводности задавалась передача энергии внутрь ограждающих конструкций [12].

Допущения, принятые в расчете: пожар начинается в центре нагрузки и распространяется радиально с постоянной скоростью (1 м/с), материал ограждающих конструкций тоннеля — бетон. Теплообмен с грунтовым массивом не моделировался, т.к. за время моделирования выполняется условие полупространства со стороны грунта. При моделировании переноса теплового излучения не учитывалось рассеяние. Отметим, что рассеяние в основном обусловлено присутствием аэрозоля в потоке. В инфракрасном диапазоне выполняется условие, при котором коэффициент рассеяния значительно меньше поглощения, что справедливо для сажистого аэрозоля, образующегося в пламени.

Рисунок 1. Вид расчетной модели 1

Был выполнен анализ конструктивных решений, проведена оценка пожарной опасности подвижного состава и определен сценарий развития пожара в вагоне, принимаемый для проведения расчетов условий безопасной эвакуации людей. Объект, на котором возможно возникновения пожара — вагон подвижного состава. Вероятное место расположения очага пожара: подвагонное пространство, салон вагона, кабина машиниста.

Количество горючей нагрузки: подвагонное пространство — 2…4 кг·м^-2; салон вагона — 18…20 кг·м^-2; кабина машиниста — 4…6 кг·м^-2. Оценка количества и мест размещения горючей нагрузки в вагоне проводилась на основании исследований, приведенных в [16]. При моделировании химической реакции принималось допущение, что при пожаре одновременно протекают химические реакции горения всех материалов, а их вклад в общий выход продуктов горения определяется массовой долей материалов конструкции вагона и стехиометрическими коэффициентами в реакциях.

В качестве критического значения высоты незадымленной зоны принимается уровень 1,7 м от уровня аварийного прохода в тоннеле. Чтобы произвести оценку эффективности системы противодымной вентиляции тоннеля, построим зависимость необходимого объемного расхода дымоудаления от расстояния между дымоприемными отверстиями. Для получения зависимости проведем серию вычислительных экспериментов, которая позволит выбрать наиболее эффективный расход дымоудаления. Выбор будем производить по одному из ОФП – задымление.

Описание модели 1: в качестве расчетной модели использовался двухпутный тоннель (ширина тоннеля 8 метров, высота 4,5 метров), на высоте 4,5 метров расположены два клапана удаления газовоздушной смеси из расчетной области на расстоянии 100 метров друг от друга. На высоте 1,7 метров расположены 10 датчиков видимости.

Вагон с очагом пожара располагается в центральной части подвижного состава. Критическая продолжительность пожара определяется из условия достижения одним из ОФП предельно допустимого значения в рабочей зоне по потере видимости. Проводилась серия из пяти испытаний. Расход дымоудаления на клапанах в вычислительных экспериментах изменялся от 50 до 150 м³/с, результаты которых сведены в таблицу 1.

По моделям аналогичным модели 1 были проведены серии вычислительных экспериментов с несколькими степенями свободы: расстояние между клапанами, количество работающих одновременно клапанов, расход дымоудаления на клапанах. По итогам моделирования наиболее эффективной системой вентиляции оказалась система, состоящая из двух клапанов, расположенных на расстоянии 90 — 120 м, суммарный расход удаления дыма через которые которых составляет 100 м³/с. Полученные результаты проверили на более подробной модели, в которой более детально рассмотрели распространение ОФП на зону горящего вагона и на вагоны вне зоны горения.

Описание модели 2: в качестве модели принимается двухпутный тоннель (длина расчетной зоны тоннеля 500 м, ширина 10 м, высота 6 м), на высоте 6 метров расположены два клапана удаления газовоздушной смеси из расчетной области на расстоянии 100 метров друг от друга. Источником возгорания является подвижный состав с аварийной остановкой на перегоне. Расположение очага принимаем в центральной части подвижного состава. Максимальная площадь горения соответствует трем площадям вагона, с постепенным «выгоранием» по мере снижения нагрузки.

Рисунок 2. Вид расчетной модели 2

Пожар начинается в центре нагрузки и распространяется со скорость 1 м/с. Суммарный расход дыма через два клапана 100 м³/с. Результаты расчета моделирования представлены на рисунках 3 и 4. В ходе эксперимента были получены поля опасных факторов пожара, анализ которых показывает, что блокирования эвакуационных путей не происходит, так как в течение всего времени пожара показатели видимости и других ОФП не достигают критических значений. Рисунки 3 и 4 показывают, что в течение необходимого для эвакуации людей времени дымовой слой удерживается между двумя работающими клапанами, что гарантированно позволяет провести мероприятия по спасению людей и приступить к локализации и тушению пожара.

Рисунок 3. Изменение видимости при пожаре в тоннеле

Таким образом можно утверждать, что принятые проектные решения и выбранные параметры системы дымоудаления обеспечивают безопасность людей при пожаре. Кроме того, одним из неоспоримых преимуществ подобной системы вентиляции является ее более низкая инерционность (в сравнении с классической схемой), возможность регулирования и управления ситуацией в тоннеле, устойчивость к влиянию условий на соседних участках линии метрополитена.

Заключение

Опыт проектирования и эксплуатации объектов метрополитена показывает, что одной из важнейших подсистем противопожарной защиты является противодымная вентиляция, выбор и обоснование режимов и параметров работы которой – сложнейшая инженерная задача, требующая системного подхода и использования средств компьютерного моделирования физических процессов.

К особенностям повышенной пожарной опасности тоннелей метрополитена можно отнести:
— глубина залегания, как следствие, трудности обеспечения доступа с поверхности;
— специфика технологического процесса;
— конструктивные особенности тоннелей и станций;
— характеристики используемых материалов и оборудования.

Рисунок 4. Работа противодымного клапана при пожаре подвижного состава

Применение инновационных строительных и инженерных решений на объектах метрополитена позволяет повысить его безопасность и надежность при различного рода чрезвычайных ситуациях. Однако разработка и реализация подобных решений, выбор оптимальных проектных параметров различных систем без подробного моделирования физических процессов – невозможно.

В настоящей работе был проведен подбор оптимальных параметров системы противодымной вентиляции двухпутного тоннеля, состоящей из двух клапанов, расположенных на расстоянии 100 м, суммарный расход удаления дыма через которые которых составляет 100 м³/с. В ходе моделирования было доказано, что принятые проектные решения и выбранные параметры системы дымоудаления обеспечивают безопасность людей при пожаре на время необходимое для эвакуации и спасения людей, а также проведения мероприятий локализации и тушению пожара.

Авторы статьи

А.И. Данилов, аспирант кафедры ПБЗиАСП Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России, главный специалист по пожарной безопасности и ГОЧС ОАО «НИПИИ «Ленметрогипротранс»

И.А. Сиваков, к.т.н., начальник отдела автоматизации проектирования ОАО «НИПИИ «Ленметрогипротранс», ассистент кафедры КТФиЭМ

Н.В. Пилипенко, д.т.н., профессор, профессор кафедры КТФиЭМ Университета ИТМО

П.А. Костерева, магистрант кафедры КТФиЭМ Университета ИТМО В.Н. Озирная, магистрант кафедры АЭС СПБГПУ

Список литературы

1. NFPA 130 Standard for Fixed Guideway Transit and Passenger Rail Systems 2003 Edition. National Fire Protection Association , 1 Batterymarch Park, Quincy, MA, USA
2. Haack, A., Real fires and design fires, Proceedings of the Jornada Técnica sobre Fuego en Túneles, Barcelona, Spain, 5 May 2011.
3. Haack, A.: Latest achievement and perspectives in tunnel safety; proceedings of the 30th ITAAITES World Tunnel Congress “Underground Space for Sustainable Urban Development; Singapore 22-27 May 2004; Tunneling and Underground Space Technology, Vol. 19, No. 4-5, July – September 2004
4. FIT, Fire in Tunnels Annex2. Technical Report – Part 1. Design Fire Scenarios. Fire in Tunnels, Brussels, Belgium, Jan. 4, 2006. – 161 p.
5. Nathan White Fire Development in Passenger Trains, Research Master thesis, Victoria University., 2010,p.323
6. Barnett, Jonathan. Events Driving Fire Safety for Sea Road and Rail. Sea Road Rail Fire Safety Confereence, Rocarm pty ltd, Melbourne, Australia, 2005
7. Вагин А.В., Данилов А.И., Сиваков И.А. Оценка теплового воздействия пожара поезда в двухпутном тоннеле метрополитена // Проблемы управления рисками в техносфере. -2015. — № 2 (34). — С. 26-34.
8. B. Giachetti, D. Couton, F. Plourde. Smoke spreading analysis from an experimental subway scale model/ B. Giachetti, D. Couton, F. Plourde.//Fire Safety Journal. – 2016. – Volume 86, Pages 75–82.
9. Y.H. Xi, J. Mao, G. Bai, J.W. Hu. Safe velocity of on-fire train running in the tunnel/ Y.H. Xi, J. Mao, G. Bai, J.W. Hu. //Tunnelling and Underground Space Technology.– 2016. – Volume 60, Pages 210–223.
10. Myungsung Lee, Nahmkeon hur. A detailed cfd simulation of the 2003 daegu metro station fire/Myungsung lee, Nahmkeon Hur.//International journal of air-conditioning and refrigeration. – 2012. – vol. 20, no. 03, — 1250014.
11. В.П. Чижиков Обеспечение безопасной эвакуации людей при пожарах в транспортных тоннелях: дис. … канд. технич. наук. Санкт-Петербургский университет МВД РФ, Санкт-Петербург, 2002, 139 с.
12. В.А.Маслак, Д.А.Бойцов, С.Г.Гендлер, А.И.Данилов, Е.К.Левина Инновационные решения по повышению безопасности и эффективности эксплуатации двухпутных тоннелей // Подземные горизонты №8, 2016, – с.84-87
13. V.Maslak. D.Boytsov, A.Danilov, E.Levina, S.Gendler Innovative engineering solutions for improving operation safety and efficiency of subways with two-way tunnels // proceedings of the 15th World Conference of Associates Research Centers for the Urban Underground Space, St.Petersburg, Russia, 12-15 September 2016, pp 318-324
14.  V.Maslak. D.Boytsov Modular design of subway facilities // proceedings of the 15th World Conference of Associates Research Centers for the Urban Underground Space, St.Petersburg, Russia, 12-15 September 2016, pp 315-318.
15. Fire Dynamic Simulator (Version 6). Technical Reference Guide. Volume 1: Mathematical Model. – Washington: NIST Special Publication 1018-5, 20015. – 173p.
16. Заключение ВНИИПО МЧС России № 014-03.13 «Оценка соответствия вагонов метрополитена моделей 81-556, 81-557 и 81-558 требованиям НПБ 109-96 «Вагоны метрополитена. Требования пожарной безопасности».

ленметрогипротранс, проектирование, тоннели, транспортная инфраструктура