Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 6
1.1. Пожары в автодорожных тоннелях 6
1.2. Пожары в железнодорожных тоннелях 16
1.3. Анализ пожаров в транспортных тоннелях 25
1.4. Зарубежные исследования в области противопожарной защиты тоннелей 27
1.5. Отечественные исследования в области противопожарной
защиты тоннелей 33
1.6. Анализ исследований в области противопожарной защиты
тоннелей 34
2. Методика расчетной оценки параметров задымления при пожарах в транспортных тоннелях 38
2.1. Общие положения 38
2.2. Исходные данные при проведении расчетов 39
2.3. Математическая модель процесса формирования и распространения ОФП в тоннеле 43
3. Методика определения параметров систем вентиляции и дымоудаления 53
3.1. Общие положения методики 53
3.2. Математическая модель процесса воздухораспределения в ентсетях 55
3.3. Составление расчетной схемы воздухораспределения 59
3.4. Определение величин аэродинамических сопротивлений расчетной схемы 62
3.5. Определение параметров источников напора (тяги) вентиляционной сети 66
3.6. Расчеты воздухораспределения при эксплуатационных режимах вентиляции 67
3.7. Расчеты воздухораспределения при аварийных вентиляционных режимах
4. Экспериментальная проверка способа регулирования тоннельной вентиляции 72
4.1. Общие принципы регулирования воздушных потоков в вентиляционных сетях 72
4.2. Выбор варианта конструктивного исполнения устройства 74
4.3. Результаты экспериментальных исследований 79
5 Методические рекомендации по противопожарной защите транспортных тоннелей 82
5.1. Общие положения 82
5.2. Термины и определения 84
5.3. Режимы проектных аварий 85
5.4. Требования к объемно-планировочным, конструктивным решениям и путям эвакуации 86
5.5. Требования к конструкциям и материалам 89
5.6. Вентиляция и противодымная защита 90
5.7. Противопожарное водоснабжение 93
5.8. Управление движением, оповещение 96
5.9. Обнаружение пожара, связь 97
5.10. Требования к электрооборудованию 98
5.11. Расчеты по обоснованию параметров ППЗ 99
Заключение 103
Библиографический список использованной
Литературы
- Пожары в железнодорожных тоннелях
- Исходные данные при проведении расчетов
- Определение величин аэродинамических сопротивлений расчетной схемы
- Выбор варианта конструктивного исполнения устройства
Введение к работе
Опыт эксплуатации тоннелей различного назначения свидетельствует, что пожары в них носят достаточно регулярный характер, а при нарушении правил эксплуатации и отсутствии необходимого уровня противопожарной защиты могут иметь катастрофические последствия, сопровождаться массовой гибелью людей и большими материальными потерями /1/. Отечественные нормативные документы по проектированию, строительству и эксплуатации тоннелей практически не содержат требований, регламентирующих их пожарную безопасность.
Подземное расположение любых объектов предопределяет ряд специфических особенностей, которые необходимо учитывать при решении вопросов защиты людей и материальных ценностей (сооружений тоннеля и находящихся в нем транспортных средств) от пожаров. Поэтому при проектировании новых объектов и реконструкции существующих проводятся исследования, включающие решение таких задач, как: объемно-планировочные решения, выбор те- ни :еских средств, а также другие меры по обеспечению пожарной безопасности, соответствующие требованиям 121, ГОСТ 12.1.004 /3/, СНиП 21-01 /4/, ГОСТ 12.4.009 /5/ и учитывающие особенности объекта. В приведенном комплексе задач можно вьщелить ряд конкретных вопросов, решение которых является обязательным при разработке мероприятий по обеспечению пожарной безопасности тоннелей:
оценка динамики формирования и развития основных опасных факторов пожара в объеме тоннеля (высота свободной от задымления зоны, расстояние, пройденное фронтом задымленной зоны, средняя температура в слое дыма и т.д.);
определите параметров систем вентиляции и дымоудаления, выбор технических средств необходимых для обеспечения условий безопасной эвакуации людей из опасной зоны при возникновении пожара;
разработка рекомендаций по противопожарной защите транспортных тоннелей.
Целью диссертационной работы является проведение теоретических и экспериментальных исследований закономерностей развития пожара в сооружениях тоннельного типа, процесса распределения вентиляционных потоков в тоннелях и процесса тушения. В ходе проведения исследований разработаны математические модели динамики развития пожара в тоннелях и распределения газовых потоков в вентиляционных сетях, проведена полномасштабная экспериментальная проверка способа регулирования распределения газовых потоков, экспериментально проверен способ локализации и тушения пожара. На базе средства разработки Delphi IV разработаны программы численного решение математических моделей динамики развития пожара в тоннелях и распределения газовых потоков в вентиляционных сетях.
На защиту выносятся следующие положения:
Математическая модель процесса формирования и развития опасных факторов пожара в тоннелях.
Математическая модель распределения газовых потоков в вентиляционных сетях сложной конфигурации.
Экспериментальные данные по оценке способа регулирования газовых потоков в транспортных тоннелях.
Экспериментальные данные по оценке эффективности способа локализации и тушения пожара в тоннелях.
Программные продукты для проведения расчетов динамики развития пожара в тоннелях и распределения газовых потоков в вентиляционных сетях.
Рекомендации по противопожарной защите транспортных тоннелей.
Пожары в железнодорожных тоннелях
Основные данные о пожарах в железнодорожных тоннелях США, Швейцарии, Югославии, Франции, Японии, Англии происшедших в период с 1945 по 1991 г. представлены в табл. 2.
Анализ сведений о пожарах, происшедших в железнодорожных тоннелях показывает, что они носят, как правило, катастрофический характер.
Так, в 1971 г. произошел пожар пассажирского поезда в тоннеле Центральной Югославии вследствие неисправности дизельного двигателя локомотива. В результате пожара погибло 34 человека и 120 пострадало.
Аналогичным по своим последствиям является пожар, происшедший 06.11.72 на пассажирском поезде, следовавшим через тоннель Хокурику (Япония) /37, 38/. Загорание возникло в курительном вагоне. Состав был остановлен стоп-краном на расстоянии 5,3 км от выходного портала. Спасательные работы внутри тоннеля были связаны с большими трудностями и, несмотря на все усилия пожарных, 30 пассажиров погибли, а 714 получили отравления и травмы.
При пожаре пассажирского состава, потерявшего ход в тоннеяе (протяженность тоннеля 5,8 км) между Оклендом и Сан- Франциско (США) в 1,5 км от входа задымле ние быстро охватило семь вагонов поезда. Пожарные в составе группы разведки проникли к месту пожара по служебной галерее, расположенной между тоннелями восточного и западного направлений. Вместе с поездной бригадой ими была организована эвакуация пассажиров из опасной зоны в спасательный поезд, находившемся в параллельном тоннеле.
Следовавшая параллельно с ними по задымленному тоннелю со стороны Окленда вторая группа разведки израсходовала запас кислорода (группы были оснащены дыхательными аппаратами 30-минутного действия) и вынуждена была вернуться. При этом погиб один из офицеров. Тушение пожара было организовано подразделениями, прибывшими со стороны Сан-Франциско. Рукавные линии подключались к гидрантам в параллельном тоннеле и по галерее прокладывались к месту пожара. Ствольщики работали под защитой своей второй линии и, тем не менее, менялись каждые 5 минут. До локализации пожара, в течение 3,5 часов, работали 42 пожарных. В ходе тушения пожара бетонная отделка тоннеля растрескивалась, обрушивались куски бетона массой до 40 кг. Общее время эвакоспасательных работ и работ по тушению составило 7,5 часов. Ущерб от пожара составил 7 млн. долларов /6,7,41-50/.
При пожарах грузовых поездов в тоннеле создается ещё более сложная обстановка. Так, в тоннеле Конжер (штат Нью-Йорк, США) сошел с рельсов грузовой поезд. Возник пожар. Положение усугубилось тем, что при аварии часть вагонов расцепилась и некоторые из них встали поперек тоннеля, перегородив его. В 52-х вагонах состава размещались автомобили, бытовая техника, химические вещества. Работа по тушению пожара началась только после выяснения характера груза, при этом боевое развертывание производилось от водоисточников, расположенных в 2-х милях от тоннеля. К этому времени создалась очень сложная обстановка из-за высокой температуры, сильного задымления, отсутствия механической вентиляции. Пожарные работали в кислородных аппаратах группами по 4 человека. Кроме воды использовалась высокократная пена, которая подавалась в труднодоступные места. В связи с обрушением больших кусков породы, тушение пожара пришлось временно прекратить.
В дальнейшем, для проникновения в тоннель была использована трехъярусная платформа, защищавшая разместившихся на ней пожарных от обрушения породы и обделки тоннеля. Пожар был ликвидирован через 80 часов. В тушении участвовало около 1000 человек, включая вспомогательный персонал /39/.
Пожар, еще более тяжелый, как по обстановке, так и по последствиям, произошел на севере французского департамента Луар при столкновении нефтеналивного (17 цистерн с мазутом и 7 - с бензином) и грузового (46 вагонов) посадов. Причиной столкновения явилось нарушение габарита подвижного состава. Уже в самом начале огнем было охвачено 12 цистерн с нефтепродуктами и локомотив. Его поездная бригада из 2-х человек оказалась отрезанной от выхода и погибла. Попытки потушить пожар активными средствами к успеху не привели. К тому же через первые сутки после возникновения пожара последовали мощные обрушения свода в тоннеле с образованием кратеров диаметром порядка 20 м. Действия пожарных сводились к эвакуации жителей из ближайших домов, защите леса в районе порталов тоннеля и к устройству заграждений для вытекающего из тоннеля мазута. Приведенный пример /36/ иллюстрирует случай, когда проникновение в тоннель стало невозможным уже в самом начале пожара. Продолжительность таких пожаров и аналогичных ему, составляет несколько суток.
Так, 5 суток продолжался пожар поезда с 845 т бензина в тоннеле Суммит (Великобритания, 1984 г.) /52-57/. Прибывшие пожарные подразделения вошли в тоннели одновременно с двух сторон. Им удалось с помощью машиниста локомотива вывести локомотив и три стоящих на путях цистерны из тоннеля и организовать подачу в очаг пожара воду на охлаждение и пену для тушения. Наибольшую сложность на этом этапе пожаротушения представляла доставка людей, пожарной техники и средств пожаротушения по тоннелю к месту работ. Отсутствие механизированной техники для этой цели сильно замедлило все операции и практически сделало их неэффективными.
Исходные данные при проведении расчетов
Основное условие обеспечения безопасности людей при пожаре на любом объекте сформулировано в/107/и состоит в том, что каждый объект должен иметь такое объемно-планировочное и техническое исполнение, чтобы эвакуация из него бьша завершена до наступления предельно допустимых значений опасных факторов пожара (ОФП).
Это условие формулируется в виде выражения: гдеХр - расчетное время эвакуации людей; Тбл - время от начала пожара до блокирования путей эвакуации продуктами горения.
Расчетное время эвакуации зависит от количества людей на объекте, количества и геометрических характеристик (длины, ширины) эвакуационных выходов, оснащения их техническими средствами перемещения.
Время блокирования путей эвакуации определяется динамикой процесса развития пожара и объемно-планировочными решениями объекта. В соответствии с /107/ для уровня рабочей зоны (1,7 м от пола) Тбл определяется временем Ткр (временем достижения ОФП критических значений):
Согласно нормативному документу /108/ за т,ф принимается время достижения нижней границей дыма высоты равной 2,5 м от уровня пола помещения. Время блокирования путей эвакуации может быть определено исходя из анализа процесса распространения дыма под потолком помещения и заполнения им объема сооружения, в связи с чем задача моделирования динамики задымления является неотъемлемой частью комплекса вопросов, решаемых при разработке мероприятий по обеспечению пожарной безопасности тоннелей. Санкт-Петербургским филиалом ФГУ ВНИИПО МВД России был проведен ряд работ по этому направлению, в которых были использованы результаты отечественных и зарубежных исследований последних лет. В результате проведения работ был сформулирован подход к решению задачи, разработаны математическая модель процесса задымления сооружений тоннельного типа и программа для расчета параметров задымления.
Складывающаяся при возникновении пожара ситуация определяется назначением конкретного тоннеля (автодорожный, железнодорожный, совмещенный, тоннель метрополитена), интенсивностью транспортных потоков, видом перевозимых грузов. В качестве основного варианта аварийной ситуации в автодорожном тоннеле рассматривается ДТП с бензовозом при последующей разгерметизацией сливного патрубка цистерны, разливе бензина и его воспламенении. Максимальная тепловая мощность пожара в стационарном режиме принималась равной 100 МВт. До момента достижения максимального значения мощность пожара определялась из соотношения: где к) - коэффициент, учитывающий потери тепла вследствие химической и механической неполноты горения, для бензина г = 0,855; QJJ - низшая массовая теплота сгорания бензина, Дж/кг, QJJ = 41900 кДж/кг; М - текущая массовая скорость выгорания бензина, кг/с: М = Fp (mo (0,3 + 0,7-(т/то)0 5)), (2.4) где Fp- площадь разлива, м2; Шо- установившаяся массовая скорость выгорания бензина, Шо = 0,049 кг/м2-с; т - текущее время выгорания, с; х0= 900 с - время достижения установившейся скорости выгорания .Площадь разлива определялась из выражения: Fp = 0,5-q-x, (2.5) где 0,5 - площадь разлива в м -л для ГЖ, содержащих 70% и менее по массе растворителей (в т.ч. и для бензина) по п.3.2, г) НПБ-105; q - расход вытекающей ГЖ через поврежденный патрубок, л-с"1. Расход ГЖ определялся по формуле: q = 1000nFV2 gH (2-6) где ц - коэффициент расхода, ц=0,65; F=0,008 м2 - площадь сливного патрубка; Нж - напор, м, принимается равным 1,1м (при диаметре цистерны 2,2 м); g - ускорение свободного падения, м/с2. Периметр пожара определялся из выражения: /Г (2-7 П = 2id- -, при Qn 100 МВт; П = Птах при Q„ 100 МВТ; (2.8) где Птах - периметр, соответствующий значению Qn= 100 МВт, м.
Для варианта загорания в вагоне грузового поезда рассматривалась следующая схема развития пожара. Предполагается, что горючие материалы размещаются от уровня верхнего строения на высоте, соответствующей высоте уровня пола вагона. Характеристики горения пожарной нагрузки принимаются по данным, полученным в ходе огневых экспериментов, и соответствуют усредненным показателям используемых при постройке вагонов горючих материалов. Принимается расположение очага пожара в центральной части поезда. Схема распространения пожара в поезде представлена на рис.2.1. Распространение горения происходит с линейной скоростью, равной в течение первых 10 мин пожара 0,5 V„, в последующий период - Vn. После достижения фронтом горения боковых стенок вагона площадь горения будет представлять часть круга с увеличивающимся радиусом, ограниченного боковыми стенками вагонов.
Определение величин аэродинамических сопротивлений расчетной схемы
Аэродинамическое сопротивление трения выработки (воздуховода) определялось по формуле: Кл„н = ал„„-Ь-Р/83 (3.20) где аЛин - коэффициент аэродинамического сопротивления воздуховода, Па-с2м 2; L - длина выработки тоннеля, м ; S - площадь поперечного сечения выработки тоннеля, м2; Р - периметр выработки тоннеля, м. Для определения аэродинамического сопротивления вентиляционных шахт использовалась формула: К-вш = (Хст Ь ст ст " ст SCTB P " СТВ " ст "вт вт Ь вт " " SBT P -" ВТ \J- ) где aCTB, aBT - коэффициенты аэродинамического сопротивления ствола и вентиляционного тоннеля (при его наличии) шахты. LCTB, LBT - длина соответстенно ствола шахты и вентиляционного тоннеля, м ; SCTB, SBT - площади поперечного сечения ствола шахты и ее вентиляционного канала, м2; Ре, Рвт - периметры ствола и вентиляционного тоннеля, м; ств вт - коэффициенты местного сопротивления для шахтного ствола и вентиляционного канала (венткамеры). Эти величины приняты одинаковыми для всех вентиляционных шахт и в соответствии с /116/ равными ств = 16, вт = 10. р - плотность воздуха, р = 1,21 кг м 3.
Коэффициенты аэродинамического сопротивления вентканалов принимались равными 0,005 Па-с2-м 2. Аэродинамические сопротивления вентиляторов принимались по их аэродинамическим характеристикам по точке, соответствующей их работе без нагрузки. Местные аэродинамические сопротивления определялись по формуле: Rm = 4m-P/2S2 (3.22) где т - коэффициент местного сопротивления; S - площадь поперечного сечения потока, м2.
Коэффициенты местного сопротивления определялись по формулам: при повороте струи: =0,57-52 (3-23) где 8 - угол поворота, рад; при внезапном сужении потока: где Є - величина, зависящая от соотношения S2/S1; при внезапном расширении потока: %m = (Sa/Si -1)2 (3.25)
Значения m для выражений (3.24, 3.25) принимались по приложениям /116/. Сопротивления вентиляционных проемов принимались из выражения: R= p/(2SVn) (3.26) где Snp - площадь проема, м ; JJ, - расходный коэффициент проема, Ц = 0,64.
При расчете аэродинамических сопротивлений общая площадь вентиляционных отверстий принималась близкой к площади поперечного сечения соответствующего вент-канала. Эквивалентные сопротивления дымовых зон принимались с расчетом равномерного распределения поперечных расходов в тоннеле. Поперечные сечения стволов и каналов шахт принимались равными сечениям вентканалов в тоннеле.
Вентиляционные шахты рассматриваемого тоннеля предполагается оснастить вентиляторами следующих типов: для участка тоннеля закрытого способа работ в качестве приточных вентиляторов предполагалось использование вентиляторов типа ВДН-20, для участков тоннеля открытого способа работ - вентиляторов типа ВДН-18. В качестве вентиляторов вытяжки предполагалось использование соответственно вентиляторов типа ДН-24 и ДН-19. Для аппроксимации зависимости полного давления вентилятора от его расхода в рабочей зоне его характеристики использовалась зависимость вида: H = a-bQ2 (3.27) где Н - депрессия (полное давление) вентилятора, Па; Q - расход вентилятора, м3 с"1; a, b - числовые коэффициенты.
Для составления этих характеристик на рабочей зоне графика характеристики выбирались 5 точек, каждая из которых была определена парой значений "давление" - "расход".
Расчеты воздухораспределения при эксплуатационных режимах вентиляции
Для проведения расчетов воздухораспределения использовалось программное средство «Wentnet» Санкт-Петербургского филиала ВНИИПО, разработанное для расчетов вентиляционных сетей (Приложение 2).
Это средство позволяет в графическом виде воспроизводить структуру вентиляционной сети, задавать параметры ее элементов. Для вентиляторов задавались параметры, соответствующие предварительным расходам, количеству и направлению включения агрегатов, выданные заказчиком. Для ветвей сети - направления расходов и величины сопротивлений, определенные в подразделе 2.
По результатам расчета корректировались направления и параметры расходов вентиляционной сети (за счет изменения количества включенных вентиляторов) до величин, максимально близких к эксплуатационным расходам.
Выбор варианта конструктивного исполнения устройства
Рассматривались два наиболее типичных варианта исполнения обделки тоннеля участков глубокого заложения: обделка из чугунных тюбингов и из железобетонных тюбингов.
В качестве возможных вариантов реализации конструктивного исполнения рассматриваются перемычки, состоящие из надувных секторов (схема представлена на рис.4.1) и перемычки представляющие собой один профильный экран (рис.4.2), разворачивающийся от верхнего свода тоннеля. Система подачи газа для заполнения оболочки и ее расположение одинаковы за исключением трассировки трубопроводов и мест подвода газа. Жесткость конструкции в первом случае обеспечивается за счет крепления боковых секторов к обделке тоннеля и поджатая центральной оболочки боковыми секторами при заполнении. Во втором варианте жесткость конструкции обеспечивается за счет опускания экрана по направляющим на обделке тоннеля и его фиксации при заполнении.
Стоимость приведенных вариантов экспериментальных конструкций перемычек (в полной комплектности с учетом разработки технической документации) составляет 100 000 тыс. руб. Ориентировочная стоимость серийного образца перемычки - 25 000...30 000 тыс.руб.
Определены возможные места установки быстровозводимых перемычек. Выбор экспериментальных участков проводился на основании проведенных предварительных расчетов с учетом достижения максимальной эффективности действия перемычки и следующих условий: - участок представляет собой однопутный тоннель; - участок имеет типичный вариант обделки тоннеля; - целесообразность установки (защита станции с наибольшими пассажиропотоками).
Схема профиля пути Люблинской линии с указанием возможных участков установки быстровозводимых перемычек представлена на рис.4.3. Места установки перемычек пронумерованы на схеме номерами 1, 2, 3. Окончательный выбор места установки определялся после согласования со службами метрополитена.
В результате выполнения работы был разработан, изготовлен и смонтирован в тоннеле Мосметрополитена опытный образец быстровозводимой перемычки. Опытный образец перемычки в окончательном варианте исполнения состоит из двух, соединенных между собой, кольцевых камер диаметром 250 мм, центрального полотна, перекрывающего основную площадь сечения тоннеля и системы наполнения камер (баллон емкостью 10 л, запорная арматура, трубопроводы подачи воздуха). Общий габаритный размер конструкции (по пеНастоящие методические рекомендации распространяются на проектирование и строительство новых и реконструкцию действующих городских тоннелей на железных дорогах общей сети и автомобильных дорогах общего пользования всех категорий. Рекомендации следует применять для автодорожных тоннелей длиной более 250 м и железнодорожных тоннелей длиной более 400 м.
Совокупность объемно-планировочных решений, комплекса технических средств, а также мер по противопожарной защите тоннеля характеризуется уровнем обеспечения пожарной безопасности людей на объекте, который должен быть не менее требуемого в соответствии с ГОСТ 12.1.004.
Противопожарная защита тоннелей должна обеспечивать безопасную эвакуацию людей, создание условий для боевых действий пожарных подразделений вне зависимости от места расположения очага пожара.
При функционировании транспортных тоннелей выделяются следующие временные стадии: до возникновения пожара; возникновение и развитие пожара; тушение пожара.
Обеспечение пожарной безопасности в транспортных тоннелях на стадии, предшествующей возникновению пожара, определяется профилактическими, технологическими и конструктивными мероприятиями, направленными на предотвращение возникновения пожара в транспортных средствах, осуществляющих пассажирские и грузовые перевозки, а также организацией перевозочного процессариметру кольцевых камер) соответствует внутреннему диаметру обделки тоннеля и равен 5,5 м (рис.4.4).
