黃澤茂

地鐵大斷面區(qū)間隧道排煙方式分析與探討

黃澤茂

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

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

地鐵;大斷面區(qū)間隧道;排煙;縱向通風(fēng);半橫向式通風(fēng);排煙量

1 概述

地鐵車站和區(qū)間是深埋于地下的構(gòu)筑物,除通過出入口和風(fēng)道與室外相通外,基本與大氣隔絕,且由于地鐵內(nèi)人流密集、空間封閉、電氣設(shè)備繁雜等,火災(zāi)危險性較大,且發(fā)生火災(zāi)時,人員疏散較為困難,特別是地下區(qū)間隧道,空間更為狹小,一旦發(fā)生火災(zāi),大量高溫?zé)煔鈺杆倬奂?給人員疏散和滅火搶險帶來困難,因此設(shè)置有效的機(jī)械防排煙系統(tǒng)是地鐵工程通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計的重中之重。

2 地鐵區(qū)間隧道縱向通風(fēng)方式分析

根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》中第19.1.36條“當(dāng)區(qū)間隧道發(fā)生火災(zāi)時,應(yīng)能背著乘客疏散方向排煙,迎著乘客疏散方向送新風(fēng)?！盵1]的規(guī)定,地鐵區(qū)間隧道通常采用縱向通風(fēng)的防排煙方式,根據(jù)列車著火部位進(jìn)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(cè)車站的隧道通風(fēng)機(jī)進(jìn)行排煙,同時開啟遠(yuǎn)離著火部位一側(cè)車站隧道通風(fēng)機(jī)進(jìn)行送風(fēng),乘客迎著新風(fēng)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(qū)間隧道通風(fēng)機(jī)送風(fēng),距離著火列車較遠(yuǎn)車站的區(qū)間隧道通風(fēng)機(jī)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(lián)絡(luò)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(dāng)停車地點(diǎn)距離聯(lián)絡(luò)通道較遠(yuǎn)時,將無法保證這部分乘客安全疏散。

同時《地鐵設(shè)計規(guī)范》中第19.1.40條規(guī)定“區(qū)間隧道火災(zāi)的排煙量,按單洞區(qū)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(fēng)機(jī)一般是根據(jù)這條規(guī)定,利用模擬程序(如SES、STESS等)計算得出的。

根據(jù)運(yùn)營安全需要,一條地鐵線路的某些車站往往會設(shè)置單渡線、存車線、交叉折返線等聯(lián)絡(luò)線,這就會出現(xiàn)在聯(lián)絡(luò)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(shè)計規(guī)范》中最小的風(fēng)速規(guī)定,對應(yīng)的排煙風(fēng)量。圖1是某帶存車折返線的區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)采用縱向通風(fēng)時的原理。

表1 典型隧道斷面排煙風(fēng)量

圖1 某帶存車折返線的區(qū)間隧道縱向式通風(fēng)原理

從表1中可以看出當(dāng)出現(xiàn)大斷面隧道時,所需的排煙風(fēng)量非常大,通常是普通區(qū)間隧道斷面2倍甚至更多,因此通常需要加大大斷面區(qū)間兩端的區(qū)間隧道風(fēng)機(jī),且需要同時開啟著火區(qū)間兩端車站的所有區(qū)間隧道風(fēng)機(jī),還需要在隧道內(nèi)設(shè)置射流風(fēng)機(jī)來輔助,才能滿足斷面風(fēng)速不小于2m/s的要求。但此種通風(fēng)方式會存在煙氣會流經(jīng)車站有效站臺的情況,當(dāng)有列車需要進(jìn)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(qū)間風(fēng)機(jī)房方向疏散的情況,區(qū)間風(fēng)機(jī)房疏散條件較差。因此在帶配線的大斷面區(qū)間隧道處采用縱向通風(fēng)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(fēng)的方式。

3 半橫向式通風(fēng)方式在大斷面區(qū)間隧道的應(yīng)用分析

根據(jù)國內(nèi)地鐵工程的相關(guān)經(jīng)驗,此類型的大斷面區(qū)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(shè)置土建排煙風(fēng)道及排煙風(fēng)口,利用區(qū)間隧道風(fēng)機(jī)兼做排煙風(fēng)機(jī),當(dāng)列車在此區(qū)域范圍內(nèi)發(fā)生事故時,通過風(fēng)閥的轉(zhuǎn)換,直接從列車頂部排除煙氣。圖2是某帶存車折返線的區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)采用半橫向式通風(fēng)方式時的原理。圖3為設(shè)置軌頂排煙風(fēng)道的隧道斷面。

當(dāng)設(shè)計的排煙量不小于火災(zāi)的產(chǎn)煙量時,便能夠有效地把煙層控制在區(qū)間的上層區(qū)域,而下層則成為一個無煙的疏散區(qū)域,乘客始終是在無煙區(qū)域疏散,安全性高,同時排煙模式簡單,可靠性也高,不會出現(xiàn)縱向通風(fēng)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于縱向通風(fēng)時的煙量,大斷面區(qū)間兩端的隧道風(fēng)機(jī)也不需要加大,區(qū)間隧道內(nèi)也不需要設(shè)置射流風(fēng)機(jī),與縱向通風(fēng)相比,土建及通風(fēng)、配電設(shè)備等初投資方面均較少,同時也減少了運(yùn)營維護(hù)的工作量。

圖2 某帶存車折返線的區(qū)間隧道半橫向式通風(fēng)原理

圖3 軌頂排煙風(fēng)道的隧道斷面(單位:mm)

4 半橫向式通風(fēng)方式應(yīng)用存在的問題及解決方案

由于半橫向式通風(fēng)方式與縱向通風(fēng)相比有較多的優(yōu)點(diǎn),國內(nèi)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(guān)設(shè)計規(guī)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(guī)定。因此排煙量的確定是首先要解決的問題。

目前設(shè)計中排煙量的確定方法一般為2種。一種為采用現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范中關(guān)于排煙量計算的規(guī)定,按防煙分區(qū)的面積計算;另一種是根據(jù)消防性能化的設(shè)計方法,通過相關(guān)的煙氣羽流模型總結(jié)出來的公式進(jìn)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(shè)計規(guī)范》第19.1.39條規(guī)定:“地下車站站臺、站廳火災(zāi)時排煙量,應(yīng)根據(jù)防煙分區(qū)的建筑面積按1m3/(m2·min)計算?！盵1]該存車線區(qū)域每條隧道的長度為230 m,存車線區(qū)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(zāi)的特點(diǎn)為當(dāng)列車達(dá)到轟燃后,高溫?zé)煔馔ㄟ^列車兩側(cè)的車窗同時向隧道流出,通?？梢詫⒘熊嚮馂?zāi)煙氣羽流看作是雙側(cè)線性羽流,因此可以利用線性羽流模型進(jìn)行計算,采用以下公式計算[2-3]

式中 M——列車雙側(cè)煙羽流的質(zhì)量產(chǎn)煙量,kg/s;

V——列車雙側(cè)煙羽流的體積產(chǎn)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(huán)境空氣密度,1.2 kg/m3;

T0——環(huán)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(jié)果相差不大,根據(jù)規(guī)范計算出的排煙量較大,偏安全,因此可以參照規(guī)范采用防煙分區(qū)面積法計算排煙量?？紤]到為了滿足區(qū)間其他區(qū)段的排煙工況,一般單臺區(qū)間隧道風(fēng)機(jī)的風(fēng)量為60m3/s,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所需要的排煙量,因此建議大斷面區(qū)間內(nèi)的排煙量按照區(qū)間隧道風(fēng)機(jī)的排煙量來選取。

4.2 排煙口的設(shè)置方式

由于排煙風(fēng)道長度較長,參照現(xiàn)行的防火規(guī)范中相關(guān)要求,采用排煙口距離最不利點(diǎn)的距離不大于60m來設(shè)置排煙口,一般區(qū)段內(nèi)需設(shè)置4組排煙口。為了保證各排煙風(fēng)口的風(fēng)量,需在每個風(fēng)口設(shè)置調(diào)節(jié)裝置,同時由于風(fēng)口位于區(qū)間隧道上部,檢修較為困難,且如果風(fēng)口固定不牢固,在活塞風(fēng)的長時間作用下,有可能會脫落,對列車的運(yùn)營造成影響,因此風(fēng)口及風(fēng)道的設(shè)置方式是需要考慮的問題。

筆者認(rèn)為可以參考車站內(nèi)的軌頂排熱風(fēng)口的做法,不設(shè)置排煙風(fēng)口,只在風(fēng)道底板上開孔,在風(fēng)道內(nèi)部風(fēng)孔上設(shè)置插板閥,風(fēng)量初次調(diào)節(jié)平衡后,將插板閥牢固固定于風(fēng)道底板上,可避免風(fēng)口脫落對列車運(yùn)營造成影響。同時,在設(shè)置排煙風(fēng)道時,可合理地對排煙風(fēng)道進(jìn)行分隔,使得每條風(fēng)道上的風(fēng)口數(shù)量盡量少,分別接入到區(qū)間隧道風(fēng)機(jī)房內(nèi)時,在中板上設(shè)置電動多葉調(diào)節(jié)閥,調(diào)節(jié)各條風(fēng)道的風(fēng)量,使各風(fēng)口風(fēng)量平衡。

5 結(jié)語

半橫向式通風(fēng)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(shè)置軌頂排煙風(fēng)道排除煙氣,形成一個無煙的疏散區(qū)域,避免了由于區(qū)間隧道斷面太大,需要滿足縱向排煙臨界風(fēng)速的風(fēng)量太大,而導(dǎo)致需開啟車站所有的區(qū)間隧道排煙風(fēng)機(jī),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(fēng)機(jī)容量、設(shè)置射流風(fēng)機(jī)等,降低土建及通風(fēng)、配電設(shè)備初投資,減少運(yùn)營維護(hù)工作;同時在車中發(fā)生火災(zāi)時,所有乘客都可以位于無煙區(qū)疏散,控制模式簡單,安全可靠。綜上所述,半橫向式通風(fēng)在大斷面區(qū)間隧道排煙設(shè)計時,可以參照《地鐵設(shè)計規(guī)范》中的規(guī)定,按大斷面區(qū)域投影建筑面積1m3/(m2·min)計算排煙量,同時可以通過采用風(fēng)道的合理分隔和風(fēng)口設(shè)置調(diào)節(jié)插板閥等方法使各風(fēng)口排煙量均勻,這就為地鐵隧道通風(fēng)提供了一種新的方式,在今后同類工程中值得借鑒和采用。

[1] 北京城建設(shè)計研究總院.GB50157—2003地鐵設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2003.

[2] 董乃進(jìn),沈?qū)W軍,李香凡,郭大剛,馬莉莉.福田地下火車站整體消防策略[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2010(S2).

[3] 姚浩偉,梁棟,趙哲.地下公交站火災(zāi)煙氣運(yùn)動數(shù)字模擬[J].消防科學(xué)與技術(shù),2011(1).

[4] 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部工程質(zhì)量安全監(jiān)管司,中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院.全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施暖通空調(diào)·動力(2009年版)[S].北京:中國計劃出版社,2009.

[5] 中華人民共和國建設(shè)部.GB50016—2006建筑設(shè)計防火規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2006.

[6] 曹樹勇.青島地鐵2號線過海隧道通風(fēng)及防排煙設(shè)計初步方案[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2010(S2).

[7] 管鴻浩.武廣鐵路客運(yùn)專線特長隧道防災(zāi)疏散設(shè)計研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2010(1).

[8] 魯嘉華,張志英,王偉雯.地鐵某島式車站隧道火災(zāi)的模擬與分析研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2009(6).

[9] 孫路.帶屏蔽門的地鐵站通風(fēng)兼排煙系統(tǒng)問題探討[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2006(7).

[10]劉江.地鐵地下車站防排煙設(shè)計淺論[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2010 (S2).

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(yè)于西南交通大學(xué),工學(xué)學(xué)士。