城市軌道交通長(zhǎng)大區(qū)間應(yīng)急通風(fēng)運(yùn)行模式研究

史柯峰 劉 垚 李曉鋒

(1.中交鐵道設(shè)計(jì)研究總院有限公司，100088，北京；2.清華大學(xué)建筑學(xué)院，100084，北京//第一作者，高級(jí)工程師)

在城市軌道交通較長(zhǎng)的地下區(qū)間，會(huì)出現(xiàn)兩座車(chē)站間同側(cè)同向隧道內(nèi)在同一時(shí)刻有2列或2列以上列車(chē)追蹤行駛的可能性。當(dāng)長(zhǎng)大區(qū)間內(nèi)發(fā)生事故時(shí)，如何綜合考慮各種可能出現(xiàn)的工況，在滿足防災(zāi)疏散、通風(fēng)排煙的前提下，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急通風(fēng)運(yùn)行模式的合理設(shè)計(jì)與有效優(yōu)化，是城市軌道交通重點(diǎn)研究的問(wèn)題之一。本文以某城市軌道交通工程閉式通風(fēng)系統(tǒng)長(zhǎng)大區(qū)間為例，針對(duì)各種不同工況的特點(diǎn)，制定了多種應(yīng)急通風(fēng)運(yùn)行模式的設(shè)計(jì)方案。

1 長(zhǎng)大區(qū)間定義

城市軌道交通工程中長(zhǎng)度處于1.5 km以上的地下隧道可看作是長(zhǎng)大區(qū)間。本文選擇某典型長(zhǎng)大區(qū)間(長(zhǎng)度約1.81 km)為研究對(duì)象。根據(jù)該區(qū)間行車(chē)專業(yè)資料，正常運(yùn)營(yíng)時(shí)，存在2列列車(chē)追蹤行駛的情況。該區(qū)間為圓形盾構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)單洞，有效過(guò)風(fēng)斷面面積約為20 m2，如圖1所示。

單位：mm

2 長(zhǎng)大區(qū)間通風(fēng)系統(tǒng)

2.1 隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該區(qū)間隧道通風(fēng)按閉式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，前后車(chē)站均為非封閉全高站臺(tái)門(mén)制式。正常運(yùn)行時(shí)，利用列車(chē)活塞風(fēng)作用攜帶車(chē)站氣流冷卻隧道，同時(shí)補(bǔ)充隧道內(nèi)新風(fēng)。每座車(chē)站兩端分別設(shè)置2臺(tái)區(qū)間隧道事故通風(fēng)機(jī)，該風(fēng)機(jī)由車(chē)站送、排風(fēng)機(jī)兼作，負(fù)責(zé)相鄰區(qū)間隧道事故情況下的通風(fēng)。當(dāng)區(qū)間發(fā)生火災(zāi)或阻塞情況時(shí)，由事故區(qū)間相鄰的前、后車(chē)站(或中間風(fēng)井)的事故風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)行對(duì)事故隧道進(jìn)行縱向排煙或通風(fēng)，使隧道內(nèi)的風(fēng)速及溫度達(dá)到相應(yīng)要求。

2.2 中間風(fēng)井設(shè)置

在運(yùn)營(yíng)高峰期間，當(dāng)前車(chē)因事故不能繼續(xù)前行時(shí)，后車(chē)會(huì)立即停止行駛，此時(shí)便形成同一區(qū)間內(nèi)2列列車(chē)滯留的情況。根據(jù)列車(chē)事故位置的不同，存在兩車(chē)人員分別向前、后車(chē)站疏散的情況。因此，從應(yīng)急通風(fēng)氣流組織的基本要求上分析，長(zhǎng)大區(qū)間需要在隧道中部設(shè)置中間風(fēng)井，這樣才能通過(guò)與前、后車(chē)站隧道風(fēng)機(jī)的聯(lián)合運(yùn)行，形成滿足人員防災(zāi)疏散的氣流組織要求。GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：當(dāng)需要設(shè)置區(qū)間通風(fēng)道時(shí)，通風(fēng)道應(yīng)設(shè)于區(qū)間隧道長(zhǎng)度的1/2處；在困難情況下，其距車(chē)站站臺(tái)端部的距離可移至不小于該區(qū)間隧道長(zhǎng)度的1/3處，但不宜小于400 m[1]。

典型長(zhǎng)大區(qū)間的中間風(fēng)井與相鄰車(chē)站位置關(guān)系、區(qū)間左右線定義及通風(fēng)系統(tǒng)配置如圖2所示。

2.3 隧道風(fēng)機(jī)配置

長(zhǎng)大區(qū)間隧道通風(fēng)設(shè)備配置情況如表1所示。

表1 區(qū)間隧道通風(fēng)設(shè)備配置表

3 區(qū)間事故工況定義與應(yīng)急通風(fēng)要求

地下區(qū)間事故通常包括阻塞和火災(zāi)兩種工況。

阻塞工況是指列車(chē)因故停滯在區(qū)間且超過(guò)4 min。此工況下，隧道通風(fēng)系統(tǒng)的主要作用是保證區(qū)間斷面風(fēng)速≥2.0 m/s、列車(chē)周?chē)諝馄骄鶞囟取?0 ℃、頂部最不利點(diǎn)溫度≤45 ℃，從而保障車(chē)輛設(shè)備(如空調(diào)冷凝器等)正常運(yùn)行，車(chē)內(nèi)環(huán)境滿足人員的基本要求。根據(jù)相關(guān)研究，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)盾構(gòu)區(qū)間來(lái)流風(fēng)速為2 m/s時(shí)，列車(chē)周?chē)白畈焕c(diǎn)溫度可以滿足規(guī)范要求，能夠保證空調(diào)器的正常工作[2]。此外，當(dāng)阻塞事故無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)被排除時(shí)，應(yīng)考慮疏散車(chē)上人員。所以，在應(yīng)急通風(fēng)運(yùn)行模式中還應(yīng)考慮為疏散人員提供輔助引導(dǎo)氣流的方案。

火災(zāi)工況是指列車(chē)行駛在區(qū)間時(shí)發(fā)生火災(zāi)，且列車(chē)無(wú)法繼續(xù)行駛而停滯在區(qū)間內(nèi)。此工況下，隧道通風(fēng)系統(tǒng)的主要作用是保證區(qū)間斷面風(fēng)速≥2.0 m/s(且同時(shí)要高于計(jì)算臨界風(fēng)速)，且最高風(fēng)速不高于11 m/s[3]。通過(guò)隧道通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)事故區(qū)段內(nèi)的氣流進(jìn)行合理組織，達(dá)到控制煙氣流向、快速有效排除煙氣，并輔助引導(dǎo)區(qū)間乘客疏散的目的。

4 區(qū)間應(yīng)急通風(fēng)設(shè)計(jì)原則

4.1 基本設(shè)計(jì)原則

地下車(chē)站站廳、站臺(tái)和區(qū)間隧道按同一時(shí)間發(fā)生1次火災(zāi)進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)列車(chē)在區(qū)間隧道內(nèi)著火時(shí)，應(yīng)盡可能將列車(chē)駕駛到車(chē)站，然后進(jìn)行乘客疏散，此時(shí)按照車(chē)站站臺(tái)層軌行區(qū)火災(zāi)工況處理。當(dāng)列車(chē)無(wú)法運(yùn)行至車(chē)站時(shí)，按照區(qū)間隧道火災(zāi)工況處理。

當(dāng)區(qū)間隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間需開(kāi)啟事故區(qū)間前后共4座車(chē)站(非封閉全高站臺(tái)門(mén)制式)的全部隧道風(fēng)機(jī)參與事故通風(fēng)；對(duì)設(shè)置有中間風(fēng)井的區(qū)間，則開(kāi)啟事故區(qū)間前后共2座車(chē)站及中間風(fēng)井的全部隧道風(fēng)機(jī)參與事故通風(fēng)。區(qū)間阻塞模式可參照區(qū)間火災(zāi)模式執(zhí)行。

4.2 氣流組織設(shè)計(jì)

區(qū)間隧道應(yīng)急通風(fēng)系統(tǒng)在滿足事故通風(fēng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，還應(yīng)考慮人員疏散要求。由于阻塞工況不涉及火災(zāi)排煙問(wèn)題，通風(fēng)系統(tǒng)較容易實(shí)現(xiàn)為隧道內(nèi)提供有組織的縱向通風(fēng)，并為乘客提供引導(dǎo)疏散(必要情況下)的迎面氣流。而火災(zāi)工況由于涉及到排煙、疏散等問(wèn)題，考慮到火災(zāi)發(fā)生位置的不同，區(qū)間應(yīng)急通風(fēng)系統(tǒng)需針對(duì)性設(shè)置不同的運(yùn)行模式，具體如下：

(1)隧道內(nèi)列車(chē)首、尾端著火時(shí)，列車(chē)著火端對(duì)應(yīng)車(chē)站的隧道風(fēng)機(jī)均并聯(lián)排風(fēng)，非著火端對(duì)應(yīng)車(chē)站的隧道風(fēng)機(jī)均并聯(lián)送風(fēng)，乘客迎風(fēng)向送風(fēng)車(chē)站撤離。

(2)隧道內(nèi)列車(chē)中部著火時(shí)，距列車(chē)較近的車(chē)站隧道風(fēng)機(jī)并聯(lián)送風(fēng)，距列車(chē)較遠(yuǎn)的車(chē)站(或中間風(fēng)井)隧道風(fēng)機(jī)并聯(lián)排風(fēng)。乘客向較近的車(chē)站(或中間風(fēng)井)撤離，部分乘客也可通過(guò)就近的聯(lián)絡(luò)通道迅速進(jìn)入對(duì)側(cè)相對(duì)安全的隧道撤離。

5 長(zhǎng)大區(qū)間事故工況下應(yīng)急通風(fēng)運(yùn)行模式分析

5.1 阻塞工況下的通風(fēng)模式

長(zhǎng)大區(qū)間阻塞工況下的應(yīng)急通風(fēng)運(yùn)行分為1列列車(chē)阻塞和2列列車(chē)阻塞2種情況(多于2列列車(chē)阻塞的工況可參照?qǐng)?zhí)行)。

5.1.1 1列列車(chē)阻塞工況

5.1.1.1 應(yīng)急通風(fēng)運(yùn)行模式

結(jié)合中間風(fēng)井情況，應(yīng)急通風(fēng)系統(tǒng)擬定設(shè)計(jì)方案有兩類。A類方案，僅列車(chē)停滯區(qū)段臨近車(chē)站的隧道風(fēng)機(jī)和中間風(fēng)井參與運(yùn)行；B類方案，長(zhǎng)大區(qū)間相鄰的共2座車(chē)站的隧道風(fēng)機(jī)及中間風(fēng)井均投入運(yùn)行。各類工況運(yùn)行模式見(jiàn)表2、表3。

表2 阻塞列車(chē)位于模擬站1與中間風(fēng)井之間應(yīng)急通風(fēng)模式

表3 阻塞列車(chē)位于中間風(fēng)井與模擬站2之間應(yīng)急通風(fēng)模式

5.1.1.2 模擬驗(yàn)證與分析

以列車(chē)阻塞在左線區(qū)間的中間風(fēng)井與模擬站2之間的工況為模擬驗(yàn)證示例，其他工況同理可證。該阻塞工況的應(yīng)急通風(fēng)方案(A類與B類)模擬結(jié)果如圖3、圖4所示。

模擬結(jié)果顯示，1列列車(chē)發(fā)生阻塞事故時(shí)，A類方案可以滿足區(qū)間阻塞通風(fēng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求；B類方案在增加了1座車(chē)站隧道風(fēng)機(jī)參與運(yùn)行后，區(qū)間斷面風(fēng)速獲得進(jìn)一步提高，通風(fēng)效果有所提升。兩者均為可行方案。

圖3 阻塞列車(chē)位于模擬站1至模擬站2區(qū)間A類應(yīng)急通風(fēng)方案模擬結(jié)果

圖4 阻塞列車(chē)位于模擬站1至模擬站2區(qū)間B類應(yīng)急通風(fēng)方案模擬結(jié)果

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，考慮以保障較好通風(fēng)效果為第一控制目標(biāo)，且B類方案可與長(zhǎng)大區(qū)間1列列車(chē)火災(zāi)工況的某些應(yīng)急通風(fēng)運(yùn)行模式相同，便于FAS/BAS(火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)/環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng))控制模式的統(tǒng)一編排。因此推薦B類方案為1列列車(chē)阻塞工況下的應(yīng)急通風(fēng)運(yùn)行模式。

5.1.2 2列列車(chē)阻塞事故工況

5.1.2.1 應(yīng)急通風(fēng)運(yùn)行模式

由于此工況下2列列車(chē)分別停滯在中間風(fēng)井兩側(cè)(由行車(chē)專業(yè)確定列車(chē)位置)，因此兩側(cè)區(qū)間需共用中間風(fēng)井對(duì)事故區(qū)間進(jìn)行氣流組織，阻塞通風(fēng)模式可設(shè)計(jì)為中間風(fēng)井排風(fēng)、兩端車(chē)站隧道風(fēng)機(jī)送風(fēng)。各類工況運(yùn)行模式見(jiàn)表4。

表4 2列阻塞列車(chē)分別位于中間風(fēng)井兩側(cè)應(yīng)急通風(fēng)模式

5.1.2.2 模擬驗(yàn)證與分析

以2列列車(chē)阻塞在左線區(qū)間為模擬驗(yàn)證示例，右線區(qū)間同理可證。該阻塞工況的應(yīng)急通風(fēng)方案模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 2列阻塞列車(chē)位于模擬站1至模擬站2區(qū)間的應(yīng)急通風(fēng)模擬結(jié)果

模擬結(jié)果顯示，2列列車(chē)發(fā)生阻塞事故時(shí)，兩端車(chē)站均送風(fēng)、中間風(fēng)井排風(fēng)的模式可以很好地對(duì)阻塞區(qū)間進(jìn)行氣流組織，兩段阻塞區(qū)間的隧道斷面風(fēng)速均大于2 m/s，滿足區(qū)間阻塞應(yīng)急通風(fēng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)計(jì)方案合理可行。

5.2 火災(zāi)工況下的通風(fēng)模式

長(zhǎng)大區(qū)間火災(zāi)工況下應(yīng)急通風(fēng)運(yùn)行同樣分為1列列車(chē)與2列列車(chē)2種情況(多于2列列車(chē)的工況可參照?qǐng)?zhí)行)，在此基礎(chǔ)上還需根據(jù)火災(zāi)發(fā)生點(diǎn)位于列車(chē)頭部、中部、尾部來(lái)選擇不同的應(yīng)急通風(fēng)運(yùn)行模式。

5.2.1 1列列車(chē)火災(zāi)工況

5.2.1.1 應(yīng)急通風(fēng)運(yùn)行模式

結(jié)合中間風(fēng)井情況，火災(zāi)工況下的應(yīng)急通風(fēng)系統(tǒng)擬定設(shè)計(jì)方案有A、B兩類，其設(shè)置原則與阻塞工況所使用的A、B兩類方案相同。按照已定義的區(qū)間事故通風(fēng)系統(tǒng)基本原則設(shè)計(jì)火災(zāi)工況下的通風(fēng)運(yùn)行模式，見(jiàn)表5、表6。

5.2.1.2 模擬驗(yàn)證與分析

1列列車(chē)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，列車(chē)停滯位置、著火部位決定了參與事故通風(fēng)運(yùn)行隧道風(fēng)機(jī)的送、排風(fēng)狀態(tài)。選取列車(chē)停滯在左線區(qū)間的中間風(fēng)井與模擬站2之間、車(chē)頭著火的工況作為模擬驗(yàn)證示例，其他工況同理可證。該火災(zāi)工況下應(yīng)急通風(fēng)方案(A類和B類)的模擬結(jié)果如圖6、圖7所示。

表5 著火列車(chē)位于模擬站1與中間風(fēng)井之間應(yīng)急通風(fēng)模式

模擬結(jié)果顯示，1列列車(chē)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，A和B兩類火災(zāi)應(yīng)急通風(fēng)方案均可滿足要求，B類方案的火災(zāi)區(qū)間應(yīng)急通風(fēng)排煙風(fēng)速更高且煙氣理論上在中間風(fēng)井處全部排除。考慮到隧道排煙系統(tǒng)的安全性和可靠性，推薦B類方案為1列列車(chē)火災(zāi)工況下應(yīng)急通風(fēng)運(yùn)行模式。

圖6 著火列車(chē)位于模擬站1至模擬站2區(qū)間A類應(yīng)急通風(fēng)方案模擬結(jié)果

圖7 著火列車(chē)位于模擬站1至模擬站2區(qū)間B類應(yīng)急通風(fēng)方案模擬結(jié)果

表6 著火列車(chē)位于中間風(fēng)井與模擬站2之間應(yīng)急通風(fēng)模式

5.2.2 1列列車(chē)火災(zāi)工況及1列列車(chē)阻塞工況

5.2.2.1 應(yīng)急通風(fēng)運(yùn)行模式

因2列列車(chē)追蹤運(yùn)行而發(fā)生的1列車(chē)火災(zāi)、1列車(chē)阻塞的事故工況是長(zhǎng)大區(qū)間應(yīng)急通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中較復(fù)雜的情況。需要對(duì)前列列車(chē)不同著火位置、兩列列車(chē)人員疏散方向等進(jìn)行綜合考慮，對(duì)多種不同工況分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。

當(dāng)前列列車(chē)車(chē)頭著火、后列列車(chē)阻塞時(shí)，應(yīng)急通風(fēng)運(yùn)行模式應(yīng)設(shè)計(jì)為車(chē)頭端的車(chē)站隧道風(fēng)機(jī)對(duì)區(qū)間進(jìn)行排風(fēng)，車(chē)尾端的中間風(fēng)井或車(chē)站隧道風(fēng)機(jī)對(duì)區(qū)間送風(fēng)，同時(shí)兩列列車(chē)乘客均向送風(fēng)車(chē)站進(jìn)行疏散。

當(dāng)前列列車(chē)車(chē)尾著火、后列列車(chē)阻塞時(shí)，著火列車(chē)人員向車(chē)頭端車(chē)站疏散，應(yīng)急通風(fēng)系統(tǒng)引導(dǎo)煙氣向車(chē)尾方向排煙；但由于車(chē)尾端方向的中間風(fēng)井至上游車(chē)站區(qū)間隧道內(nèi)停滯有第2列阻塞列車(chē)，該車(chē)人員也需疏散，因此應(yīng)急通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)保障煙氣不蔓延至阻塞區(qū)段，在中間風(fēng)井處即應(yīng)將煙氣全部有效排出。結(jié)合以上要求，應(yīng)急通風(fēng)運(yùn)行模式設(shè)計(jì)為長(zhǎng)大區(qū)間前后2座車(chē)站均向事故隧道內(nèi)送風(fēng)，中間風(fēng)井進(jìn)行排煙。

當(dāng)前列列車(chē)中部著火、后列列車(chē)阻塞時(shí)，根據(jù)應(yīng)急通風(fēng)基本設(shè)計(jì)原則，需要判斷發(fā)生火災(zāi)的前列列車(chē)與車(chē)站(或中間風(fēng)井)的距離遠(yuǎn)近，據(jù)此判斷選擇應(yīng)急通風(fēng)方向。當(dāng)著火列車(chē)靠近前方車(chē)站時(shí)，車(chē)上人員向車(chē)頭端車(chē)站疏散，應(yīng)急通風(fēng)系統(tǒng)參照車(chē)尾著火的火災(zāi)事故工況運(yùn)行；當(dāng)著火列車(chē)靠近中間風(fēng)井時(shí)，車(chē)上人員向車(chē)尾端車(chē)站疏散，應(yīng)急通風(fēng)系統(tǒng)參照車(chē)頭著火的火災(zāi)事故工況運(yùn)行。

區(qū)間內(nèi)2列列車(chē)(2列列車(chē)分別位于區(qū)間中間風(fēng)井兩側(cè))同時(shí)分別發(fā)生火災(zāi)和阻塞事故的應(yīng)急通風(fēng)運(yùn)行模式見(jiàn)表7。

5.2.2.2 模擬驗(yàn)證與分析

以左線區(qū)間前列列車(chē)車(chē)頭著火、后列列車(chē)阻塞的事故工況，以及左線區(qū)間前列列車(chē)車(chē)尾著火、后列列車(chē)阻塞的事故工況作為模擬驗(yàn)證示例，其他工況同理可證。上述工況下應(yīng)急通風(fēng)方案模擬結(jié)果如圖8、圖9所示。

表7 區(qū)間內(nèi)2列列車(chē)同時(shí)分別發(fā)生火災(zāi)和阻塞事故的應(yīng)急通風(fēng)運(yùn)行模式

模擬結(jié)果顯示，針對(duì)同時(shí)有2列列車(chē)停在長(zhǎng)大區(qū)間，且前列列車(chē)火災(zāi)、后列列車(chē)阻塞的事故工況，采用的應(yīng)急通風(fēng)運(yùn)行模式能滿足火災(zāi)區(qū)段的排煙與通風(fēng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，排煙氣流組織方向正確，可有效控制煙氣不蔓延至非事故區(qū)段，從而保障火災(zāi)列車(chē)上人員安全疏散至相應(yīng)的較近車(chē)站或中間風(fēng)井。因此，該工況下的應(yīng)急通風(fēng)運(yùn)行模式是合理可行的。

圖8 區(qū)間內(nèi)前列列車(chē)車(chē)頭著火、后列列車(chē)阻塞事故工況下的應(yīng)急通風(fēng)模擬結(jié)果

圖9 區(qū)間內(nèi)前列列車(chē)車(chē)尾著火、后列列車(chē)阻塞事故工況下的應(yīng)急通風(fēng)模擬結(jié)果

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)對(duì)城市軌道交通工程閉式通風(fēng)系統(tǒng)長(zhǎng)大區(qū)間的火災(zāi)和阻塞兩類事故工況，以及1列列車(chē)運(yùn)行和2列列車(chē)列車(chē)追蹤行駛的若干工況下應(yīng)急通風(fēng)運(yùn)行模式的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析與比選，針對(duì)各工況不同特點(diǎn)制定了多種應(yīng)急通風(fēng)運(yùn)行模式的設(shè)計(jì)方案。在系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)分析與梳理各事故工況對(duì)應(yīng)急通風(fēng)的需求，將各類應(yīng)急通風(fēng)方案進(jìn)行優(yōu)化與整合，并利用一維數(shù)值模擬軟件Stess V3.0對(duì)典型方案、重點(diǎn)方案的應(yīng)急通風(fēng)結(jié)果進(jìn)行模擬，校驗(yàn)并提出相應(yīng)的應(yīng)急通風(fēng)運(yùn)行優(yōu)化模式庫(kù)。

此外，通過(guò)對(duì)典型長(zhǎng)大區(qū)間應(yīng)急通風(fēng)運(yùn)行模式進(jìn)行研究，可知中間風(fēng)井在城市軌道交通地下長(zhǎng)大區(qū)間應(yīng)急通風(fēng)中所起到的關(guān)鍵作用，因此，在進(jìn)行前期規(guī)劃、防災(zāi)方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)確保中間風(fēng)井設(shè)置的準(zhǔn)確性、必要性及合理性，以充分發(fā)揮其作用。