陳玉遠

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司水下隧道技術(shù)湖北省工程實驗室， 湖北 武漢 430063)

盾構(gòu)隧道底部疏散通道加壓送風系統(tǒng)現(xiàn)場測試及優(yōu)化研究

陳玉遠

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司水下隧道技術(shù)湖北省工程實驗室， 湖北 武漢 430063)

疏散通道防煙送風系統(tǒng)的有效性是隧道內(nèi)人員能安全疏散的重要保證。為了檢驗疏散通道加壓送風系統(tǒng)的有效性，采用現(xiàn)場測試的方法對某典型盾構(gòu)隧道進行研究。針對加壓送風系統(tǒng)中存在的問題，提出了優(yōu)化加壓送風口設(shè)置的方案，并采用CFD軟件對優(yōu)化后的方案進行仿真模擬。由模擬結(jié)果可知，優(yōu)化后系統(tǒng)漏風量由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立的疏散通道，進一步提高系統(tǒng)的安全性。

盾構(gòu)隧道； 疏散通道； 現(xiàn)場測試； 加壓送風系統(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，大大降低了施工風險，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。當隧道車道層發(fā)生火災(zāi)后，人員可通過就近的疏散口進入疏散通道[1-2]。

為防止煙氣侵入疏散通道，必須對疏散通道進行加壓送風，使開啟疏散口處保持一定的風速或壓差[3]。李偉平等[4]和徐志勝等[5]建議隧道發(fā)生火災(zāi)時，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，對疏散口風速和風機風量進行了理論研究；趙明橋[7]對地鐵疏散通道縱向風速進行研究，發(fā)現(xiàn)縱向風速呈現(xiàn)兩端風速大、到中部逐漸衰減的特點；王莉[8]對某一隧道疏散通道正壓送風系統(tǒng)進行了數(shù)值模擬研究,結(jié)果表明，對疏散通道采取正壓送風,并采用逆向單側(cè)送風有利于提高疏散樓梯間的風速；張新等[9]提出了縱向疏散通道內(nèi)加壓送風量的計算方法，為滿足人員疏散安全要求，疏散通道內(nèi)縱向風速應(yīng)不小于1.5 m/s。

可以看到，國內(nèi)眾多學者的研究熱點多集中在公路和地鐵疏散通道內(nèi)風速、壓力等理論與仿真研究，未見相關(guān)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，且對疏散通道加壓送風系統(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，首次對疏散通道加壓送風系統(tǒng)的送風效果進行了現(xiàn)場測試，并針對目前加壓送風系統(tǒng)中存在的問題，提出了優(yōu)化方案。

1 疏散通道加壓送風系統(tǒng)測試

1.1 工程概況

以某越江隧道為例，隧道長3 295 m，在江北、江南各設(shè)1個工作井，工作井之間過江段采用盾構(gòu)法施工。盾構(gòu)隧道長2 450 m，兩端采用明挖法施工，長度分別為495 m和250 m，設(shè)計行車速度為50 km/h，道路等級為城市快速路。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)時人員開啟就近的疏散口通過疏散滑梯進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套通風系統(tǒng)，在江北工作井設(shè)置1臺送風機，江南工作井設(shè)置1臺可逆風機，通過管道上電動風閥控制氣流方向。當盾構(gòu)段發(fā)生火災(zāi)時，關(guān)閉電纜廊道電動風閥，打開疏散通道電動風閥，江北、江南工作井風機均作為加壓風機，為了避開人員疏散位置，疏散通道加壓風管設(shè)置于側(cè)部弧形處。為了滿足加壓送風口風速低于7 m/s的要求，采用2個加壓送風口側(cè)送風的方式，見圖3。疏散通道送風系統(tǒng)布置見圖4，風機參數(shù)見表1。

圖3 加壓送風口現(xiàn)場示意圖

圖4 疏散通道送風系統(tǒng)布置示意圖

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

表1 風機參數(shù)[12-13]

1.3 測試工況

隧道內(nèi)共有30個縱向疏散口(沿行車方向?qū)?yīng)編號1—30)，測試時開啟中間15個疏散口(對應(yīng)編號8—22)，疏散口尺寸820 mm(寬)×1 920 mm(長)[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 風機開啟情況

當盾構(gòu)段發(fā)生火災(zāi)且火源下游交通順暢時，應(yīng)采用2～3 m/s縱向排煙風速往火源下游排煙[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行疏散。由于上游為新風區(qū)，煙氣不會進入疏散通道內(nèi)，因此該工況對疏散口風壓無要求。

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

1.3.2 測試儀器

現(xiàn)場測試分別測量了15個疏散口處的斷面風速、疏散通道內(nèi)的斷面風速以及車行道的斷面風速。風速采集系統(tǒng)由1臺testo454多點風速儀組成，該風速儀可以實時測量記錄3個點的風速值。每個疏散口斷面上測量了9個點的風速，采用面積加權(quán)平均法求出其斷面風速，圖5為疏散口斷面風速測量情況。

(a) 風速儀

(b) 測試現(xiàn)場

1.4 測試結(jié)果分析

1.4.1 車行隧道風速測試

由于車行道風機沒有開啟，車行道內(nèi)只存在自然風速，經(jīng)測試車行道斷面風速約為0.2 m/s。

1.4.2 疏散通道風速測試

分別測量了距江南、江北疏散門50 m處疏散通道的斷面風速，每個斷面取9個典型位置測量后的平均值，測試結(jié)果見表2。

表2 風速測試結(jié)果

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

1.4.3 疏散口風速測試

對8—22號疏散口處風速進行了測試，測試結(jié)果見圖6。

圖6 疏散口平均風速

由圖6的測試結(jié)果可以得到以下規(guī)律：

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

2)疏散口風速與距加壓風機的距離無關(guān)，遠離風機端的疏散口風速與靠近加壓風機端的疏散口風速大致相當。主要因為疏散通道內(nèi)風速低于2 m/s，相鄰疏散口間疏散通道內(nèi)最大動壓差不大于1.3 Pa；疏散通道面積6.3 m2，當量直徑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%計算)。則相鄰疏散口間最大動壓差與阻力損失之和小于2.5 Pa，差別較小，因此每個疏散口靜壓差別不大，風速基本相等。

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

2 疏散通道加壓送風系統(tǒng)優(yōu)化

2.1 送風口方式優(yōu)化

由1.4節(jié)實測結(jié)果可以看出，由于疏散通道的加壓送風口設(shè)置在疏散門附近，且送風方向與人員疏散方向垂直，將有大量的風從工作井疏散門中分流。為增加送入疏散通道的有效風量，提出了如下優(yōu)化方案： 取消疏散通道內(nèi)送風管，利用疏散通道滑梯處弧形空間設(shè)置土建送風道，在風道末端設(shè)置防護網(wǎng)進行送風，將送風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。

針對上述優(yōu)化后方案，采用CFD軟件建立了加壓送風系統(tǒng)模型，主要邊界條件如下： 隧道長度2 450 m，內(nèi)徑10 m；疏散口數(shù)量30個，間距80 m，尺寸820 mm(寬)×1 920 mm(長)；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)計防火規(guī)范》[16]的規(guī)定，加壓送風口風速不大于7 m/s，因此最大加壓送風量為50 400 m3/h，送風口尺寸2 m2；開啟中部15個疏散口；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速分布圖(單位： m/s)

圖8 疏散口平均風速模擬結(jié)果

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

由圖8的模擬結(jié)果可知，兩端疏散門的漏風量均為7 560 m3/h,漏風量比例由原方案的40%降低到15%，大幅提高了送入疏散通道內(nèi)的加壓送風量。根據(jù)圖7及統(tǒng)計結(jié)果可知，所有疏散口風速均大于0.9 m/s，平均風速為1.0 m/s，且風速分布較均勻，風速變化范圍為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

當發(fā)生火災(zāi)時，人員通過疏散滑梯直接進入疏散通道內(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入縱向疏散通道內(nèi)，影響人員的安全疏散。為此對疏散通道結(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入滑梯間，再通過防火門進入疏散通道。

2) 在滑梯間與疏散通道隔墻上設(shè)置余壓閥，火災(zāi)時開啟疏散通道兩端加壓風機對疏散通道加壓送風，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，可有效防止煙氣進入疏散通道，同時也可避免流淌火和消防廢水進入疏散通道，進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)對某越江隧道加壓送風系統(tǒng)進行了現(xiàn)場測試，測試結(jié)果表明，各個疏散口風速差別不大，且疏散口風速與距加壓風機的距離無關(guān)，基本可以滿足疏散口處風速要求。由于測試隧道加壓送風口送風方向與人員疏散方向垂直，通過工作井疏散門漏風量占總風量的比例高達40%。

2)利用疏散通道弧形空間設(shè)置土建送風道和送風口的方式，保證送風方向與人員疏散方向相反，可使疏散門漏風量由40%降低為15%，在加壓風機選型時應(yīng)考慮適當?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個獨立的空間，在滑梯間和疏散通道內(nèi)依次形成不同的壓力梯度，可進一步提高疏散通道的安全性。

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

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

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

U 455

A

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