朱祝龍， 田 峰， 陳 洋， 張 宇

(中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司第五設(shè)計(jì)分院， 天津 300133)

地鐵長(zhǎng)大過海區(qū)間隧道通風(fēng)排煙方案

朱祝龍， 田 峰， 陳 洋， 張 宇

(中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司第五設(shè)計(jì)分院， 天津 300133)

針對(duì)地鐵長(zhǎng)大過海區(qū)間隧道通風(fēng)排煙問題，結(jié)合青島地鐵1號(hào)線瓦貴區(qū)間工程，采用理論及對(duì)比分析、數(shù)值解算等方法，分析過海區(qū)間隧道區(qū)間風(fēng)井設(shè)置、火災(zāi)工況氣流組織等問題。介紹青島地鐵1號(hào)線瓦貴區(qū)間概況，然后提出區(qū)間風(fēng)井設(shè)置的要點(diǎn)，參考國(guó)內(nèi)相關(guān)城市過江工程實(shí)例，采用土建排煙風(fēng)道，以保證災(zāi)害工況下兩車追蹤人員的疏散安全。闡述陸域段防排煙和海域段防排煙方案，對(duì)于陸域段，排煙方案可以按照常規(guī)地鐵區(qū)間進(jìn)行設(shè)置；對(duì)于海域段，需根據(jù)區(qū)間長(zhǎng)度，采用全吊頂或者局部吊頂排煙方案。通過研究區(qū)間火災(zāi)安全目標(biāo)，設(shè)定熱釋放功率為10 MW，隧道臨界風(fēng)速為2.1 m/s，重點(diǎn)排煙量為80 m3/s，并繪制通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果圖，解算結(jié)果表明各區(qū)間風(fēng)井的防排煙系統(tǒng)均滿足規(guī)范要求。

地鐵； 長(zhǎng)大過海區(qū)間； 通風(fēng)排煙； 隧道； 海域防排煙； 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算

1 研究背景

近年來(lái)，地鐵過海隧道作為改善城市環(huán)境、緩解城市交通的有效措施開始出現(xiàn)。地鐵運(yùn)營(yíng)期間的主要災(zāi)害為火災(zāi)事故、大客流的人群踩踏事故、地鐵工程水淹事故、恐怖襲擊時(shí)的爆炸和毒氣泄漏事故、高架線路列車脫軌事故等。對(duì)國(guó)內(nèi)外地鐵火災(zāi)、水災(zāi)、停電、列車出軌或相撞、爆炸、地震等事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖1所示[1-2]。

圖1 地鐵事故分布Fig.1 Statistics of subway accidents

從圖1可以看出，火災(zāi)事故是威脅地鐵安全的主要因素，約占地鐵事故總數(shù)的57%。由于過海區(qū)間隧道路徑較長(zhǎng)、過江隧道斷面較小、人流密集等因素，地鐵過江隧道一旦發(fā)生火災(zāi)，溫度上升快、濃煙不易擴(kuò)散、人員疏散困難，極易造成較大人員傷亡事故[3-4]。因此，如何科學(xué)、合理地進(jìn)行地鐵長(zhǎng)大過海隧道的火災(zāi)煙氣控制，已經(jīng)成為一個(gè)非常重要的課題。本文結(jié)合青島地鐵1號(hào)線瓦貴區(qū)間分析地鐵長(zhǎng)大區(qū)間隧道區(qū)間風(fēng)井、通風(fēng)排煙方案的設(shè)置問題，利用通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算程序MVNS對(duì)通風(fēng)排煙方案進(jìn)行驗(yàn)證，提出適合地鐵長(zhǎng)大過海區(qū)間隧道的通風(fēng)排煙方案，為控制地鐵區(qū)間火災(zāi)煙氣和人員疏散提供依據(jù)。

2 工程概況

青島地鐵1號(hào)線瓦屋莊站—貴州路站區(qū)間(以下簡(jiǎn)稱瓦貴區(qū)間)，起自黃島區(qū)瓦屋莊站，線路沿既有膠州灣隧道東側(cè)向北下穿膠州灣灣口海域后，接入青島主城區(qū)貴州路站。線路全長(zhǎng)約7.8 km，其中海域段約3.5 km。采用B型車6輛編組，定員1 460人，陸域段最高設(shè)計(jì)時(shí)速為80 km/h，海域段最高設(shè)計(jì)時(shí)速為100 km/h。綜合考慮線路、施工組織及防災(zāi)救援等因素，瓦貴區(qū)間采用單洞雙線。

3 區(qū)間風(fēng)井設(shè)置

遠(yuǎn)期高峰時(shí)段瓦貴區(qū)間內(nèi)同一時(shí)刻有3列列車運(yùn)行，兩車最小行車間距分別為陸域2 100 m、海域2 700 m。為保證火災(zāi)情況下的行車安全，信號(hào)專業(yè)需強(qiáng)制保證每個(gè)通風(fēng)區(qū)間僅有1列列車運(yùn)行。另為保證乘客安全疏散，災(zāi)害工況隧道內(nèi)送風(fēng)方向需與乘客疏散方向相反，盡量使人煙分離，保證人員疏散隧道內(nèi)的能見度和安全性。

結(jié)合隧道線路、地面條件和車站站位，整個(gè)過海區(qū)間設(shè)置3座區(qū)間風(fēng)井，風(fēng)井中心里程初定為K15+700(1#風(fēng)井，位于薛家島車輛段內(nèi))、K16+800(2#風(fēng)井，位于薛家島岸邊)和K20+800(3#風(fēng)井，位于團(tuán)島岸邊軍事用地院墻外側(cè)綠地內(nèi))，則瓦屋莊站至1#風(fēng)井區(qū)間、1#風(fēng)井至2#風(fēng)井區(qū)間以及3#風(fēng)井至貴州路站區(qū)間內(nèi)遠(yuǎn)期高峰時(shí)段僅有1列列車運(yùn)行，風(fēng)井布置如圖2、3所示。

圖2 區(qū)間風(fēng)井平面布置示意Fig.2 Diagram of the tunnel shaft layout

圖3 區(qū)間風(fēng)井平面布置Fig.3 Diagram of the subsea tunnel shaft

4 通風(fēng)排煙方案

4.1 陸域段防排煙方案

根據(jù)前述分析，瓦屋莊站至貴州路站陸域段區(qū)間遠(yuǎn)期高峰時(shí)段同一時(shí)刻最多有1列車運(yùn)營(yíng)，火災(zāi)時(shí)采用軸流風(fēng)機(jī)推拉式送風(fēng)排煙方案，風(fēng)機(jī)運(yùn)行模式需根據(jù)火災(zāi)點(diǎn)位置及車站、區(qū)間風(fēng)井風(fēng)機(jī)布置綜合考慮。列車火災(zāi)氣流組織如圖4、5所示。

圖4 陸域段瓦屋莊站—1#風(fēng)井區(qū)間列車火災(zāi)氣流組織示意Fig.4 Diagram of air current with fire in 1# shaft of Wawuzhuang station for land area

圖5 陸域段3#區(qū)間風(fēng)井—貴州路站區(qū)間列車火災(zāi)氣流組織示意Fig.5 Diagram of air current with fire in 3# shaft of Guizhoulu station for sea area

4.2 海域段防排煙方案

海域段(2#風(fēng)井至3#風(fēng)井4 km區(qū)間)遠(yuǎn)期高峰時(shí)段同一時(shí)刻有2列車運(yùn)行，可以采用分段縱向排煙及半橫向排煙方案。借鑒南京、武漢、廈門等城市軌道交通工程實(shí)例，在行車隧道上部設(shè)置土建排煙道，有局部設(shè)置排煙道和全長(zhǎng)設(shè)置排煙道兩種方案，如圖6所示。

圖6 海域段土建排煙道設(shè)置示意Fig.6 Diagram of smoke duct in sea area

為了避免海域段列車追蹤，局部土建排煙道應(yīng)能將整個(gè)區(qū)間劃分為2個(gè)區(qū)段，且分段長(zhǎng)度小于2 700 m。采用局部土建排煙道設(shè)置方案，若2#至3#區(qū)間風(fēng)井為一個(gè)牽引供電區(qū)段，當(dāng)前車車尾或后車車頭著火排煙時(shí)將影響非火災(zāi)車輛人員的疏散。雖然局部土建排煙道設(shè)置方案工程投資少，施工工期短，但其不能解決整個(gè)海域段牽引斷電時(shí)著火列車的排煙問題，因此海域段采用全長(zhǎng)設(shè)置土建排煙道方案。全長(zhǎng)設(shè)置排煙道時(shí)列車火災(zāi)氣流組織示意如圖7所示。

圖7 列車火災(zāi)排煙氣流組織Fig.7 Air current of smoke extraction when the train catched fire

5 區(qū)間火災(zāi)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算

5.1 區(qū)間火災(zāi)安全目標(biāo)

1) 火源熱釋放功率。對(duì)于國(guó)內(nèi)新投入運(yùn)行的地鐵車輛，其結(jié)構(gòu)都是由不燃或阻燃材料構(gòu)成，列車內(nèi)發(fā)生火災(zāi)多是由于乘客的行李燃燒后引起車廂內(nèi)材料的局部燃燒。熱釋放速率設(shè)定為10 MW。

2) 排煙風(fēng)速設(shè)定?！兜罔F設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]第28.4.12條要求：區(qū)間隧道火災(zāi)的排煙量，應(yīng)按單洞區(qū)間隧道斷面的排煙流速不小于2 m/s且高于計(jì)算的臨界風(fēng)速計(jì)算，但排煙流速不得大于11 m/s。當(dāng)隧道采用縱向通風(fēng)控制煙流時(shí)，縱向風(fēng)速應(yīng)大于臨界風(fēng)速?？v向通風(fēng)臨界速度可由Kenndy公式[10]計(jì)算。

Vc=K1Kg(gHQ/ρCpATf)1/3

(1)

Tf=(Q/ρCpAVc)+T

(2)

Kg=1+0.0374G0.8

(3)

式中，K1=0.606；Vc為臨界風(fēng)速，m/s；H為隧道頂高度，m；A為隧道斷面面積，m2；G為隧道坡度；Kg為坡度修正系數(shù)；Tf為煙氣平均溫度，K；T為環(huán)境空氣溫度，K；Cp為空氣定壓比熱，kJ/(kg·K )；g為重力加速度，m/s2；ρ為空氣密度，kg/m3。

經(jīng)計(jì)算，本隧道臨界風(fēng)速為2.1 m/s。

3) 半橫向排煙量設(shè)定。當(dāng)隧道采用重點(diǎn)排煙時(shí)，根據(jù)《上海市建筑防排煙技術(shù)規(guī)程》相關(guān)要求，可采用軸對(duì)稱模型計(jì)算火災(zāi)產(chǎn)煙量：

(4)

(5)

(6)

ΔTP=Qc/MρCp

(7)

V=MpT/ρ0T0

(8)

式中，Qc為熱釋放量的對(duì)流部分，一般取0.7Q，kW；Z為燃料面到煙層底部的高度，m；Z1為火焰極限高度，m；Mp為煙縷質(zhì)量，kg/s；ΔTP為煙氣平均溫度和環(huán)境溫度差，K；Cp為空氣定壓比熱，kJ/(kg·K )；V為排煙量，m3/s；ρ0為環(huán)境空氣溫度下的密度，kg/m3；T0為環(huán)境絕對(duì)溫度，K；T為煙氣的絕對(duì)溫度，K。

經(jīng)計(jì)算，火災(zāi)下煙氣產(chǎn)煙量為51 m3/s。根據(jù)文獻(xiàn)[11]研究，當(dāng)排煙道風(fēng)量達(dá)到80 m3/s時(shí)，能長(zhǎng)時(shí)間將10 MW規(guī)?；馂?zāi)的煙氣控制在列車周邊150 m范圍內(nèi)，乘客只要及時(shí)撤離有煙區(qū)域即能安全疏散出去。因此綜合產(chǎn)煙量、最大漏風(fēng)量及相關(guān)研究，本研究設(shè)定重點(diǎn)排煙量為80 m3/s。

5.2 網(wǎng)絡(luò)解算

青島地鐵1號(hào)線采用站臺(tái)門系統(tǒng)，隧道通風(fēng)系統(tǒng)采用雙活塞風(fēng)道模式。每座車站設(shè)置4臺(tái)隧道風(fēng)機(jī)，每臺(tái)風(fēng)量為60 m3/s。結(jié)合前述分析，1#風(fēng)井設(shè)置2臺(tái)隧道風(fēng)機(jī)，每臺(tái)風(fēng)量為60 m3/s；2#和3#風(fēng)井分別設(shè)置2臺(tái)隧道風(fēng)機(jī)，每臺(tái)風(fēng)量為80 m3/s。當(dāng)區(qū)間發(fā)生火災(zāi)時(shí)，車站U/O風(fēng)機(jī)不開啟，因此計(jì)算時(shí)不予考慮，火災(zāi)阻力根據(jù)PIARC經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算后作為自然風(fēng)壓等效處理，停止列車的計(jì)算通風(fēng)阻力等效隧道流程阻力[7]，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)示意如圖8所示。

圖8 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算節(jié)點(diǎn)圖Fig.8 Node diagram of ventilation network calculation in subsea tunnel

以左線海域段發(fā)生火災(zāi)為例，開啟2#風(fēng)井風(fēng)機(jī)進(jìn)行排煙，3#風(fēng)井風(fēng)機(jī)進(jìn)行補(bǔ)風(fēng)，在隧道內(nèi)形成沿行車方向的氣流，海域段通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果如圖9所示。各區(qū)間火災(zāi)(均以左線為例)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果如表1所示。

圖9 海域段通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果Fig.9 Result of ventilation network calculation in subsea tunnel

5.3 解算結(jié)果判定

根據(jù)表1，各區(qū)間結(jié)果判定如表2所示。

6 結(jié)論與建議

對(duì)于地鐵長(zhǎng)大過海區(qū)間，需針對(duì)不同區(qū)域設(shè)置不同的排煙方案。對(duì)于陸域段，排煙方案可以按照常規(guī)地鐵區(qū)間進(jìn)行設(shè)置；對(duì)于海域段，需根據(jù)區(qū)間長(zhǎng)度，采用全吊頂或者局部吊頂排煙方案。

表1 火災(zāi)工況計(jì)算風(fēng)量

表2 對(duì)比分析結(jié)果

本文僅針對(duì)長(zhǎng)大區(qū)間及相鄰兩車站進(jìn)行火災(zāi)風(fēng)網(wǎng)解算，尚有待后續(xù)納入全線進(jìn)行解算，以便提出更全面的火災(zāi)排煙方案及火災(zāi)工況下設(shè)備的聯(lián)動(dòng)措施。另外，需結(jié)合通風(fēng)排煙方式綜合考慮人員疏散，以便對(duì)工程最終實(shí)施提供更可靠的理論支撐。

[1] 中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司.青島地鐵1號(hào)線過海隧道工程專題研究報(bào)告[R].天津，2014. China Railway Tunnel Survey & Design Institute Co., Ltd.Research report for the subsea tunnel in Line 1 in Qingdao [R].Tianjin， 2014.

[2] 陳菁菁.城市軌道交通重大運(yùn)營(yíng)事故和災(zāi)害分析[J].城市軌道交通研究,2010，13(5):41-45. CHEN Jingjing.Analysis on grave accidents and disasters in urban rail transit operation[J].Urban mass transit, 2010， 13(5): 41-45.

[3] 劉立爭(zhēng),毛軍.地鐵區(qū)間隧道火災(zāi)排煙通風(fēng)模式分析[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì),2005(11)：5-7. LIU Lizheng, MAO Jun.Analysis of exhaust ventilation mode of subway tunnel fire[J].Construction & design for project， 2005(11): 5-7.

[4] 梁暉.地鐵火災(zāi)防排煙設(shè)計(jì)探討[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2010，6(6):119-121. LIANG Hui.Discussion on the design of subway smoke prevention and exhaust[J].Journal of safety science and technology, 2010, 6(6)： 119-121.

[5] 王靜偉，羅輝，羅燕萍.地鐵隧道早晚通風(fēng)模式優(yōu)化研究[J].都市快軌交通，2015，28(2)：38-40. WANG Jingwei, LUO Hui, LUO Yanping.Optimization of ventilation models of subway tunnels in morning and evening time[J].Urban rapid rail transit, 2015, 28(2): 38-40.

[6] 蘇立勇.青島膠州灣海底公路隧道通風(fēng)方案設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2009，46(2):77-83. SU Liyong.Ventilation design option for Qingdao Jiaozhou Bay subsea tunnel[J].Modern tunnelling technology, 2009, 46(2)： 77-83.

[7] 曹樹勇.青島地鐵2號(hào)線過海隧道通風(fēng)及防排煙設(shè)計(jì)初步方案[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2010，30(S2):56-59. CAO Shuyong. An approach to the prevention and discharge of smoke for the subsea tunnel in Line 2 in Qingtao[J].Railway standard design, 2010, 30(S2): 56-59.

[8] 張之啟.南京地鐵過江隧道通風(fēng)系統(tǒng)方案研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2012,29(4):104-107. ZHANG Zhiqi.Research on ventilation system scheme for river-crossing tunnel of Nanjing Subway[J].Journal of railway engineering society, 2012， 29(4)： 104-107.

[9] 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50157—2013[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2014. Code for design of metro: GB 50157—2013[S].Beijing: China Architecture & Building Press, 2014.

[10] 田峰,王海橋,朱祝龍.單洞特長(zhǎng)鐵路隧道防災(zāi)通風(fēng)研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2012，8(21):1550-1552. TIAN Feng, WANG Haiqiao, ZHU Zhulong.Research on fire ventilation of extra-long one-tube railway tunnel[J].Chinese journal of underground space and engineering, 2012， 8(21): 1550-1552.

[11] 趙明橋.地下鐵道火災(zāi)煙氣分區(qū)控制及人員疏散模式研究[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2010. ZHAO Mingqiao.Study on smoke zoning control and evacuation in metro[D].Changsha: Central South University, 2010.

(編輯：王艷菊)

Ventilation and Smoke Extraction in Long Subsea Subway Tunnel

ZHU Zhulong, TIAN Feng, CHEN Yang, ZHANG Yu

(Fifth Design Branch, China Railway Tunnel Survey & Design Institute Co., Ltd., Tianjin 300133)

Some technical problems including ventilation and smoke exhaust, fire escape and evacuation, etc., have occurred in long subsea tunnels with the rapid development of tunneling technology which allows to construct longer and more complicated subsea tunnels. Shaft and smoke extraction in the subsea section of the tunnel is analyzed by citing Wagui tunnel in Line 1 in Qingtao as a case. Theoretical and contrastive analysis is made and ventilation network calculation is done. The reasonable and feasible ventilation and smoke extraction that can ensure safe operation of the tunnel is put forward. The fire safety target is studied and it is found that the heat release power is set to 10 MW, the tunnel critical wind velocity is 2.1 m/s, the smoke emission is 80 m3/s, and the results of the ventilation network are plotted. The solution shows that every smoke control system of the ventilation can meet the requirements of the code.

subway; long subsea section; ventilation and smoke extraction; tunnel; smoke prevention and control; ventilation network solution

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.01.019

2016-01-15

2016-06-27

朱祝龍，男，工程師，碩士，主要從事地鐵、公路隧道及鐵路隧道設(shè)計(jì)工作，Zhuzhulongqd@163.com

U231.5

A

1672-6073(2017)01-0094-04