地鐵大斷面區間隧道排煙方式分析與探討

黃澤茂

地鐵大斷面區間隧道排煙方式分析與探討

黃澤茂

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

通過對目前地鐵大斷面區間隧道通常采用的縱向通風的防排煙方式進行分析,針對縱向通風存在的煙氣過站、車中火災時部分乘客在煙霧中疏散等問題,提出利用區間隧道頂部空間,設置排煙風道的半橫向通風方式,并針對半橫向通風方式存在的問題進行分析和提出相應解決方案,所得結論可為地鐵工程中大斷面區間隧道的防排煙設計提供參考。

地鐵;大斷面區間隧道;排煙;縱向通風;半橫向式通風;排煙量

1 概述

地鐵車站和區間是深埋于地下的構筑物,除通過出入口和風道與室外相通外,基本與大氣隔絕,且由于地鐵內人流密集、空間封閉、電氣設備繁雜等,火災危險性較大,且發生火災時,人員疏散較為困難,特別是地下區間隧道,空間更為狹小,一旦發生火災,大量高溫煙氣會迅速聚集,給人員疏散和滅火搶險帶來困難,因此設置有效的機械防排煙系統是地鐵工程通風系統設計的重中之重。

2 地鐵區間隧道縱向通風方式分析

根據《地鐵設計規范》中第19.1.36條“當區間隧道發生火災時,應能背著乘客疏散方向排煙,迎著乘客疏散方向送新風。”[1]的規定,地鐵區間隧道通常采用縱向通風的防排煙方式,根據列車著火部位進行防排煙氣流組織及人員疏散。若是列車一端著火,則開啟靠近著火部位一側車站的隧道通風機進行排煙,同時開啟遠離著火部位一側車站隧道通風機進行送風,乘客迎著新風撤離。如果列車中部著火,則利用距離著火列車較近車站的區間隧道通風機送風,距離著火列車較遠車站的區間隧道通風機排煙,乘客向較近的車站疏散,此種情況下,有一部分乘客需要在煙氣中行走至聯絡通道處,疏散到另外一條隧道,由于人在煙氣中走行的距離有限,當停車地點距離聯絡通道較遠時,將無法保證這部分乘客安全疏散。

同時《地鐵設計規范》中第19.1.40條規定“區間隧道火災的排煙量,按單洞區間隧道斷面的排煙流速不小于2m/s計算,但排煙流速不得大于11m/s。”[1]地鐵隧道通風機一般是根據這條規定,利用模擬程序(如SES、STESS等)計算得出的。

根據運營安全需要,一條地鐵線路的某些車站往往會設置單渡線、存車線、交叉折返線等聯絡線,這就會出現在聯絡線處采用大斷面隧道的情況,表1是一些典型隧道斷面的面積以及按照《地鐵設計規范》中最小的風速規定,對應的排煙風量。圖1是某帶存車折返線的區間隧道通風系統采用縱向通風時的原理。

表1 典型隧道斷面排煙風量

圖1 某帶存車折返線的區間隧道縱向式通風原理

從表1中可以看出當出現大斷面隧道時,所需的排煙風量非常大,通常是普通區間隧道斷面2倍甚至更多,因此通常需要加大大斷面區間兩端的區間隧道風機,且需要同時開啟著火區間兩端車站的所有區間隧道風機,還需要在隧道內設置射流風機來輔助,才能滿足斷面風速不小于2m/s的要求。但此種通風方式會存在煙氣會流經車站有效站臺的情況,當有列車需要進站疏散乘客時,過站煙氣會對疏散的乘客造成傷害,且存在乘客向區間風機房方向疏散的情況,區間風機房疏散條件較差。因此在帶配線的大斷面區間隧道處采用縱向通風的方式存在弊端。為了解決以上存在的問題,可以借鑒公路隧道采用半橫向式通風的方式。

3 半橫向式通風方式在大斷面區間隧道的應用分析

根據國內地鐵工程的相關經驗,此類型的大斷面區間隧道多采用暗挖法施工,由于暗挖隧道斷面為馬蹄形,在滿足限界的情況下,隧道上方還有較大空間,因此可以利用此部分空間設置土建排煙風道及排煙風口,利用區間隧道風機兼做排煙風機,當列車在此區域范圍內發生事故時,通過風閥的轉換,直接從列車頂部排除煙氣。圖2是某帶存車折返線的區間隧道通風系統采用半橫向式通風方式時的原理。圖3為設置軌頂排煙風道的隧道斷面。

當設計的排煙量不小于火災的產煙量時,便能夠有效地把煙層控制在區間的上層區域,而下層則成為一個無煙的疏散區域,乘客始終是在無煙區域疏散,安全性高,同時排煙模式簡單,可靠性也高,不會出現縱向通風時煙氣過站的情況。同時由于采用橫向式排煙方式,所需控制煙氣的煙量會遠遠小于縱向通風時的煙量,大斷面區間兩端的隧道風機也不需要加大,區間隧道內也不需要設置射流風機,與縱向通風相比,土建及通風、配電設備等初投資方面均較少,同時也減少了運營維護的工作量。

圖2 某帶存車折返線的區間隧道半橫向式通風原理

圖3 軌頂排煙風道的隧道斷面(單位:mm)

4 半橫向式通風方式應用存在的問題及解決方案

由于半橫向式通風方式與縱向通風相比有較多的優點,國內地鐵工程中已在一部分地鐵工程采用,在采用的工作中也存在以下問題需要解決。

4.1 排煙量的確定

目前地鐵的相關設計規范中沒有提到此種排煙方式,對于排煙量的計算也無明確規定。因此排煙量的確定是首先要解決的問題。

目前設計中排煙量的確定方法一般為2種。一種為采用現行相關規范中關于排煙量計算的規定,按防煙分區的面積計算;另一種是根據消防性能化的設計方法,通過相關的煙氣羽流模型總結出來的公式進行計算。下面分別利用這2種方法來計算排煙量。

(1)按照面積計算排煙量

參考《地鐵設計規范》第19.1.39條規定:“地下車站站臺、站廳火災時排煙量,應根據防煙分區的建筑面積按1m3/(m2·min)計算?！盵1]該存車線區域每條隧道的長度為230 m,存車線區域的投影面積為2 371m2,因此排煙量為142 260m3/h,即39.52m3/s。

(2)按照煙氣羽流模型計算排煙量

列車火災的特點為當列車達到轟燃后,高溫煙氣通過列車兩側的車窗同時向隧道流出,通?？梢詫⒘熊嚮馂臒煔庥鹆骺醋魇请p側線性羽流,因此可以利用線性羽流模型進行計算,采用以下公式計算[2-3]

式中 M——列車雙側煙羽流的質量產煙量,kg/s;

V——列車雙側煙羽流的體積產煙量,m3/s;

Q——火源熱釋放速率,取7 500 kW;

w——羽流寬度,取2.25m;

y——火源所在平面到煙氣層高度,取2m;

h——列車開口等效高度,取0.9 m;

cp——煙氣比熱容,取1.001 kJ/(kg·K);

ρ0——環境空氣密度,1.2 kg/m3;

T0——環境空氣溫度,取293.15 K。

通過計算可以得出,排煙量為31.56m3/s。

通過以上2種方法計算,可以看出2種方法計算的結果相差不大,根據規范計算出的排煙量較大,偏安全,因此可以參照規范采用防煙分區面積法計算排煙量。考慮到為了滿足區間其他區段的排煙工況,一般單臺區間隧道風機的風量為60m3/s,遠遠大于所需要的排煙量,因此建議大斷面區間內的排煙量按照區間隧道風機的排煙量來選取。

4.2 排煙口的設置方式

由于排煙風道長度較長,參照現行的防火規范中相關要求,采用排煙口距離最不利點的距離不大于60m來設置排煙口,一般區段內需設置4組排煙口。為了保證各排煙風口的風量,需在每個風口設置調節裝置,同時由于風口位于區間隧道上部,檢修較為困難,且如果風口固定不牢固,在活塞風的長時間作用下,有可能會脫落,對列車的運營造成影響,因此風口及風道的設置方式是需要考慮的問題。

筆者認為可以參考車站內的軌頂排熱風口的做法,不設置排煙風口,只在風道底板上開孔,在風道內部風孔上設置插板閥,風量初次調節平衡后,將插板閥牢固固定于風道底板上,可避免風口脫落對列車運營造成影響。同時,在設置排煙風道時,可合理地對排煙風道進行分隔,使得每條風道上的風口數量盡量少,分別接入到區間隧道風機房內時,在中板上設置電動多葉調節閥,調節各條風道的風量,使各風口風量平衡。

5 結語

半橫向式通風的方式,利用暗挖隧道頂部的空間,在增加很少投資的情況下,設置軌頂排煙風道排除煙氣,形成一個無煙的疏散區域,避免了由于區間隧道斷面太大,需要滿足縱向排煙臨界風速的風量太大,而導致需開啟車站所有的區間隧道排煙風機,從而引起煙氣過站,威脅乘客安全疏散等一系列問題,還可避免加大隧道風機容量、設置射流風機等,降低土建及通風、配電設備初投資,減少運營維護工作;同時在車中發生火災時,所有乘客都可以位于無煙區疏散,控制模式簡單,安全可靠。綜上所述,半橫向式通風在大斷面區間隧道排煙設計時,可以參照《地鐵設計規范》中的規定,按大斷面區域投影建筑面積1m3/(m2·min)計算排煙量,同時可以通過采用風道的合理分隔和風口設置調節插板閥等方法使各風口排煙量均勻,這就為地鐵隧道通風提供了一種新的方式,在今后同類工程中值得借鑒和采用。

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Research on Smoke Exhaust Mode of Metro Tunnelw ith Large Cross-section

HUANG Ze-mao
(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.,Xi'an 710043,China)

The thesis analyzes the smoke exhaustmode in the form of longitudinal ventilation,which is frequently used in metro tunnels with large cross-sections.Then,focusing on those problems in longitudinal ventilation mode,such as smoke passing through the station and passengers escaping in the smoke when the train catches fire,the thesis puts forward a semi-transverse ventilation mode in which the smoke exhaust ducts should be installed at the top of themetro tunnel.Further,the thesismakes detailed research on the problems existed in this semi-transverse ventilationmode and provides themethods of how to solve them.The conclusion may serve as valuable reference for smoke exhaust system design ofmetro tunnel with large cross-section.

metro;metro tunnel with large cross-section;smoke exhaust;longitudinal ventilation; semi-transverse ventilation;smoke exhaust volume

U231+.5

A

1004-2954(2013)07-0091-03

2013-01-10

黃澤茂(1981—),男,工程師,2003年畢業于西南交通大學,工學學士。