地鐵區間隧道熱煙測試實驗研究

侯團增

(深圳前海深集消防安全科技有限公司 廣東深圳 518052)

地鐵區間隧道熱煙測試實驗研究

侯團增

(深圳前海深集消防安全科技有限公司 廣東深圳 518052)

采用全尺寸熱煙試驗方法在深圳地鐵蓮花北站至少年宮站區間隧道進行機械排煙試驗，測試位置位于正線隧道與聯絡線隧道交匯處以及馬蹄形隧道單洞雙線與馬蹄形隧道單洞單線的交匯處。模擬車頭、車尾火災進行排煙，相鄰車站隧道風機進行輔助排煙，測試各種排煙模式，觀察各種防排煙模式下的排煙效果；研究復雜線路交匯處隧道煙氣運動、蔓延情況和設備的工況，并測量和記錄風速等數值。實驗結果可對隧道防排煙設計、火災控制提供數據支持，并為列車中部著火且停在隧道內提供疏散方案。

城市軌道交通；區間隧道；熱煙測試；復雜線路；風機并聯；區間疏散

1 實驗隧道概況

1.1 工程概況

深圳地鐵4號線是一條重要的南北干線，線路全長20.4 km,共有15座車站,其中有7座地下車站，隧道線路長9.951 km；1座地面車站，線路長0.14 km；7座高架站，線路長約10.484 km。區間隧道內存在2段聯絡線，一段在上行K3+304.3 m處,與1號線聯絡;另一段在隧道里程K5+650.5 m至K5+200 m處，大約長450 m，為上下行聯絡線。實驗選用的蓮花北站與少年宮站下行區間隧道長1 393.8 m，測試地點最大坡度為5‰，最小坡度為2‰。點火位置在下行線K5+650 m 處，距少年宮1站臺頭端1 200.3 m，距蓮花北站1站臺尾端193.5 m；位于正線隧道與聯絡線隧道交匯處以及馬蹄形隧道單洞雙線與單洞單線交匯處。馬蹄形單洞雙線隧道高8 644 mm，寬14 858 mm,馬 蹄 形 單 洞 單線隧道高6 210 mm，寬4 450 mm。區間隧道內每隔500 m設置有聯絡門(如圖1所示)。隧道內安裝了感溫探測電纜、消火栓水系統、消防插孔電話、火災手動報警按鈕、疏散出口指示標志和疏散照明系統。

1.2 隧道通風系統設置

上梅林站設有8條機械風井，共設置3臺可逆轉的TVF(隧道風機)，2臺風量為100 m3/s,另1臺風量為90 m3/s；設置4臺IMF(射流風機)，風量為50 m3/s；設置2臺U/O(排熱風機)，風量為50 m3/s；設置2臺OTS(車站隧道送風機),風量為35 m3/s。

蓮花北站設有7條機械風井，共設置3臺可逆轉的TVF，2臺風量為80 m3/s,另1臺風量為90 m3/s；設置2臺IMF，風量為40 m3/s；設置2臺U/O，風量為30 m3/s；設置2臺OTS，風量為35 m3/s。

少年宮站設有6條機械風井，共設置4臺可逆轉的TVF，3臺風量為60 m3/s,另1臺風量為80 m3/s；設置2臺U/O，風量為35 m3/s。

2 實驗設計

2.1 火源與煙氣發生裝置

2.2 模擬測試內容

假定列車行駛到區間隧道下行K5+650 m處發生火災，并且列車失去動力無法行駛，被迫停車，剛好停在正線與聯絡線交匯區域和馬蹄形隧道單洞雙線與馬蹄形隧道單洞單線交匯處。模擬 列 車 車 頭 火 災、車 尾火災，測試區間隧道設置的排煙風機開啟后能否及時將煙氣排出；測試隧道設計模式和各種風機并聯的排煙效果、設備的工況，并測量和記錄風速、煙氣沉降情況。

圖1 實驗隧道內視圖

圖2 煙氣發生裝置及點煙點火

在下行K5+600 m處點燃煙餅，待煙霧充滿隧道后，電話通知OCC(控制中心)當值環調人員遠程啟動隧道風機，待隧道內煙氣排盡后，測量5個測試位置：下行K5+660 m、下行K5+580 m、下行K5+560 m、聯絡線K0+415 m、聯絡線K0+380 m的風速，每個位置取15個點位風速，計算平均風速。

模擬列車車尾、車頭火災時，乘客需從相鄰車站站臺端門進行疏散，經過端門離開隧道到達安全地點，所以測試時，需要開啟的端門保持常開狀態。

啟動各種隧道風機并聯排煙，觀察各種并聯排煙模式的排煙效果，并觀察蓮花北站、少年宮站、上梅林站是否存在竄煙情況，以及煙氣到達相鄰車站的時間。手持DV攝像機跟隨記錄，并在下行K5+670 m、下行K5+610 m、下行K5+550 m位置各放1臺 DV攝像機固定記錄排煙過程。

安全性指標分析：1)啟動隧道風機排煙后，隧道內風速>2 m/s；2)啟動隧道風機排煙后，隧道內風速<11 m/s；3)啟動隧道風機排煙后，能否及時將隧道內煙氣排出；4)隧道風機從靜止狀態轉換為事故工況的時間<30 s；5)隧道風機運行狀態轉換為事故工況的時間<60 s；6)事故工況下需要開啟或關閉設備(啟、閉)所需的時間<30 s；7)端 門 保 持 常 開 狀 態，會 不 會 影 響隧道內風速,端門處的風速是否符合人員安全疏散要求；8)感溫探測電纜能否及時探測報警。

2.3 設定火災模式

將蓮花北站、少年宮站、上梅林站的TVF、U/O、IMF、OTS風機并聯，并配合風機風閥開啟或關閉，模擬車頭、車尾火災進行排煙，并聯相鄰車站隧道風機進行輔助排煙，進行各組合模式排煙試驗，觀察各種防排煙模式下的排煙效果(見圖3、表1)。

圖3 隧道風機并聯排煙示意

位置代號模式開啟風機電動防煙防火閥關閉電動防煙防火閥開啟備注車尾火災下行區間試驗1設計模式TVFLHBS2、TVFLHBS1、TVFLHBN1(送風);LMFLHB1(關)、IMFLHB2(向前南行);D2LHBS3、DZLHBN1、DZLHBN3、DZLHBS4、DZLHBN4、DZLHBN6、DZLHBN5、DZLHBN9、DZLHBS8、DZLHBS9、DZLHBS12。LHBS1、S2、M2、S5、S7、S6、S10、S11、M7、M8風閥自動配合啟/閉試驗2一送一排TVFLHBS2(送風)IMFLHB1(關)、INFLHB2(向南運行);SNGTVF11(排風);DZLHBS3、DZLHBS7、DZLHBS4、DZLHBN1、DZLHBN2、SNGUDZ1UDZ2/II1、SNGDZ、DZ3LHBS1、S2、M4、M3、S5、S6、S8。DZS9、S10、S11、S12、M6、M5、M7、M8、M9;SMGDZ12、DZ1la1B;FM1PM4、111A、1B、DZ2、D24試驗3三送一排TVFLHBS2、TVFLHBSI、TVFLHBN1(送風);LMFLHB1、IMFLHB2(向南運行);SNGTVFI1SNGTVFII1(排風)DZRLHBS3、DZLHBS7、DZLHBS4;SNGULHZR1UDZRZ11R1、SNGSNGDZDZ3。LHBS1、S2、M1、M2、M4、M3、S5、S6、S8、S9、S10、S11、S12、S6、M5、M7、M8、M9、SNGDZ12、12、DZi1a/1B、FM1/FM1FM4、I114、1B、DZ2、DZ4。。試驗4三送兩排TVFLHBS2、TVFLHBS1、TVFLHBN1(送風);LMF1LHB1、1MFLHB2(向南運行);SMGTVFI1、R1R1;SNGTVFRIIR1(排風)DZLHBRS3、DZLHBS7、DZLHBS4;SNGUDZ1UDZ2II1、SNGDZ1DZ3。LHBS1、S2、M1、M2、M4、M3、S5、S6、S8、S9、S10、S11、S12、M6、M5、M7、M8、M9;SNGDZI2、DZ11a1BFM4、II1A、1B、DZR2、DZ4。試驗5三送四排TVFLHBS2、TVFLHBS1、TVFLHBN1(送風);IMFLHB2(向南運行);SNGTVF11、SNGTVFII1、SNGTVFM1、SNGTVFM2(排風);DZLHBS3、DZLHBS7、DZLHBS4;SNGUZD1UDZ2。LHBS1、S2、M1、M2、M4、M3、S5。S6、S8、S9、S10、S11、S12、M6、M5、M7、M8、M9;SNGDZI2、SMGDZ12、SNGDZ11a1B、PM1FM4。II1A、1B、DZ2、DZ4、SNGDZ1/1、DZ3、II1。相關風閥未配合啟/閉車頭火災下行區間試驗6設計模式TVFLHBS2、TVFLHBS1、TVFLHBN1(排風);IMFLHB1(關)、IMFLHB2(向北運行)DZLHBS3、DZLHBS4、DZLHBN1、DZLHBN3、DZLHBN4、DZLHBSR、DZLHBS9、DZLHBN8、DZLHBN6、DZLHBN9,LHBS2、S1、M2、S5、S6、S7、S10、S11、S12、M7、M8。風閥自動配合啟閉

2.4 煙氣運行情況

1) 試驗開始點煙后，煙氣流迅速上竄至隧道頂部區域，然后沿隧道頂部水平蔓延，煙氣能較好地保持分層，并保持在距地面2.5 m以上位置6～12 min，9～15 min時沉降到隧道地面(見圖4)。

圖4 隧道煙氣分層明顯

2) 在點煙位置，隧道頂部煙羽沿上、下游水平勻速蔓延，此時出現煙羽向上游逆流現象。

3) 點火后，該位置煙氣被火源再次加熱，熱煙羽快速上升至隧道頂部，隧道頂部煙氣隨著熱煙羽迅速流動。點火點位置煙氣層雖然被擾動，但是煙氣依然保持在2.5 m以上位置，點火點位置頂部煙氣迅速沿上、下游隧道頂部水平蔓延，出現25 m左右隧道頂部無煙區域，同時伴隨著煙羽逆流現象。

4) 煙羽沿隧道頂部蔓延至馬蹄形隧道單洞雙線與馬蹄形隧道單洞單線交匯處時，距地面2.5 m以上位置煙氣分層明顯，并在此區域沉降緩慢；此區域煙氣分層基本能保持到隧道風機開啟后；在單洞雙線隧道與單洞單線隧道交匯點上部，煙氣沉降較快，4 s后煙羽進入單洞單線隧道內，進入約3 m后，煙羽重新上升至隧道頂部，沿隧道繼續蔓延；單洞單線隧道(正線)和聯絡線隧道(左右兩個隧道)內煙氣運動只是沉降速度稍有不同，運動情況基本一致；正線隧道煙羽沉降速度要快于聯絡線隧道(見圖5)。

圖5 隧道單洞雙線與單線交匯處煙氣運動情況

5) 隧道風機開啟后，煙羽逆流現象消失，煙氣層發生紊亂，羽流與空氣混合嚴重，煙氣分層現象被破壞，煙氣快速下沉至地面，并沿隧道水平縱向排出。

若在點煙后6～7 min開啟隧道風機排煙，煙氣依然能保持在2.5 m以上位置，縱向水平移動，向排煙口排出，這種現象能保持2～3 min；之后，煙氣層被擾亂，煙氣充滿整個隧道，縱向水平排煙，這個時間開啟隧道風機排煙效果最明顯。

6) 從測試試驗觀察到，隧道風機未開啟時，在自然狀態下，煙羽水平流動速度在0.8～1.1 m/s。開啟隧道風機后，煙羽水平流動速度和風機風速成正相關，風速越大，煙羽水平流動速度越快； 隧道內風速越大，煙氣沉降速度越明顯，煙氣層冷卻越快。

7) 采用同樣的方式進行3個夜晚13次測試，煙氣運動情況基本相同，由于每次測試啟動的隧道風機都不同，所以排煙時間、排煙效果有較大的差別。

2.5 實驗風速結果分析

臨界風速是指采用縱向通風系統的隧道防止火災時煙氣回流的隧道斷面最小通風風速，在火災時能夠控制煙氣在著火點的一側，而不會向另一側逆流的最小風速，是火災防治和隧道排煙設計的重要參數。參照《北京市地下聯系隧道規劃設計導則》中臨界風速的計算，有

V″=0.4(0.2)-1/3(Q″)1/3forQ″≤0.2

V″=0.4 forQ″≥0.2

試驗采用的火源功率Q為0.7 MW，臨界風速計算值為0.98 m/s，經測試，隧道風機開啟后，隧道風速在大于1.13 m/s時未發生煙氣逆流現象；因測試條件有限，測試風速由預設風機產生，風量不 可 控 制，無 法 產生需要的最小風速，因此1.13 m/s的風速值尚不可確定為臨界風速，要取得臨界風速值，還有待進一步研究。

3 結論

1) 隧道風機啟/閉時間<30 s,能在災害事件中及時開啟風機，為火災救援提供必要的幫助，符合地鐵規范要求。區間隧道安裝的感溫探測電纜未能及時探測到火災，需要進行改善，確保在發生火災時，第一時間獲取火災信息。

表2 LHB-SNG區間隧道熱煙測試點位平均風速數值記錄

2) 在區間隧道內進行13次熱煙測試，按《地鐵設計規范》(2013)要求，區間隧道火災的排煙量，應按單洞區間隧道斷面的排煙流速不小于2 m/s且高于計算的臨界風速計算，但排煙流速不得大于11 m/s。只有試驗11的六送四排模式，并聯相鄰車站隧道風機輔助排煙，各測試點位風速均達到地鐵設計規范中區間隧道斷面的排煙流速不小于2 m/s的要求；其他試驗模式均存在個別測試點位平均風速達不到2m/s，不能滿足規范條文的要求；設計模式以及開啟隧道風機后未配合啟/閉相關風閥模式，在隧道聯絡線處風速，除個別測試點位有較小風速外，大部分測試點位風速為0；開啟隧道風機后配合啟/閉相關風閥模式，聯絡線隧道的聯絡線處風速大于2 m/s,滿足規范要求。現場觀測試驗1、6、9、10、11、12、13模式，能迅速將煙排出隧道，滿足排煙要求；排煙效果最快的模式依次為：試驗11、10、12、13、9；試驗1、6次之；試驗2、3、4、5排煙效果最差，現場觀測不能滿足排煙要求。

4) 火災初期，上、下游煙羽都能蓄積在隧道頂部，煙氣分層明顯，煙氣層能保持在距地面2.5 m以上位置6～12 min，煙氣9～15 min后沉降到隧道地面，所以當隧道發生火災時，開啟隧道風機排煙的時間應在著火后的6～12 min內，此時排煙效果最好；當隧道風機開啟后，煙氣層被破壞，煙羽沉降到地面。

5) 隧道風機未開啟時，在自然狀態下，煙羽水平流動速度在0.8～1.1 m/s。開啟隧道風機后，煙羽水平流動速度和風機風速成正相關，風速越大，煙羽水平流動速度越快； 隧道內風速越大，煙氣沉降速度越明顯，煙氣層冷卻越快。

6) 隧道風機開啟后，相鄰車站站臺端門開啟，端門處風速為2.1～7.41 m/s，符合人員安全疏散要求。

4 建議

1) 區間隧道只安裝感溫探測電纜，在進行熱煙測試時，感溫探測電纜沒有探測到火情，若發生火災則無法及時報警，會給應急救援帶來巨大的損失。建議區間隧道至少安裝兩種以上火災探測器，滿足自動探測報警要求，可選擇加裝火焰探測器，進行火災探測組合，并在隧道加裝CCTV(閉路電視系統)加以輔助。

2) 在復雜的正線隧道與聯絡線隧道交匯處以及馬蹄形隧道單洞雙線與馬蹄形隧道單洞單線交匯處，增加通風口、機械排煙設備，以滿足隧道風速>2 m/s的規范要求。規劃建設或者正在建設的地鐵線路，應充分考慮復雜聯絡線隧道交匯處，以及馬蹄形隧道單洞雙線與馬蹄形隧道單洞單線交匯處的通風排煙設計，可以通過增加通風口和風機或者調整風機安裝的位置來改善復雜交匯處的排煙通風能力。地鐵隧道通風系統在設計建設完成后，還需要組織人員進行實地熱煙排煙試驗，可采用相鄰車站風機并聯方案進行排煙，測試各種風機風閥組合下的排煙效果，以實證的數據結果，選擇區間隧道通風效果最好的通風模式，在EMCS(設備監控系統)中進行軟件編程設定為設計模式，當發生火災時，EMCS自動執行并聯排煙模式。在復雜聯絡線交匯處隧道安裝智能逃生標志加以輔助疏散逃生。

3) 隧道熱煙測試，煙氣層能保持在距地面2.5 m以上位置6～12 min左右，煙氣9～15 min后沉降到隧道地面。開啟隧道風機排煙效果最好的時間應在著火后的6～12 min內；隧道內每隔500 m設置聯絡通道，根據文獻資料，乘客在區間隧道疏散速度為0.66～0.75 m/s，在隧道內行走約39.6～45 m/min，當列車中部著火，以距聯絡通道最大距離500 m計算，乘客從列車到達聯絡通道的時間為11.11～12.62 min。綜上所述，當區間隧道發生火災時乘客的疏散方法是：當列車在區間隧道內運行，車尾、車頭發生火災時，隧道風機背著乘客疏散方向排煙，迎著乘客疏散方向送正壓風，使隧道區間形成推拉式的防排煙系統；若列車中部著火，可充分利用煙氣未沉降到地面的時間，將乘客從列車兩端進行疏散，在距離車站或聯絡通道最近的一端排煙，在距離車站或聯絡通道較遠的一端送風，乘客可沿隧道疏散至下一車站或經過聯絡通道疏散至相鄰隧道。

[1] GB 50157—2013 地鐵設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2013.

[3] 北京市規劃委員會.北京市地下聯系隧道規劃設計導則[S].北京,2010.

[10] 胡隆華.隧道火災煙氣蔓延的熱物理特性研究[D].合肥：中國科學技術大學，2006.

(編輯：王艷菊)

Experimental Study of Hot Smoke Test in a Subway Interval Tunnel

Hou Tuanzeng

(Shenzhen Qianhai ShenJi Fire Safety Technology Co., Ltd., Shenzhen 518052)

Full-size hot smoke test methods are adopted in interval tunnel from Lotus North Station to the Children′s Palace Station in Shenzhen for the mechanical exhaust test. The test location was at junctions between a main line and a contact line, and between a single-hole double horseshoe-shaped tunnel and a single horseshoe-shaped tunnel with a single hole. Front, rear fires and fires exhaust were simulated. The fans in adjacent station tunnel were used as auxiliary fires exhaust. Various fire exhaust modes were tested in order to observe the exhaust effect. I studied the tunnel smoke air movement, the spread and equipment conditions in complex line interchanges, and measured and recorded wind speed values. The test results can provide data support for the design of the tunnel smoke exhaust and fire control, and provide evacuation plan when the train catches fire and stops in the middle of the tunnel.

urban rail transit; interval tunnel; hot smoke test; complex lines; fans in parallel; interval evacuation

侯團增，男，工程總經理，從事軌道交通消防安全管理研究，houtuanzeng@126.com

U231.5

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