中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 劉 樹(shù)

0 引言

隨著各地城市軌道交通的發(fā)展，地鐵項(xiàng)目建設(shè)快速推進(jìn)，安全日益成為建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位首要考慮的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)部分工程中出現(xiàn)了特長(zhǎng)隧道區(qū)間，分別采用了不同的救援疏散措施及通風(fēng)方案，以保證事故工況下人員的安全疏散[1]。根據(jù)事件性質(zhì)，城市軌道交通發(fā)生的重大運(yùn)營(yíng)事故及災(zāi)害主要可分為列車事故、火災(zāi)事故、恐怖襲擊、自然災(zāi)害、系統(tǒng)水災(zāi)五大類，其中火災(zāi)事故是對(duì)城市軌道交通造成影響最嚴(yán)重、危害最大的一類事故[2]。因此對(duì)于長(zhǎng)大區(qū)間尤其是長(zhǎng)大跨海(江)區(qū)間，其通風(fēng)排煙模式顯得尤為重要。本文結(jié)合目前國(guó)內(nèi)地鐵已建成的最長(zhǎng)的跨海隧道區(qū)間——青島地鐵8號(hào)線大洋站至青島北站區(qū)間，重點(diǎn)研究海域中部無(wú)法設(shè)置區(qū)間風(fēng)井的隧道通風(fēng)排煙方案，其研究結(jié)果可為地鐵超長(zhǎng)跨海(江)區(qū)間的通風(fēng)排煙設(shè)計(jì)提供依據(jù)和參考。

1 工程概況

青島地鐵8號(hào)線跨海區(qū)間為大洋站至青島北站區(qū)間，長(zhǎng)度約8.68 km，此段線路中部下穿膠州灣海域，海域段長(zhǎng)度約5.40 km，為目前國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)地鐵跨海隧道。大洋站至青島北站區(qū)間隧道斷面呈V字形狀，跨海區(qū)間隧道縱斷面示意圖見(jiàn)圖1，最大坡度為28‰，最小坡度為5‰，大洋站至海域中部隧道施工工法為礦山法，海域中部至青島北站隧道施工工法為盾構(gòu)法。

圖1 跨海區(qū)間隧道縱斷面示意圖

該工程地鐵車輛為B型車，6節(jié)編組。根據(jù)行車專業(yè)計(jì)算結(jié)果，大洋站至青島北站區(qū)間可能同時(shí)存在3輛列車同時(shí)運(yùn)行，即大洋站側(cè)的陸域段存在1輛列車、海域段存在2輛列車或大洋站側(cè)的陸域段存在1輛列車、海域段存在1輛列車、青島北站側(cè)陸域段存在1輛列車。為保證“區(qū)間隧道火災(zāi)時(shí)，區(qū)間隧道通風(fēng)排煙系統(tǒng)的排煙模式滿足單線區(qū)間隧道內(nèi)正常運(yùn)行時(shí)兩區(qū)間風(fēng)井間只有一輛列車的要求”[3]，整個(gè)跨海區(qū)間需在海域段兩側(cè)岸邊處設(shè)置2座區(qū)間風(fēng)井，分別為1號(hào)區(qū)間風(fēng)井(風(fēng)井中心里程K40+271.514，即40 271.514 m)和2號(hào)區(qū)間風(fēng)井(風(fēng)井中心里程K45+671.507，即45 671.507 m)；同時(shí)在1號(hào)區(qū)間風(fēng)井至海域中部的隧道頂部設(shè)置土建風(fēng)道，該軌頂風(fēng)道與1號(hào)區(qū)間風(fēng)井處的事故風(fēng)井相連，土建風(fēng)道端部設(shè)置組合風(fēng)閥，將海域段分為2個(gè)通風(fēng)區(qū)段。由于單側(cè)軌頂風(fēng)道面積有限，因此在海域中部附近將左右線的軌頂風(fēng)道設(shè)置連通道，事故工況時(shí)，氣流通過(guò)連通道經(jīng)左右線的軌頂風(fēng)道共同組織通風(fēng)排煙。具體通風(fēng)區(qū)段劃分如圖2所示。

圖2 跨海區(qū)間通風(fēng)區(qū)段劃分示意圖

其中，陸域段Ⅰ區(qū)間斷面面積為25.3 m2，海域段Ⅰ區(qū)間斷面面積為27.3 m2，其軌頂風(fēng)道面積為9.4 m2，海域段Ⅱ和陸域段Ⅱ的區(qū)間斷面面積均為25.7 m2。

2 通風(fēng)系統(tǒng)形式及配置

青島地鐵8號(hào)線區(qū)間隧道采用雙活塞通風(fēng)系統(tǒng)。大洋站車站兩端分別設(shè)置2座活塞風(fēng)井(兼事故風(fēng)井)；1號(hào)區(qū)間風(fēng)井設(shè)置2座活塞風(fēng)井(兼事故風(fēng)井)，同時(shí)設(shè)置1座事故風(fēng)井，通過(guò)與軌頂土建風(fēng)道相接服務(wù)海域中部；2號(hào)區(qū)間風(fēng)井設(shè)置2座活塞風(fēng)井(兼事故風(fēng)井)；青島北站小里程端的2座活塞風(fēng)井(兼事故風(fēng)井)設(shè)置于3號(hào)風(fēng)井處，大里程端因條件受限，采用單活塞通風(fēng)系統(tǒng)?？绾^(qū)間通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備配置見(jiàn)表1，相應(yīng)的隧道通風(fēng)原理如圖3所示。

表1 跨海區(qū)間通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備配置

圖3 跨海區(qū)間隧道通風(fēng)原理簡(jiǎn)圖

大洋站大里程側(cè)設(shè)置站內(nèi)停車線，其站后區(qū)間內(nèi)左右線各設(shè)置1組射流風(fēng)機(jī)(每組2臺(tái)并聯(lián)，單臺(tái)風(fēng)機(jī)風(fēng)量16 m3/s，出口風(fēng)速40.4 m/s，推力737 N)，以進(jìn)行輔助通風(fēng)排煙。因1號(hào)區(qū)間風(fēng)井至海域中部的軌頂風(fēng)道長(zhǎng)約2.5 km，其阻力約為1 750 Pa，受土建條件制約，如采用大型離心風(fēng)機(jī)或?qū)πL(fēng)機(jī)，對(duì)土建改動(dòng)較大。因此采用隧道風(fēng)機(jī)串聯(lián)模式以增大其風(fēng)壓，結(jié)合長(zhǎng)風(fēng)道進(jìn)行布置，充分利用既有土建條件。1號(hào)風(fēng)井內(nèi)的事故風(fēng)井設(shè)置2組隧道風(fēng)機(jī)，每組隧道風(fēng)機(jī)采用2臺(tái)進(jìn)行串聯(lián)運(yùn)行，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)多次風(fēng)速測(cè)試及各類驗(yàn)收，串聯(lián)風(fēng)機(jī)運(yùn)行良好?；钊L(fēng)系統(tǒng)與機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)在組合風(fēng)閥的切換下實(shí)現(xiàn)功能上的互補(bǔ)及列車在正常、阻塞、火災(zāi)工況下的各種控制要求[4]。

3 通風(fēng)排煙模式分析

3.1 方案分析

目前對(duì)國(guó)內(nèi)外特長(zhǎng)區(qū)間隧道通風(fēng)采取的方案主要有全縱向射流誘導(dǎo)式通風(fēng)方案、分段縱向通風(fēng)方案和半橫向通風(fēng)方案3種[1，5]。因該區(qū)間海域段長(zhǎng)5.40 km，存在2輛列車同時(shí)追蹤，采用全縱向射流誘導(dǎo)通風(fēng)不利于人員安全疏散，且系統(tǒng)控制復(fù)雜。采用半橫向通風(fēng)方案，在排煙風(fēng)道上每隔60 m設(shè)一處電動(dòng)排煙閥，導(dǎo)致其控制風(fēng)閥點(diǎn)位多。同時(shí)海域中部至青島北站施工工法為盾構(gòu)，隧道頂部設(shè)置軌頂排煙風(fēng)道的空間有限。因此結(jié)合土建條件及國(guó)內(nèi)外工程實(shí)例，該跨海區(qū)間采用分段縱向通風(fēng)方案。

本文利用SES地鐵環(huán)境模擬計(jì)算軟件對(duì)跨海區(qū)間不同的通風(fēng)排煙方案分別進(jìn)行模擬計(jì)算，并比較分析，從而選擇最合理、最經(jīng)濟(jì)的通風(fēng)排煙方案，大大節(jié)省投資。本文均以行車右線為例進(jìn)行模擬分析。

3.2 阻塞工況

當(dāng)列車因故障停在區(qū)間隧道時(shí)，應(yīng)能對(duì)阻塞區(qū)間進(jìn)行有效通風(fēng)，保證空調(diào)列車車載冷凝器的運(yùn)行及車內(nèi)乘客新風(fēng)量的要求。

對(duì)于該特長(zhǎng)跨海區(qū)間隧道，區(qū)間存在1輛列車阻塞、2輛列車同時(shí)阻塞、3輛列車同時(shí)阻塞的多種阻塞工況。經(jīng)過(guò)多種工況模擬分析，此區(qū)間多種列車阻塞模式可簡(jiǎn)化為一種通風(fēng)工況，即1號(hào)風(fēng)井活塞風(fēng)道內(nèi)的2臺(tái)隧道風(fēng)機(jī)進(jìn)行送風(fēng)、2號(hào)區(qū)間風(fēng)井活塞風(fēng)道內(nèi)的2臺(tái)隧道風(fēng)機(jī)進(jìn)行排風(fēng)、陸域段Ⅰ的射流風(fēng)機(jī)正轉(zhuǎn)，按最不利工況考慮，陸域段Ⅰ存在1輛列車，海域段存在2輛列車，此時(shí)陸域段Ⅰ通風(fēng)量為55.9 m3/s，海域段通風(fēng)量為69.3 m3/s，阻塞列車最不利周圍平均溫度可維持在35.5 ℃，能滿足空調(diào)器正常運(yùn)行要求。阻塞工況氣流組織如圖4所示。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速測(cè)試，阻塞工況下實(shí)測(cè)風(fēng)速約為2.1～2.4 m/s，滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。簡(jiǎn)化模式有助于降低綜合監(jiān)控系統(tǒng)模式控制難度，同時(shí)提高現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試效率。

圖4 跨海區(qū)間隧道阻塞工況氣流組織示意圖

3.3 火災(zāi)工況

列車在區(qū)間隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，應(yīng)盡力將列車駛達(dá)前方最近的車站，使人員從車站疏散。若火災(zāi)列車停在區(qū)間隧道內(nèi)，通過(guò)控制中心確認(rèn)火災(zāi)列車在區(qū)間隧道內(nèi)的位置、確定人員疏散方向，決定通風(fēng)氣流方向，氣流方向與火災(zāi)區(qū)段隧道乘客疏散方向相逆，使疏散區(qū)處于新風(fēng)段，空氣流速根據(jù)火災(zāi)規(guī)模、區(qū)間橫斷面尺寸和縱向坡度等確定。本工程列車火災(zāi)規(guī)模按發(fā)熱量5 MW計(jì)算，安全系數(shù)取1.5。由臨界風(fēng)速計(jì)算公式[6-7]可知，陸域段隧道坡度最大為28‰，臨界風(fēng)速約為1.86 m/s；海域段Ⅰ隧道坡度最大為28‰時(shí)，臨界風(fēng)速約為1.71 m/s；海域段Ⅱ隧道坡度最大為27‰時(shí)，臨界風(fēng)速約為1.85 m/s；結(jié)合規(guī)范“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”的要求，因此縱向通風(fēng)排煙風(fēng)速應(yīng)不小于2 m/s。

陸域段分為大洋站至1號(hào)區(qū)間風(fēng)井及2號(hào)風(fēng)井至青島北站3號(hào)風(fēng)井。因該通風(fēng)區(qū)段內(nèi)火災(zāi)排煙模式較為簡(jiǎn)單，僅為通風(fēng)區(qū)段兩側(cè)的隧道風(fēng)機(jī)開(kāi)啟進(jìn)行縱向通風(fēng)排煙即可滿足區(qū)間火災(zāi)風(fēng)速要求。本文重點(diǎn)分析海域段火災(zāi)工況氣流組織模式。當(dāng)列車在海域段發(fā)生火災(zāi)時(shí)，根據(jù)火災(zāi)所處的區(qū)段，通過(guò)區(qū)間風(fēng)井，相鄰車站隧道風(fēng)機(jī)及縱向通風(fēng)土建風(fēng)道，在火災(zāi)區(qū)段實(shí)現(xiàn)分段縱向推拉式通風(fēng)排煙模式。

1) 海域段Ⅰ內(nèi)列車車頭發(fā)生火災(zāi)時(shí)，此時(shí)陸域段Ⅰ及海域段Ⅱ內(nèi)各有1輛列車。其模式為1號(hào)區(qū)間風(fēng)井活塞風(fēng)道內(nèi)的2臺(tái)隧道風(fēng)機(jī)進(jìn)行送風(fēng)、事故風(fēng)道的4臺(tái)隧道風(fēng)機(jī)進(jìn)行排風(fēng)，同時(shí)2號(hào)區(qū)間風(fēng)井活塞風(fēng)道內(nèi)的2臺(tái)隧道風(fēng)機(jī)進(jìn)行排風(fēng)，此時(shí)區(qū)間排煙量為88.3 m3/s，模擬區(qū)間風(fēng)速為3.12 m/s，滿足規(guī)范及臨界風(fēng)速要求。氣流組織示意圖見(jiàn)圖5。

圖5 海域段Ⅰ車頭火災(zāi)工況氣流組織示意圖

2) 海域段Ⅰ內(nèi)列車車尾發(fā)生火災(zāi)時(shí)，1號(hào)區(qū)間風(fēng)井活塞風(fēng)道的2臺(tái)隧道風(fēng)機(jī)進(jìn)行排風(fēng)、事故風(fēng)道的4臺(tái)隧道風(fēng)機(jī)進(jìn)行送風(fēng)，同時(shí)2號(hào)區(qū)間風(fēng)井活塞風(fēng)道2臺(tái)隧道風(fēng)機(jī)進(jìn)行送風(fēng)，此時(shí)區(qū)間排煙量為85.7 m3/s，模擬區(qū)間風(fēng)速為3.03 m/s，滿足規(guī)范及臨界風(fēng)速要求。氣流組織示意圖見(jiàn)圖6。

圖6 海域段Ⅰ車尾火災(zāi)工況氣流組織示意圖

3) 海域段Ⅱ內(nèi)列車車頭發(fā)生火災(zāi)時(shí)，此時(shí)陸域段Ⅰ及陸域段Ⅱ內(nèi)各有1輛列車。其模式為1號(hào)區(qū)間風(fēng)井事故風(fēng)道的4臺(tái)隧道風(fēng)機(jī)進(jìn)行送風(fēng)，2號(hào)區(qū)間風(fēng)井及青島北站3號(hào)區(qū)間風(fēng)井的各2臺(tái)隧道風(fēng)機(jī)均進(jìn)行排風(fēng)，此時(shí)區(qū)間排煙量為105.8 m3/s，模擬區(qū)間風(fēng)速為3.74 m/s，滿足規(guī)范及臨界風(fēng)速要求。氣流組織示意圖見(jiàn)圖7。

圖7 海域段Ⅱ車頭火災(zāi)工況氣流組織示意圖

4) 海域段Ⅱ內(nèi)列車車尾發(fā)生火災(zāi)時(shí)，1號(hào)區(qū)間風(fēng)井事故風(fēng)道的4臺(tái)隧道風(fēng)機(jī)進(jìn)行排風(fēng)，2號(hào)及3號(hào)區(qū)間風(fēng)井各2臺(tái)隧道風(fēng)機(jī)均進(jìn)行送風(fēng)，此時(shí)區(qū)間排煙量為82.9 m3/s，模擬區(qū)間風(fēng)速為2.93 m/s，滿足規(guī)范及臨界風(fēng)速要求。氣流組織示意圖見(jiàn)圖8。

圖8 海域段Ⅱ車頭火災(zāi)工況氣流組織示意圖

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)多次風(fēng)速測(cè)試，各通風(fēng)區(qū)段火災(zāi)工況下區(qū)間排煙風(fēng)速均在2.3 m/s以上，滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

1) 青島地鐵8號(hào)線跨海區(qū)間通過(guò)設(shè)置區(qū)間風(fēng)井及海域段局部軌頂土建風(fēng)道，將跨海隧道分成4個(gè)縱向通風(fēng)區(qū)段，保證正常運(yùn)行時(shí)1個(gè)通風(fēng)區(qū)段內(nèi)只有1輛列車運(yùn)行的要求，事故工況時(shí)排煙方向與人員疏散方向相反，為救援疏散提供了條件。

2) 通過(guò)模擬分析，簡(jiǎn)化了區(qū)間阻塞模式，采用一種阻塞模式滿足1輛列車阻塞、2輛列車同時(shí)阻塞、3輛列車同時(shí)阻塞的多種阻塞工況，降低綜合監(jiān)控系統(tǒng)模式控制難度的同時(shí)，提高現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的效率。因此建議在滿足規(guī)范要求的前提下，盡量減少區(qū)間模式聯(lián)動(dòng)設(shè)備的數(shù)量，以及簡(jiǎn)化通風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)模式。

3) 結(jié)合土建條件及實(shí)際情況，在海域中部設(shè)置軌頂風(fēng)口，通過(guò)軌頂風(fēng)道連接至陸域段1號(hào)區(qū)間風(fēng)井的事故風(fēng)井處，有效解決海域中部無(wú)法設(shè)置區(qū)間風(fēng)井的難題。

4) 因該工程服務(wù)的軌頂風(fēng)道長(zhǎng)約2.5 km，隧道風(fēng)機(jī)風(fēng)壓較大，因而采用隧道風(fēng)機(jī)串聯(lián)的方式，以滿足其風(fēng)壓要求，為超長(zhǎng)跨海(江)區(qū)間的設(shè)計(jì)提供思路和參考。