陳玉遠(yuǎn)

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司水下隧道技術(shù)湖北省工程實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430063)

盾構(gòu)隧道底部疏散通道加壓送風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及優(yōu)化研究

陳玉遠(yuǎn)

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司水下隧道技術(shù)湖北省工程實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430063)

疏散通道防煙送風(fēng)系統(tǒng)的有效性是隧道內(nèi)人員能安全疏散的重要保證。為了檢驗(yàn)疏散通道加壓送風(fēng)系統(tǒng)的有效性，采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方法對(duì)某典型盾構(gòu)隧道進(jìn)行研究。針對(duì)加壓送風(fēng)系統(tǒng)中存在的問題，提出了優(yōu)化加壓送風(fēng)口設(shè)置的方案，并采用CFD軟件對(duì)優(yōu)化后的方案進(jìn)行仿真模擬。由模擬結(jié)果可知，優(yōu)化后系統(tǒng)漏風(fēng)量由40%降低為15%。為解決目前車道板底部空間設(shè)置1道中隔墻的弊端，采用設(shè)置2道中隔墻的方式，使其形成封閉的滑梯間和獨(dú)立的疏散通道，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的安全性。

盾構(gòu)隧道； 疏散通道； 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試； 加壓送風(fēng)系統(tǒng)； 滑梯間

0 引言

盾構(gòu)隧道常利用底部富余空間作為疏散通道，采用縱向疏散方式疏散人員，該方式不需要在2條隧道之間設(shè)置人行橫通道，大大降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)省了投資。因此，越來越多的盾構(gòu)隧道采用縱向疏散方式疏散人員。當(dāng)隧道車道層發(fā)生火災(zāi)后，人員可通過就近的疏散口進(jìn)入疏散通道[1-2]。

為防止煙氣侵入疏散通道，必須對(duì)疏散通道進(jìn)行加壓送風(fēng)，使開啟疏散口處保持一定的風(fēng)速或壓差[3]。李偉平等[4]和徐志勝等[5]建議隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，應(yīng)保證疏散通道內(nèi)余壓值為30～50 Pa；劉琪等[6]在假定疏散口開啟數(shù)量的情況下，對(duì)疏散口風(fēng)速和風(fēng)機(jī)風(fēng)量進(jìn)行了理論研究；趙明橋[7]對(duì)地鐵疏散通道縱向風(fēng)速進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)縱向風(fēng)速呈現(xiàn)兩端風(fēng)速大、到中部逐漸衰減的特點(diǎn)；王莉[8]對(duì)某一隧道疏散通道正壓送風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,結(jié)果表明，對(duì)疏散通道采取正壓送風(fēng),并采用逆向單側(cè)送風(fēng)有利于提高疏散樓梯間的風(fēng)速；張新等[9]提出了縱向疏散通道內(nèi)加壓送風(fēng)量的計(jì)算方法，為滿足人員疏散安全要求，疏散通道內(nèi)縱向風(fēng)速應(yīng)不小于1.5 m/s。

可以看到，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者的研究熱點(diǎn)多集中在公路和地鐵疏散通道內(nèi)風(fēng)速、壓力等理論與仿真研究，未見相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，且對(duì)疏散通道加壓送風(fēng)系統(tǒng)存在的問題及優(yōu)化方案研究較少。本研究以某典型盾構(gòu)隧道為例，首次對(duì)疏散通道加壓送風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)效果進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并針對(duì)目前加壓送風(fēng)系統(tǒng)中存在的問題，提出了優(yōu)化方案。

1 疏散通道加壓送風(fēng)系統(tǒng)測(cè)試

1.1 工程概況

以某越江隧道為例，隧道長(zhǎng)3 295 m，在江北、江南各設(shè)1個(gè)工作井，工作井之間過江段采用盾構(gòu)法施工。盾構(gòu)隧道長(zhǎng)2 450 m，兩端采用明挖法施工，長(zhǎng)度分別為495 m和250 m，設(shè)計(jì)行車速度為50 km/h，道路等級(jí)為城市快速路。隧道內(nèi)采用雙向4車道，盾構(gòu)內(nèi)徑10 m、外徑11 m，上層為車道層和排煙道，下層為兩孔結(jié)構(gòu)，通過中隔墻分為電纜廊道和縱向疏散通道。隧道橫斷面布置如圖1所示。

圖1 隧道橫斷面示意圖[10-11]

縱向疏散口沿隧道縱向間隔80 m設(shè)置，火災(zāi)時(shí)人員開啟就近的疏散口通過疏散滑梯進(jìn)入隧道下部疏散通道，由就近的工作井疏散至地面。疏散口和疏散滑梯如圖2所示。

(a) 疏散口

(b) 疏散滑梯

1.2 疏散通道送風(fēng)系統(tǒng)介紹

盾構(gòu)段底部疏散通道和電纜廊道共用1套通風(fēng)系統(tǒng)，在江北工作井設(shè)置1臺(tái)送風(fēng)機(jī)，江南工作井設(shè)置1臺(tái)可逆風(fēng)機(jī)，通過管道上電動(dòng)風(fēng)閥控制氣流方向。當(dāng)盾構(gòu)段發(fā)生火災(zāi)時(shí)，關(guān)閉電纜廊道電動(dòng)風(fēng)閥，打開疏散通道電動(dòng)風(fēng)閥，江北、江南工作井風(fēng)機(jī)均作為加壓風(fēng)機(jī)，為了避開人員疏散位置，疏散通道加壓風(fēng)管設(shè)置于側(cè)部弧形處。為了滿足加壓送風(fēng)口風(fēng)速低于7 m/s的要求，采用2個(gè)加壓送風(fēng)口側(cè)送風(fēng)的方式，見圖3。疏散通道送風(fēng)系統(tǒng)布置見圖4，風(fēng)機(jī)參數(shù)見表1。

圖3 加壓送風(fēng)口現(xiàn)場(chǎng)示意圖

圖4 疏散通道送風(fēng)系統(tǒng)布置示意圖

Fig. 4 Sketch diagram of arrangement of ventilation system in evacuation gallery

表1 風(fēng)機(jī)參數(shù)[12-13]

1.3 測(cè)試工況

隧道內(nèi)共有30個(gè)縱向疏散口(沿行車方向?qū)?yīng)編號(hào)1—30)，測(cè)試時(shí)開啟中間15個(gè)疏散口(對(duì)應(yīng)編號(hào)8—22)，疏散口尺寸820 mm(寬)×1 920 mm(長(zhǎng))[14]?？紤]最不利工況，疏散通道與工作井相接的疏散門均開啟，疏散門尺寸1.5 m(寬)× 2.1 m(高)。

1.3.1 風(fēng)機(jī)開啟情況

當(dāng)盾構(gòu)段發(fā)生火災(zāi)且火源下游交通順暢時(shí)，應(yīng)采用2～3 m/s縱向排煙風(fēng)速往火源下游排煙[15]，下游車輛繼續(xù)駛出隧道，下游的疏散口均關(guān)閉，上游人員下車通過就近疏散口進(jìn)行疏散。由于上游為新風(fēng)區(qū)，煙氣不會(huì)進(jìn)入疏散通道內(nèi)，因此該工況對(duì)疏散口風(fēng)壓無要求。

當(dāng)火源下游交通阻滯時(shí)，上、下游人員均需下車疏散，為避免煙氣進(jìn)入疏散通道，應(yīng)保證疏散口風(fēng)速和正壓要求。對(duì)于頂部設(shè)有排煙道的隧道，由于排煙口的抽吸作用，車行道內(nèi)為負(fù)壓；對(duì)于頂部無排煙道的隧道，為了避免煙氣對(duì)火源兩側(cè)人員疏散的影響，應(yīng)維持0.5 m/s救援風(fēng)速或關(guān)閉風(fēng)機(jī)采用煙氣自由蔓延方式，車行道基本無機(jī)械通風(fēng)風(fēng)壓，因此該工況為最不利工況。測(cè)試時(shí)以該最不利工況為例，關(guān)閉車行隧道通風(fēng)排煙系統(tǒng)，開啟兩端工作井各1臺(tái)風(fēng)機(jī)和疏散通道電動(dòng)風(fēng)閥對(duì)疏散通道送風(fēng)，關(guān)閉電纜廊道江南側(cè)電動(dòng)風(fēng)閥，由于江北側(cè)電動(dòng)風(fēng)閥執(zhí)行器故障，該風(fēng)閥維持開啟狀態(tài)。

1.3.2 測(cè)試儀器

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分別測(cè)量了15個(gè)疏散口處的斷面風(fēng)速、疏散通道內(nèi)的斷面風(fēng)速以及車行道的斷面風(fēng)速。風(fēng)速采集系統(tǒng)由1臺(tái)testo454多點(diǎn)風(fēng)速儀組成，該風(fēng)速儀可以實(shí)時(shí)測(cè)量記錄3個(gè)點(diǎn)的風(fēng)速值。每個(gè)疏散口斷面上測(cè)量了9個(gè)點(diǎn)的風(fēng)速，采用面積加權(quán)平均法求出其斷面風(fēng)速，圖5為疏散口斷面風(fēng)速測(cè)量情況。

(a) 風(fēng)速儀

(b) 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

1.4 測(cè)試結(jié)果分析

1.4.1 車行隧道風(fēng)速測(cè)試

由于車行道風(fēng)機(jī)沒有開啟，車行道內(nèi)只存在自然風(fēng)速，經(jīng)測(cè)試車行道斷面風(fēng)速約為0.2 m/s。

1.4.2 疏散通道風(fēng)速測(cè)試

分別測(cè)量了距江南、江北疏散門50 m處疏散通道的斷面風(fēng)速，每個(gè)斷面取9個(gè)典型位置測(cè)量后的平均值，測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 風(fēng)速測(cè)試結(jié)果

由于江北送風(fēng)機(jī)同時(shí)對(duì)電纜廊道和疏散通道送風(fēng)，導(dǎo)致江北疏散通道風(fēng)量約為江南的一半，疏散通道與工作井相接的疏散門處漏風(fēng)量較大，江南漏風(fēng)量所占比例為40%，僅有60%的風(fēng)量送入到疏散通道。究其原因主要是送風(fēng)口送風(fēng)方向與人員疏散方向垂直，送入疏散通道的風(fēng)量向兩側(cè)分流，部分通過疏散門直接進(jìn)入工作井。

1.4.3 疏散口風(fēng)速測(cè)試

對(duì)8—22號(hào)疏散口處風(fēng)速進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見圖6。

圖6 疏散口平均風(fēng)速

由圖6的測(cè)試結(jié)果可以得到以下規(guī)律：

1)疏散口風(fēng)速差別不大。最大值為1.1 m/s，最小值為0.6 m/s，考慮到測(cè)試誤差，可近似認(rèn)為疏散口風(fēng)速一致。

2)疏散口風(fēng)速與距加壓風(fēng)機(jī)的距離無關(guān)，遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)端的疏散口風(fēng)速與靠近加壓風(fēng)機(jī)端的疏散口風(fēng)速大致相當(dāng)。主要因?yàn)槭枭⑼ǖ纼?nèi)風(fēng)速低于2 m/s，相鄰疏散口間疏散通道內(nèi)最大動(dòng)壓差不大于1.3 Pa；疏散通道面積6.3 m2，當(dāng)量直徑2.4 m，沿程阻力系數(shù)取0.022，相鄰疏散口間疏散通道最大阻力損失小于1.2 Pa(局部阻力損失按沿程阻力20%計(jì)算)。則相鄰疏散口間最大動(dòng)壓差與阻力損失之和小于2.5 Pa，差別較小，因此每個(gè)疏散口靜壓差別不大，風(fēng)速基本相等。

3)除了3個(gè)疏散口風(fēng)速略小于0.7 m/s外，其余12個(gè)疏散口風(fēng)速均在0.7 m/s之上，基本可以滿足規(guī)范中風(fēng)速大于0.7 m/s的要求。

2 疏散通道加壓送風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化

2.1 送風(fēng)口方式優(yōu)化

由1.4節(jié)實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出，由于疏散通道的加壓送風(fēng)口設(shè)置在疏散門附近，且送風(fēng)方向與人員疏散方向垂直，將有大量的風(fēng)從工作井疏散門中分流。為增加送入疏散通道的有效風(fēng)量，提出了如下優(yōu)化方案： 取消疏散通道內(nèi)送風(fēng)管，利用疏散通道滑梯處弧形空間設(shè)置土建送風(fēng)道，在風(fēng)道末端設(shè)置防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行送風(fēng)，將送風(fēng)方向由垂直于人員疏散方向優(yōu)化為沿人員疏散相反方向。

針對(duì)上述優(yōu)化后方案，采用CFD軟件建立了加壓送風(fēng)系統(tǒng)模型，主要邊界條件如下： 隧道長(zhǎng)度2 450 m，內(nèi)徑10 m；疏散口數(shù)量30個(gè)，間距80 m，尺寸820 mm(寬)×1 920 mm(長(zhǎng))；根據(jù)橫斷面布置，弧形空間面積為2 m2，依據(jù)GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[16]的規(guī)定，加壓送風(fēng)口風(fēng)速不大于7 m/s，因此最大加壓送風(fēng)量為50 400 m3/h，送風(fēng)口尺寸2 m2；開啟中部15個(gè)疏散口；車行隧道洞口及疏散通道與工作井相接處疏散門均設(shè)置為壓力出口邊界條件。圖7和圖8為具體模擬結(jié)果。

圖7 疏散口處隧道縱向剖面風(fēng)速分布圖(單位： m/s)

圖8 疏散口平均風(fēng)速模擬結(jié)果

Fig. 8 Simulation results of average air velocity at evacuation exit

由圖8的模擬結(jié)果可知，兩端疏散門的漏風(fēng)量均為7 560 m3/h,漏風(fēng)量比例由原方案的40%降低到15%，大幅提高了送入疏散通道內(nèi)的加壓送風(fēng)量。根據(jù)圖7及統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，所有疏散口風(fēng)速均大于0.9 m/s，平均風(fēng)速為1.0 m/s，且風(fēng)速分布較均勻，風(fēng)速變化范圍為0.94～1.01 m/s，均滿足規(guī)范中大于0.7 m/s的要求。

2.2 疏散通道結(jié)構(gòu)優(yōu)化

當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，人員通過疏散滑梯直接進(jìn)入疏散通道內(nèi)，疏散滑梯與疏散通道為同一空間，沒有緩沖措施，火災(zāi)時(shí)車輛漏油產(chǎn)生的流淌火以及消防廢水均有可能通過疏散口進(jìn)入縱向疏散通道內(nèi)，影響人員的安全疏散。為此對(duì)疏散通道結(jié)構(gòu)提出了如下優(yōu)化方案：

1) 在車行隧道底部設(shè)置2道隔墻，將底部空間分成滑梯間、疏散通道和電纜廊道，在疏散口處將其隔成封閉的空間，形成前室，人員由疏散口首先進(jìn)入滑梯間，再通過防火門進(jìn)入疏散通道。

2) 在滑梯間與疏散通道隔墻上設(shè)置余壓閥，火災(zāi)時(shí)開啟疏散通道兩端加壓風(fēng)機(jī)對(duì)疏散通道加壓送風(fēng)，依靠余壓閥在疏散通道和滑梯間形成不同的壓力梯度，滑梯間和疏散通道余壓值分別為30 Pa和50 Pa，安全性依次提高，可有效防止煙氣進(jìn)入疏散通道，同時(shí)也可避免流淌火和消防廢水進(jìn)入疏散通道，進(jìn)一步提高人員安全性。

優(yōu)化后的疏散通道結(jié)構(gòu)布置如圖9所示。

圖9 疏散通道結(jié)構(gòu)優(yōu)化平面布置

3 結(jié)論與討論

1)對(duì)某越江隧道加壓送風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，各個(gè)疏散口風(fēng)速差別不大，且疏散口風(fēng)速與距加壓風(fēng)機(jī)的距離無關(guān)，基本可以滿足疏散口處風(fēng)速要求。由于測(cè)試隧道加壓送風(fēng)口送風(fēng)方向與人員疏散方向垂直，通過工作井疏散門漏風(fēng)量占總風(fēng)量的比例高達(dá)40%。

2)利用疏散通道弧形空間設(shè)置土建送風(fēng)道和送風(fēng)口的方式，保證送風(fēng)方向與人員疏散方向相反，可使疏散門漏風(fēng)量由40%降低為15%，在加壓風(fēng)機(jī)選型時(shí)應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)母挥嗔俊?/p>

3)通過在車行道下部設(shè)置2處中隔墻的方式，將其分成滑梯間、疏散通道和電纜廊道3個(gè)獨(dú)立的空間，在滑梯間和疏散通道內(nèi)依次形成不同的壓力梯度，可進(jìn)一步提高疏散通道的安全性。

4)對(duì)2車道盾構(gòu)隧道疏散通道加壓送風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，但測(cè)試和研究中均未考慮車行隧道內(nèi)的通風(fēng)風(fēng)速，該風(fēng)速對(duì)滑梯間余壓設(shè)定值的影響將是本課題今后的研究方向。

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[15] 方正，袁建平，齊運(yùn)才，等. 武漢長(zhǎng)江隧道通風(fēng)排煙問題的數(shù)值模擬研究[J].暖通空調(diào)，2009,39(1): 24-26,75.(FANG Zheng，YUAN Jianping,QI Yuncai，et al. Numerical simulation for ventilation and smoke extraction system in Wuhan Yangtze River Tunnel[J].Journal of HV & AC, 2009, 39(1): 24-26, 75.(in Chinese))

[16] 建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范： GB 50016—2014[S].北京： 中國(guó)計(jì)劃出版社，2014.(Code for fire protection design of building: GB 50016—2014[S].Beijing: China Planning Press, 2014.(in Chinese))

Study of Testing and Optimization of Pressurized Air Supply System at Bottom of Shield Tunnel Evacuation Gallery

CHEN Yuyuan

(HubeiProvincialEngineeringLaboratoryforUnderwaterTunnelingTechnology,ChinaRailwaySiyuanSurveyandDesignGroupCo.,Ltd.,Wuhan430063,Hubei,China)

The effectiveness of smoke discharge and air supply of evacuation gallery are the keys to personnel safety. Field test is carried out to verify the effectiveness of pressurized air supply system of evacuation gallery of a typical shield tunnel. The optimized scheme of arrangement of pressurized air supply vents is proposed; the false air volume is reduced by 25%; and the optimized scheme is simulated by CFD software. Two separation walls are set on bottom of roadway, so as to form closed slide room and independent evacuation gallery and further improve the safety of the system.

shield tunnel; evacuation gallery; field test; pressurized air supply system; slide room

2015-09-28;

2015-11-04

陳玉遠(yuǎn)(1982—)，男，安徽蕭縣人，2007年畢業(yè)于重慶大學(xué)，暖通專業(yè)，碩士，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事地鐵和市政隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究工作。E-mail： 28158604@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.02.003

U 455

A

1672-741X(2017)02-0135-06