城市軌道交通地下單存車線配線區間內排煙效果現場實測研究

黃澤茂

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,710043,西安∥高級工程師)

為滿足運行組織需求,城市軌道交通工程往往會在部分車站附近設置配線。線路配線主要包括渡線、折返線、聯絡線、車輛停放線、存車線及出入庫線等。配線可使上行線、下行線及存車線等線路聯通,但配線設計相對復雜,不僅導致配線區域斷面面積大幅增加,還對配線區域的通風排煙設計提出了新的要求[1]。城市軌道交通線路客流量巨大,相關配線區域一旦發生火災,如不能及時將煙氣體積濃度及蔓延范圍控制在合理的范圍內,則難以滿足人員疏散的相關要求,甚至可能將對人民的生命財產造成極大威脅[2]。文獻[3]對地鐵雙存車線配線區間的煙氣控制進行了研究;文獻[4] 從投資及使用功能角度,對地鐵雙存車線的4種通風系統配置方案進行了對比分析;文獻[5]采用FDS(火災動力學模擬)、SES(地鐵環境模擬)等軟件,對地鐵雙存車線的隧道通風進行了模擬分析。

上述研究對單存車線區間針對性的研究很少,且研究過程均采用數值模擬的方法,缺乏實體試驗驗證。為了明確城市軌道交通工程單存車線配線區間不同排煙設計方案的煙氣控制效果,確定影響隧道區間整體排煙能力和氣流組織分配的因素,本文對城市軌道交通地下單存車線配線區間排煙效果進行現場實測,以期為單存車線配線區間排煙設計提供參考。

1 技術路線

本文依托某城市軌道交通線路(已運營),開展現場冷煙試驗。基于該線地下單存車線配線區間的實際情況,針對不同的火災工況,在采用不同通風方案情況下采集配線區間內氣流組織分布的相關數據。根據相關排煙設計方案的煙氣控制效果,得出影響配線區間整體排煙能力和氣流組織分配的因素,并進行分析。

2 測試對象簡介

該城市軌道交通線路A站(大里程側)與B站的區間線路中,在靠近A站側設有單存車線。圖1為該單存車線的隧道通風系統設備配置示意圖。如圖1所示:該單存車線長度約為376 m,此區段小里程端緊鄰A站的有效站臺處設有2臺TVF(隧道風機);單存車線區域內設有7組(每組2臺)射流風機,射流風機在隧道側壁上下布置;該單存車線區段大里程端緊鄰B站有效站臺處設有2臺TVF。單臺TVF的風量均為70.0 m3/s,風壓均為1 200 Pa。單臺射流風機的風量均為18.0 m3/s,出口風速均為44 m/s。

3 測試工況設置

本文共開展了6個工況的測試試驗,具體的測試工況如表1所示。其中:工況1—工況4為在存車線區間內發生列車火災;工況5—工況6為在正線下行線上發生列車火災。

表1 測試工況表

4 測試結果分析

試驗過程中,采用區間兩側車站的TVF送排模式產生縱向風速。發煙源產生的煙氣情況可反映出單存車線配線區間內排煙氣流組織特征、煙氣蔓延范圍及機械風口處的排煙能力。單存車線配線區間冷煙試驗的現場照片如圖2所示。

4.1 工況1測試分析

工況1為測試設備運行工況,未設置火災場景。圖3為工況1下測試區間內通風設備運行及氣流組織示意圖。如圖3所示,工況1下不開啟射流風機,開啟A站2臺TVF向下行線排風,開啟B站2臺TVF為下行線送風。由測試結果可知:正線下行線測試斷面4處的風速為1.20 m/s,未達到2～11 m/s的要求。

4.2 工況2測試分析

工況2模擬存車線內的列車在車頭處發生火災,其通風設備運行及氣流組織情況如圖4所示。工況2在工況1的基礎上,開啟了存車線區域內的2組(共4臺)射流風機。試驗過程中測試了存車線區域3個斷面(斷面1、斷面2及斷面3)的風速。

由測試結果可知:工況2下,斷面1處的風速為2.60～3.00 m/s,此處距離射流風機出口較近,射流風機出口射流不能完全覆蓋隧道斷面,風速較為不穩定;斷面2處的風速為4.20～4.60 m/s,此處位于存車線中部,風速較為均勻穩定,可反映存車線內的斷面縱向風速;斷面3處的風速為0.58 m/s,風速較小;B站TVF送入下行線的氣流由A站存車線2組(共4臺)射流風機引入存車線,能夠滿足縱向通風的風速要求,煙氣無回流現象。

工況2下測試區間內煙氣蔓延范圍如圖5所示。順著氣流方向看,煙氣通過A站大里程端的機械風孔排走,機械風孔的抽吸作用很好地控制住了隧道斷面煙氣,煙氣未蔓延過機械風孔,斷面3處無煙氣。

圖5 工況2下測試區間內煙氣蔓延范圍示意圖

4.3 工況3測試分析

工況3模擬存車線內的列車在車頭處發生火災,其通風設備運行及氣流組織情況如圖6所示。工況3在工況2基礎上,在下行正線緊鄰B站端新增開啟了道岔口附近的1組(共2臺)射流風機,由此,工況3共開啟了3組(共6臺)射流風機。試驗過程中測試了存車線區域3個斷面(斷面1、斷面2及斷面3)的風速。

圖6 工況3下測試區間內通風設備運行及氣流組織示意圖

由測試結果可知:工況3下,斷面1處的風速為2.40 m/s,此處距離射流風機出口較近,射流風機出口射流不能完全覆蓋隧道斷面,風速較為不穩定;斷面2處的風速為4.20～4.50 m/s,此處位于存車線中部,風速較為均勻穩定,可反映存車線內的斷面縱向風速;斷面3處的風速0.59 m/s,風速較小。

工況3下測試區間內煙氣蔓延范圍如圖7所示。由圖5和圖7的對比可知,工況3下的煙流特性和氣流分配與工況2接近,這說明了是否開啟道岔口附近的2臺射流風機對通風煙氣控制影響并不大。

圖7 工況3下測試區間內煙氣蔓延范圍示意圖

4.4 工況4測試分析

工況4模擬存車線內的列車在車頭處發生火災,其通風設備運行及氣流組織情況如圖8所示。在工況3基礎上,工況4在下行正線處新增開啟2組(共4臺)射流風機,由此,工況4共開啟了5組(共10臺)射流風機。

試驗過程中測試了存車線區域3個斷面(斷面1、斷面2及斷面3)的風速。

由測試結果可知:工況4下,斷面1處的風速為3.10～4.20 m/s,此處距離存車線小里程側射流風機組出口較近,受下行正線射流風機的抑制作用,在該組射流風機下游產生了旋轉速度較快的旋流,風速較為不穩定;斷面2處的風速為2.40 m/s,此處位于存車線中部,風速較為均勻穩定,可反映存車線內的斷面縱向風速;斷面3處的風速0.60 m/s,風速較小。

與工況3相比,工況4在開啟下行正線的2組射流風機后,存車線內的氣流產生了明顯的分流和抑制作用;在合流處附近,在存車線射流風機的共同作用下,發煙源附近區域產生了較大旋流,發煙源位置的煙氣出現了回流現象;存車線內斷面縱向風速明顯下降。

工況4下測試區間內煙氣蔓延范圍如圖9所示。順著氣流方向看,煙氣通過A站大里程端的機械風孔排走,機械風孔的抽吸作用很好地控制住了隧道斷面煙氣,煙氣未蔓延過機械風孔。斷面3處無煙氣。

圖9 工況4下測試區間內煙氣蔓延范圍示意圖

4.5 工況5測試分析

與工況4相比,工況5的著火點從列車車頭改為正線下行線,此時的通風設備開啟模式與工況4一致,其通風設備運行及氣流組織情況如圖10所示。

圖10 工況5下測試區間內通風設備運行及氣流組織示意圖

試驗過程中測試了存車線區域2個斷面(斷面3及斷面4)的風速。

由測試結果可知:工況5下,斷面4的風速為2.80～3.00 m/s,此處位于下行正線中部,風速較為均勻穩定,可反映下行正線內的斷面縱向風速;斷面3處的風速為0.60 m/s,風速較小。

B站TVF送入下行線的氣流由A站下行正線3組(共6臺)射流風機引入下行正線,由存車線2組(共4臺)射流風機引入存車線,能夠滿足縱向通風風速要求,煙氣無回流現象。

工況5下測試區間內煙氣蔓延范圍如圖11所示。順著氣流方向看,煙氣通過A站大里程端的機械風孔排走,機械風孔的抽吸作用很好地控制住了隧道斷面煙氣,煙氣未蔓延過機械風孔。斷面3處無煙氣。

圖11 工況5下測試區間內煙氣蔓延范圍示意圖

4.6 工況6測試分析

與工況5相比,工況6關閉了存車線內射流風機2組(共4臺)射流風機,其余情況不變,其通風設備運行及氣流組織情況如圖12所示。試驗過程中測試了存車線區域2個斷面(斷面3及斷面4)的風速。

由測試結果可知:工況6下,斷面4處的風速為3.80～4.20 m/s,此處位于下行正線中部,風速較為均勻穩定,可反映下行正線內的斷面縱向風速;斷面3處的風速為0.50 m/s,風速較小。

與工況5相比,工況6下煙氣由A站下行正線3組(共6臺)射流風機引入下行正線,能夠滿足縱向通風風速要求,且風速明顯大于工況5下的風速(這是由于工況5下行正線和存車線的射流風機間存在分流和抑制作用),煙氣無回流現象。

工況6下測試區間內煙氣蔓延范圍如圖13所示。順著氣流方向看,煙氣順由A站大里程端的機械風孔排走,機械風孔的抽吸作用很好地控制住了隧道斷面煙氣,煙氣未蔓延過機械風孔。斷面3處無煙氣。

圖13 工況6下測試區間內煙氣蔓延范圍示意圖

5 結語

本研究選取某條城市軌道交通線路中某個單存車線配線區間,在該區間內開展了現場冷煙試驗。設置了6種不同的工況,分析各工況下隧道斷面風速和觀測動態煙流特性,對比了各工況下設置工況的排煙效果,得到結論如下:

1) 隧道通風系統的排煙能力主要取決于TVF的風量和開啟數量,TVF總風量在宏觀層面決定了配線區間內總體可分配的風量;射流風機主要起氣流分配的作用,其開啟數量和方式決定了起火區間內斷面風速的大小。TVF和射流風機的合理組合,可形成有效的排煙氣流組織方案。

2) 單存車線區域若不設置射流風機,無法確保起火區間內縱向風速2～11 m/s的要求;應設置射流風機,對該區域的各線路進行氣流分配,以保證著火區間的風速滿足要求。

3) 射流風機并非開啟越多越好。平行的存車線和正線內同時開啟射流風機,風機間會存在分流和相互抑制情況,進而導致需要排煙的線路風量減小,煙氣控制效果并不好。僅開啟起火位置所對應隧道內的射流風機,具有縱向風速大、控制簡單等優點。

4) 單存車線區間內開啟1組射流風機即可使得斷面縱向風速不低于2 m/s。考慮到可能存在起火源位于射流風機附近的情況,此時火源附近射流風機可能會因隧道內溫度過高導致設備失效,因此建議至少設置2組射流風機,且2組射流風機的間距不宜小于1列列車的長度,以確保火災工況下設備運行的可靠性。