某跨海地鐵隧道通風系統模擬分析

2017-06-05 15:09:19孫勛考

中國設備工程 2017年10期

關鍵詞：風速

孫勛考

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司城地院暖通所，湖北武漢 430000)

某跨海地鐵隧道通風系統模擬分析

孫勛考

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司城地院暖通所，湖北武漢 430000)

地鐵位于地下且相對封閉,特別是長大海底地鐵隧道，地鐵隧道通風與排煙顯得尤為重要。結合某市正在建設的軌道交通跨海區間工程實例, 采用地鐵環控計算軟件SES對跨海段隧道通風正常運行、阻塞工況、火災工況進行模擬分析。正常運行時，跨海區間人均新風量為240m3/h?人，區間換氣次數為5.9次/h，跨海段隧道內溫度、新風量、換氣次數均滿足標準要求。阻塞工況時，阻塞通風模式運行穩定后，兩輛列車周圍最高溫度（空調冷凝器周圍）分別控制在37.1℃、37.6℃，阻塞段通風風速為2.45m/s，滿足設計標準要求。火災工況時，通過在跨海區間設置中間風道，正確組織隧道風機、排熱風機及相關風閥的動作模式，可以滿足跨海段各種工況下的通風排煙要求。長大海底隧道工程中通風、排煙設計復雜且重要。

地鐵；跨海隧道；火災工況；SES；模擬

隨著經濟的快速發展，我國大城市軌道交通進入全新的快速發展時期。城市中地鐵位于地下空間相對封閉，尤其是海底長達隧道。在國外，許多國家都曾發生過地鐵隧道內的火災、阻塞等緊急情況，對人身、財產造成損失。在遇到火災、阻塞等特殊情況時，如何設計地鐵通風系統以滿足盡快安全疏散人群的要求，是一個需要研究的關鍵問題。本文依據廈門軌道交通2號線一期工程海滄大道站—東渡路站區間隧道下穿廈門西海域工程，分別對正常工況、阻塞工況、火災工況進行模擬及分析研究。該工程是我國第一個穿越海底的地鐵隧道，國內首次采用盾構法施工。跨海段線路東接郵輪母港，西接海滄CBD，中間穿越大兔嶼島，區間隧道全長約2.739km，其中海域段長約2.12km。

1 正常工況模擬與分析

跨海段區間隧道較長，結合隧道平縱斷面、施工工法和地面條件，在區間中部設置中間風道，中間風道將跨海段劃分為兩個區段，分別約為1007.6m、1730.9m,根據行車專業牽引計算，每個區段只存在一輛列車運行。運營通風均采用活塞通風的方式，阻塞和火災工況下通風采用縱向通風排煙。根據模擬計算，跨海段中間風道不設置活塞通風功能，區間內溫度和新風量也可滿足規范要求，因此中間風道只設機械通風功能。為了較準確掌握隧道通風系統的實際運行情況，本次設計采用SES（地鐵環境模擬）軟件對包括跨海段在內的蘆坑站—湖濱中路站區間進行了模擬計算。

正常運行工況下遠期隧道內溫度分布見圖1。

圖1 正常運行工況下遠期隧道內溫度分布

遠期在跨海段兩端車站排熱風機全開的情況下，跨海區間右線最高溫度為37.6℃，出現在東渡路站；跨海區間左線最高溫度為37.9℃，出現在海滄大道站。溫度計算中隧道周邊按土壤考慮，由于現階段缺少海水流速、溫度等資料，本次計算未考慮海水流動對換熱的有利影響。經初步計算，跨海區間人均新風量為240m3/h·人，區間換氣次數為5.9次/h，跨海段隧道內溫度、新風量、換氣次數均滿足標準要求。

2 阻塞工況模擬與分析

為了保證阻塞時列車內乘客可以忍受的車內環境，隧道內必須通過機械通風降低列車周圍的溫度，控制列車區域平均溫度在40℃以內，并保證最不利點（冷凝器周圍）的環境溫度不超過45℃。當阻塞列車停在區間時，列車附近的活塞風效應逐漸減弱，環境溫度快速上升，在2～3分鐘內將達到45℃，所以必須在2分鐘內開啟相應的隧道通風機，同時風量也應滿足一定的要求方能保證列車空調器的正常工作。由于跨海段區間較長，考慮跨海段遠期高峰時段可能同時存在2列車追蹤運行（該工況為最不利情況），以2列車同時阻塞在跨海段左線隧道內為例，分析阻塞工況下隧道通風系統的動作模式。關閉東渡路站排熱風機，開啟東渡路站兩端各1臺隧道風機對事故隧道進行送風，維持海滄大道站排熱風機運行，開啟海滄大道站兩端各1臺隧道風機對事故隧道進行排風，同時關閉中間風道左線活塞風，模擬結果顯示阻塞通風模式運行穩定后，2輛列車周圍最高溫度（空調冷凝器周圍）分別控制在37.1℃、37.6℃，阻塞段通風風速為2.45m/s，滿足設計標準（圖2）。

圖2 跨海段左線阻塞通風示意圖

圖3 臨界風速下區間隧道火災煙氣流動云圖

3 火災工況模擬與分析

當區間發生火災情況時，事故列車停靠在區間，此時的隧道通風運行方式應以乘客疏散模式為依據。火災時開啟靠疏散平臺一側的車門，乘客下到疏散平臺面對氣流方向縱向疏散，可以通過聯絡通道疏散到另外一條隧道中，到達車站逃生。控制火災時的煙氣流向的臨界風速與線路的坡度、隧道截面幾何尺寸、火災發熱量、火災位置、煙氣溫度等有密切關系。采用縱向通風排煙時，通風風速應大于阻擋煙氣回流的臨界風速，并應大于等于2m/s，根據線路和隧道專業資料，斷面積24.2m2，周長為18.1m，隧道凈高4.8m，隧道最大坡度為28%；火災規模：7.5MW，由臨界風速計算公式可得，臨界風速為2.05m/s。圖3是隧道區間送風速度大于臨界風速時的縱向排煙CFD模擬圖，從圖中可以看出，煙氣在送風速度下傾斜，無回流現象產生，能夠保證人員安全。

由于火災可能發生在區間和列車上的任何位置，為滿足防災要求，運行模式相當繁多，同時為控制隧道通風系統規模和掌握火災運行的氣流組織規律，本次模擬計算以跨海段左線火災為例，分析火災工況下隧道通風系統的動作模式。以海滄大道站—東渡路站左線區間火災工況為例。以海滄大道站—中間風道區間、中間風道—東渡路站兩個區間內各有一列車為重點研究對象。

3.1 海滄大道站—東渡路站左線區間火災（一）

一輛列車阻塞于中間風道與東渡路站之間，另一輛著火列車停在海滄大道站和中間風道之間。車頭發生火災時，列車后方聯絡通道可作為乘客的疏散或消防員進入通道。維持海滄大道站車站排熱系統排風，開啟海滄大道站大小里程各一臺隧道風機對左線進行排風排煙，關閉中間風道左線活塞風，開啟東渡路站小里程端兩臺隧道風機和東渡路站大里程端一臺隧道風機對左線區間進行送風，該站車站排熱系統關閉，如圖4所示。模擬結果表明當通風系統達到穩定后，可以保證阻塞段達到2.75m/s的風速；火災段達到2.75m/s的通風風速，大于阻擋煙氣回流的臨界風速2.05m/s，滿足設計要求。

當車尾火災時，列車前方聯絡通道可作為乘客的疏散或消防員進入通道。此時關閉東渡路站和海滄大道站排熱系統，開啟海滄大道站兩端各一臺隧道風機對左線進行送風，同時開啟東渡路站小里程端一臺隧道風機對左線進行送風，開啟中間風道兩臺隧道風機對左線排煙，如圖5所示。模擬結果表明當通風系統達到穩定后，可以保證火災段達到2.69m/s的通風風速，大于阻擋煙氣回流的臨界風速2.05m/s，阻塞段達到2.52m/s的風速，滿足設計要求。

3.2 海滄大道站～東渡路站區間左線火災（二）

一輛列車阻塞于海滄大道站和中間風道之間，另一輛著火列車停在中間風道與東渡路站之間。車頭發生火災時，列車后方聯絡通道可作為乘客的疏散或消防員進入通道。此時關閉東渡路站和海滄大道站排熱系統，開啟東渡路站大、小里程端各一臺隧道風機對左線區間送風，開啟海滄大道站大里程端一臺隧道風機對左線區間送風，開啟中間風道兩臺隧道風機對左線排煙，如圖6所示。模擬結果表明當通風系統達到穩定后，可以保證火災段達到2.76m/s的通風風速，大于阻擋煙氣回流的臨界風速2.05m/s，阻塞段達到2.55m/s的風速，滿足設計要求。

在最不利情況下，當車尾火災時，列車前方聯絡通道可作為乘客的疏散或消防員進入通道。維持東渡路站排熱系統運行，并開東渡路站大、小里程端各一臺隧道風機對左線進行排煙排風，同時關閉中間風道左線活塞風，關閉海滄大道站排熱風機，開啟海滄大道站大里程端兩臺隧道風機和小里程端一臺隧道風機對左線進行送風，如圖7所示。模擬結果表明當通風系統達到穩定后，可以保證火災段達到2.78m/s的通風風速，大于阻擋煙氣回流的臨界風速2.05m/s，阻塞段達到2.78m/s的風速，滿足設計要求。