地鐵長大過海區間隧道通風排煙方案

朱祝龍， 田 峰， 陳 洋， 張 宇

(中鐵隧道勘測設計院有限公司第五設計分院， 天津 300133)

地鐵長大過海區間隧道通風排煙方案

朱祝龍， 田 峰， 陳 洋， 張 宇

(中鐵隧道勘測設計院有限公司第五設計分院， 天津 300133)

針對地鐵長大過海區間隧道通風排煙問題，結合青島地鐵1號線瓦貴區間工程，采用理論及對比分析、數值解算等方法，分析過海區間隧道區間風井設置、火災工況氣流組織等問題。介紹青島地鐵1號線瓦貴區間概況，然后提出區間風井設置的要點，參考國內相關城市過江工程實例，采用土建排煙風道，以保證災害工況下兩車追蹤人員的疏散安全。闡述陸域段防排煙和海域段防排煙方案，對于陸域段，排煙方案可以按照常規地鐵區間進行設置；對于海域段，需根據區間長度，采用全吊頂或者局部吊頂排煙方案。通過研究區間火災安全目標，設定熱釋放功率為10 MW，隧道臨界風速為2.1 m/s，重點排煙量為80 m3/s，并繪制通風網絡解算結果圖，解算結果表明各區間風井的防排煙系統均滿足規范要求。

地鐵； 長大過海區間； 通風排煙； 隧道； 海域防排煙； 通風網絡解算

1 研究背景

近年來，地鐵過海隧道作為改善城市環境、緩解城市交通的有效措施開始出現。地鐵運營期間的主要災害為火災事故、大客流的人群踩踏事故、地鐵工程水淹事故、恐怖襲擊時的爆炸和毒氣泄漏事故、高架線路列車脫軌事故等。對國內外地鐵火災、水災、停電、列車出軌或相撞、爆炸、地震等事故進行統計，如圖1所示[1-2]。

圖1 地鐵事故分布Fig.1 Statistics of subway accidents

從圖1可以看出，火災事故是威脅地鐵安全的主要因素，約占地鐵事故總數的57%。由于過海區間隧道路徑較長、過江隧道斷面較小、人流密集等因素，地鐵過江隧道一旦發生火災，溫度上升快、濃煙不易擴散、人員疏散困難，極易造成較大人員傷亡事故[3-4]。因此，如何科學、合理地進行地鐵長大過海隧道的火災煙氣控制，已經成為一個非常重要的課題。本文結合青島地鐵1號線瓦貴區間分析地鐵長大區間隧道區間風井、通風排煙方案的設置問題，利用通風網絡解算程序MVNS對通風排煙方案進行驗證，提出適合地鐵長大過海區間隧道的通風排煙方案，為控制地鐵區間火災煙氣和人員疏散提供依據。

2 工程概況

青島地鐵1號線瓦屋莊站—貴州路站區間(以下簡稱瓦貴區間)，起自黃島區瓦屋莊站，線路沿既有膠州灣隧道東側向北下穿膠州灣灣口海域后，接入青島主城區貴州路站。線路全長約7.8 km，其中海域段約3.5 km。采用B型車6輛編組，定員1 460人，陸域段最高設計時速為80 km/h，海域段最高設計時速為100 km/h。綜合考慮線路、施工組織及防災救援等因素，瓦貴區間采用單洞雙線。

3 區間風井設置

遠期高峰時段瓦貴區間內同一時刻有3列列車運行，兩車最小行車間距分別為陸域2 100 m、海域2 700 m。為保證火災情況下的行車安全，信號專業需強制保證每個通風區間僅有1列列車運行。另為保證乘客安全疏散，災害工況隧道內送風方向需與乘客疏散方向相反，盡量使人煙分離，保證人員疏散隧道內的能見度和安全性。

結合隧道線路、地面條件和車站站位，整個過海區間設置3座區間風井，風井中心里程初定為K15+700(1#風井，位于薛家島車輛段內)、K16+800(2#風井，位于薛家島岸邊)和K20+800(3#風井，位于團島岸邊軍事用地院墻外側綠地內)，則瓦屋莊站至1#風井區間、1#風井至2#風井區間以及3#風井至貴州路站區間內遠期高峰時段僅有1列列車運行，風井布置如圖2、3所示。

圖2 區間風井平面布置示意Fig.2 Diagram of the tunnel shaft layout

圖3 區間風井平面布置Fig.3 Diagram of the subsea tunnel shaft

4 通風排煙方案

4.1 陸域段防排煙方案

根據前述分析，瓦屋莊站至貴州路站陸域段區間遠期高峰時段同一時刻最多有1列車運營，火災時采用軸流風機推拉式送風排煙方案，風機運行模式需根據火災點位置及車站、區間風井風機布置綜合考慮。列車火災氣流組織如圖4、5所示。

圖4 陸域段瓦屋莊站—1#風井區間列車火災氣流組織示意Fig.4 Diagram of air current with fire in 1# shaft of Wawuzhuang station for land area

圖5 陸域段3#區間風井—貴州路站區間列車火災氣流組織示意Fig.5 Diagram of air current with fire in 3# shaft of Guizhoulu station for sea area

4.2 海域段防排煙方案

海域段(2#風井至3#風井4 km區間)遠期高峰時段同一時刻有2列車運行，可以采用分段縱向排煙及半橫向排煙方案。借鑒南京、武漢、廈門等城市軌道交通工程實例，在行車隧道上部設置土建排煙道，有局部設置排煙道和全長設置排煙道兩種方案，如圖6所示。

圖6 海域段土建排煙道設置示意Fig.6 Diagram of smoke duct in sea area

為了避免海域段列車追蹤，局部土建排煙道應能將整個區間劃分為2個區段，且分段長度小于2 700 m。采用局部土建排煙道設置方案，若2#至3#區間風井為一個牽引供電區段，當前車車尾或后車車頭著火排煙時將影響非火災車輛人員的疏散。雖然局部土建排煙道設置方案工程投資少，施工工期短，但其不能解決整個海域段牽引斷電時著火列車的排煙問題，因此海域段采用全長設置土建排煙道方案。全長設置排煙道時列車火災氣流組織示意如圖7所示。

圖7 列車火災排煙氣流組織Fig.7 Air current of smoke extraction when the train catched fire

5 區間火災通風網絡解算

5.1 區間火災安全目標

1) 火源熱釋放功率。對于國內新投入運行的地鐵車輛，其結構都是由不燃或阻燃材料構成，列車內發生火災多是由于乘客的行李燃燒后引起車廂內材料的局部燃燒。熱釋放速率設定為10 MW。

2) 排煙風速設定。《地鐵設計規范》[9]第28.4.12條要求：區間隧道火災的排煙量，應按單洞區間隧道斷面的排煙流速不小于2 m/s且高于計算的臨界風速計算，但排煙流速不得大于11 m/s。當隧道采用縱向通風控制煙流時，縱向風速應大于臨界風速。縱向通風臨界速度可由Kenndy公式[10]計算。

Vc=K1Kg(gHQ/ρCpATf)1/3

(1)

Tf=(Q/ρCpAVc)+T

(2)

Kg=1+0.0374G0.8

(3)

式中，K1=0.606；Vc為臨界風速，m/s；H為隧道頂高度，m；A為隧道斷面面積，m2；G為隧道坡度；Kg為坡度修正系數；Tf為煙氣平均溫度，K；T為環境空氣溫度，K；Cp為空氣定壓比熱，kJ/(kg·K )；g為重力加速度，m/s2；ρ為空氣密度，kg/m3。

經計算，本隧道臨界風速為2.1 m/s。

3) 半橫向排煙量設定。當隧道采用重點排煙時，根據《上海市建筑防排煙技術規程》相關要求，可采用軸對稱模型計算火災產煙量：

(4)

(5)

(6)

ΔTP=Qc/MρCp

(7)

V=MpT/ρ0T0

(8)

式中，Qc為熱釋放量的對流部分，一般取0.7Q，kW；Z為燃料面到煙層底部的高度，m；Z1為火焰極限高度，m；Mp為煙縷質量，kg/s；ΔTP為煙氣平均溫度和環境溫度差，K；Cp為空氣定壓比熱，kJ/(kg·K )；V為排煙量，m3/s；ρ0為環境空氣溫度下的密度，kg/m3；T0為環境絕對溫度，K；T為煙氣的絕對溫度，K。

經計算，火災下煙氣產煙量為51 m3/s。根據文獻[11]研究，當排煙道風量達到80 m3/s時，能長時間將10 MW規模火災的煙氣控制在列車周邊150 m范圍內，乘客只要及時撤離有煙區域即能安全疏散出去。因此綜合產煙量、最大漏風量及相關研究，本研究設定重點排煙量為80 m3/s。

5.2 網絡解算

青島地鐵1號線采用站臺門系統，隧道通風系統采用雙活塞風道模式。每座車站設置4臺隧道風機，每臺風量為60 m3/s。結合前述分析，1#風井設置2臺隧道風機，每臺風量為60 m3/s；2#和3#風井分別設置2臺隧道風機，每臺風量為80 m3/s。當區間發生火災時，車站U/O風機不開啟，因此計算時不予考慮，火災阻力根據PIARC經驗公式進行計算后作為自然風壓等效處理，停止列車的計算通風阻力等效隧道流程阻力[7]，通風網絡示意如圖8所示。

圖8 通風網絡解算節點圖Fig.8 Node diagram of ventilation network calculation in subsea tunnel

以左線海域段發生火災為例，開啟2#風井風機進行排煙，3#風井風機進行補風，在隧道內形成沿行車方向的氣流，海域段通風網絡解算結果如圖9所示。各區間火災(均以左線為例)通風網絡解算結果如表1所示。

圖9 海域段通風網絡解算結果Fig.9 Result of ventilation network calculation in subsea tunnel

5.3 解算結果判定

根據表1，各區間結果判定如表2所示。

6 結論與建議

對于地鐵長大過海區間，需針對不同區域設置不同的排煙方案。對于陸域段，排煙方案可以按照常規地鐵區間進行設置；對于海域段，需根據區間長度，采用全吊頂或者局部吊頂排煙方案。

表1 火災工況計算風量

表2 對比分析結果

本文僅針對長大區間及相鄰兩車站進行火災風網解算，尚有待后續納入全線進行解算，以便提出更全面的火災排煙方案及火災工況下設備的聯動措施。另外，需結合通風排煙方式綜合考慮人員疏散，以便對工程最終實施提供更可靠的理論支撐。

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(編輯：王艷菊)

Ventilation and Smoke Extraction in Long Subsea Subway Tunnel

ZHU Zhulong, TIAN Feng, CHEN Yang, ZHANG Yu

(Fifth Design Branch, China Railway Tunnel Survey & Design Institute Co., Ltd., Tianjin 300133)

Some technical problems including ventilation and smoke exhaust, fire escape and evacuation, etc., have occurred in long subsea tunnels with the rapid development of tunneling technology which allows to construct longer and more complicated subsea tunnels. Shaft and smoke extraction in the subsea section of the tunnel is analyzed by citing Wagui tunnel in Line 1 in Qingtao as a case. Theoretical and contrastive analysis is made and ventilation network calculation is done. The reasonable and feasible ventilation and smoke extraction that can ensure safe operation of the tunnel is put forward. The fire safety target is studied and it is found that the heat release power is set to 10 MW, the tunnel critical wind velocity is 2.1 m/s, the smoke emission is 80 m3/s, and the results of the ventilation network are plotted. The solution shows that every smoke control system of the ventilation can meet the requirements of the code.

subway; long subsea section; ventilation and smoke extraction; tunnel; smoke prevention and control; ventilation network solution

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.01.019

2016-01-15

2016-06-27

朱祝龍，男，工程師，碩士，主要從事地鐵、公路隧道及鐵路隧道設計工作，Zhuzhulongqd@163.com

U231.5

A

1672-6073(2017)01-0094-04