地下超長區間隧道取消中間風井的防排煙系統模式研究

魚晟睿

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安，710043)

近年來，隨著城市軌道交通的快速發展，地下超長區間隧道越來越多[1].地下超長區間隧道環境復雜、空間狹窄、人員疏散條件有限,一旦發生火災,極易造成群死群傷的嚴重后果[2].根據GB51298-2018《地鐵設計防火標準》的要求，對于地下區間內存在兩列或兩列以上的列車滯留時，應使非著火列車處于無煙區，保護大多數乘客的疏散安全[3].國內目前針對區間隧道的防排煙，主要采用縱向排煙的系統形式，當遇到超長區間時，在區間的1/3～2/3范圍內設置中間風井[4]，將著火列車和正常列車分隔在兩個獨立的通風、排煙區段，以保證正常列車乘客疏散不受到火災列車的煙氣影響，詳見圖1.

圖1 超長區間設置中間風井的縱向排煙及人員疏散原理圖Fig.1 Schematic diagram of longitudinal smoke exhaust and passenger evacuation with intermediate wind well in extra-long interval tunnel

在實際工程中，中間風井往往面臨室外條件、區域管控、城市景觀、工程投資等諸多受制因素，存在無法設置的情況，例如區間隧道穿越密集城區、機場管控區域、穿越山脈、下穿湖泊海洋等情況時，室外均已不具備設置風井條件，造成諸多工程難題.目前國內針對地下區間火災工況下防排煙研究，大多是基于傳統的縱向排煙系統形式[5-6]，而對其他防排煙系統形式的研究少之又少.針對超長區間的通風與排煙系統形式研究，均是默認設置中間風井的前提下開展研究[7-8]，未曾考慮以取消中間風井為前期進行研究，對系統形式進行創新.

本文通過理論分析、數值模擬，基于保障人員疏散安全這一基本理念，在取消設置中間風井的情況下，通過優化超長區間隧道的防排煙系統形式，給出了一種乘客疏散安全保障方案，供其他工程參考.

1 理論分析及概念提出

1.1 火災時乘客逃生區域分析

當地鐵列車在區間隧道內發生火災，或被著火車輛堵塞而停滯于區間內時，乘客從列車側門逃出至區間疏散平臺上，根據預定的火災疏散預案，乘客沿疏散平臺逃離至最近的地鐵車站，在此過程中，人員用于逃生的空間主要是疏散平臺上，詳見圖2.

圖2 區間隧道內疏散平臺實景及示意圖Fig.2 Scene and schematic diagram of evacuation platform in interval tunnel

地下超長區間隧道設置中間風井的根本目的，是保障非著火車輛的人員安全疏散.若能采取措施，使疏散平臺范圍內空氣清潔，隧道內煙氣無法侵入疏散平臺范圍內，結合隧道內既有的縱向排煙系統，即使無法設置中間風井，也能夠有效的保障非著火車輛的人員的疏散安全.

1.2 火災時乘客逃生路徑分析及疏散區段劃分

當地鐵列車在區間隧道內發生火災時，乘客疏散路徑并非一直在著火的隧道內.城市軌道交通載客運營的地下區間之間均設有聯絡通道，且相鄰兩條聯絡通道之間的水平距離不大于600 m[3].乘客在逃生過程中，在起火隧道中逃生至最近的聯絡通道，通過聯絡通道進入對側的安全區間，免受火災及煙氣的影響，在通過對側區間疏散至車站.

因此，可將超長區間隧道按照聯絡通道的設置情況，將疏散平臺劃分為多個疏散區段(≤600 m)，每個區段設置獨立的防排煙模式，詳見圖3.當列車起火停滯在區間內時，對應開啟列車所在區段的防排煙措施，保護乘客疏散至對側安全區間后，即視為抵達安全區域.

圖3 火災時乘客疏散路徑示意圖Fig.3 Schematic diagram of passenger evacuation route during fire

1.3 區間疏散平臺空氣潔凈及防煙保障措施分析

保障局部空間的空氣潔凈與防煙效果，采用正壓送風是最為有效的手段.對于地下超長的區間隧道，若能對疏散平臺進行正壓送風，在人員逃生區域內形成局部正壓，避免火災煙氣侵入，保障逃生區空氣潔凈，則無論是否設置中間風井，列車是否處在無煙區域，均可達到人員安全疏散的目的.

區間內疏散平臺設置加壓送風系統，在無法設置地面風井的前提條件下，最大的問題在于新風來源.擬結合每個聯絡通道設置加壓送風系統，從安全區間(對側隧道)內取風，加壓送至火災區間內疏散平臺范圍內，來保障疏散平臺局部的空氣清潔和防煙效果，其原理詳見圖4：

圖4 縱向排煙結合疏散平臺加壓送風系統原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of longitudinal smoke exhaust system combined with pressurized air supply system for evacuation platform

該方案的特點在于，原縱向排煙的系統形式不變，取消中間風井后，由超長區間兩端車站端頭的隧道風機進行縱向排煙.并根據信號系統給出的著火列車、堵塞列車的停車位置，對應開啟兩個疏散區段(≤600 m)的加壓送風系統，保證列車上乘客安全疏散至對側安全區間.聯絡通道處的加壓送風加壓送風機，通過風管連接兩個隧道的加壓風道及風口.加壓送風機選用可逆風機，根據著火列車位置，切換加壓送風方向，始終自安全區間取風，火災區間送風.

此外，針對安全區間內形成的負壓狀態，除通過車站出入口通道、風亭進行自然補風外，可結合區間實際情況，在每個車站端部設置補風機，對區間隧道進行補風，避免造成長時間空氣負壓狀態影響加壓送風效果.

1.4 疏散平臺加壓送風系統風量及風口設置

利用疏散平臺頂部空間，設置加壓送風道，風道底部距離疏散平臺保證2 m凈高[3]，疏散平臺的疏散寬度不小于684 mm[9]，以滿足人員安全疏散，詳見圖5.加壓送風口的尺寸及間隔，需滿足亞音速等溫自由射流關系式[10]，風口射流范圍覆蓋整個疏散平臺.經計算，加壓送風口的凈寬不小于180 mm，風口可間隔設置，當風口長度與兩風口間隔長度之比不小于1∶2時，且風口間隔距離不超過1.2 m時，即可滿足射流范圍覆蓋整個疏散平臺.因此，擬設置200 mm×500 mm單層百葉風口，沿隧道方向每隔1 m設置一處.

圖5 疏散平臺加壓送風風道、風口、擋煙垂壁設置剖面示意圖Fig.5 Section of pressurized air supply duct,vents and ceiling screen of evacuation platform

為避免加壓送風口射流擾動并卷吸軌行區的煙氣，對疏散平臺區域空氣潔凈造成影響，在加壓送風道邊緣設置擋煙垂壁，尺寸按照500 mm[3]考慮.加壓送風口的出口風速，參考地鐵車站樓扶梯口部的抑煙氣流速度，按照不小于1.5 m/s[3]取值.

綜上，以每兩個聯絡通道間的疏散區段(≤600 m)設置一個獨立的加壓送風系統計算，按照每隔1 m布置一處加壓送風口(200 mm×500 mm)，每個系統的加壓送風量約為60 m3/s.

2 三維數值模擬

2.1 三維模型的建立

為驗證取消中間風井后，上文提到的防排煙方案的效果，以典型的單洞單線隧道為例進行建模研究，模型詳見圖6.模型中隧道斷面按照暗挖馬蹄形設置，斷面面積為28 m2，在疏散平臺上側設置約3 m2的加壓送風道，風道上每隔1 m設置1處200 mm×500 mm風口，疏散平臺按照850 mm寬度建模.

圖6 地下區間隧道疏散平臺加壓送風模型(剖切面節選有車停靠段和無車停靠段)Fig.6 Pressurized air supply model of underground interval tunnel evacuation platform(parking section with train and parking section without train)

為更加貼近實際情況，建立了長區間且有列車停靠的模型.地鐵列車根據車體寬度及列車長度分為A、B、C、L四種類型，其中6節編組的B型車應用范圍最廣，數量最多.因此列車車體按照B型車尺寸，簡化為截面為11.2 m2的多邊形體進行建模；加壓送風道與軌道相鄰處，設置500 mm長的擋煙垂壁.

為了更好的描述火災工況下區間隧道氣流組織的流動狀態，需要選擇合理的湍流模型.目前國內針對地下區間隧道火災時的數值模擬，多采用瑞流粘性系數模型進行計算[7]，本文綜合考慮煙氣產生的浮升力影響，采用浮力可修正的K-ε模型，來計算地鐵火災情況下氣流組織流動特性.

2.2 邊界條件的設置

區間隧道兩端各設置兩臺隧道風機(TVF風機)，共4臺隧道風機，每臺風機風量按照60 m3/s，風機全壓按照1 000 Pa；區間隧道長度按照一個獨立疏散區段建模，即兩個聯絡通道間的最大距離600 m，詳見圖7；加壓送風系統設置在兩端聯絡通道處，各設置1臺加壓送風機，每臺風量按照30 m3/s，風機全壓按照500 Pa，模型尺寸及系統參數詳見表1.

表1 縱向通風及加壓送風系統參數情況Tab.1 Parameters of longitudinal ventilation and pressurized air supply system

圖7 數值模擬系統設置情況Fig.7 Setting situation of numerical simulation system

數值模擬共設置3種方案，第一種方案為正常開啟區間隧道縱向排煙，第二種方案為同時開啟加壓送風及縱向通風，第三種方案為僅開啟加壓送風.通過三種方案來對比不同防排煙方案的效果，具體邊界條件詳見表2.

表2 方案1、2、3邊界條件設置情況Tab.2 Boundary conditions of scheme 1,2,3

2.3 模擬結果分析

分別按照有車停靠區域和無車停靠區域進行數值模擬，對方案三僅設置加壓送風系統時，按照無車停靠的最不利工況進行數值模擬，模擬結果詳見圖8～圖14.

(1)方案一(僅隧道縱向排煙)

通過圖8、9可以看出，在僅開啟隧道縱向排煙的情況下，隧道內形成縱向氣流速度，無論是否有列車停靠，疏散平臺處均處于臨界負壓狀態，此種方案雖然能沿縱向有效控制煙氣方向，但不能防止煙氣進入疏散平臺，無法保障人員在疏散時不受煙氣影響.

圖8 方案一無車停靠下隧道橫斷面氣流速度、風壓云圖Fig.8 Air velocity and air pressure nephogram of tunnel cross section with no train parking in scheme 1

圖9 方案一有車停靠下隧道橫斷面氣流速度、風壓云圖Fig.9 Air velocity and air pressure nephogram of tunnel cross section with train parking in scheme 1

(2)方案二(隧道縱向排煙+加壓送風)

在開啟隧道縱向排煙及疏散平臺加壓送風的情況下，通過圖10可以看出，當隧道內沒有列車停靠的區域，在縱向排煙及加壓送風的共同作用，使疏散平臺形成了2～5 Pa的局部正壓的狀態，以及1.5～2 m/s的向下氣流，有效抑制煙氣進入疏散平臺[11]，形成一個相對清潔的逃生區域.

圖10 方案二無車停靠下隧道橫斷面氣流速度、風壓云圖Fig.10 Air velocity andair pressure nephogram of tunnel cross section with no train parking in scheme 2

如圖11所示，當隧道內有列車停靠時，由于列車車體存在，使隧道空氣流動截面急劇縮小，疏散平臺靠近列車一側受縱向氣流影響，局部正壓只有1～3 Pa，加壓送風出口氣流也因縱向氣流干擾，貼向隧道壁面一側，但仍比方案一防煙效果更優.

圖11 方案二有車停靠下隧道橫斷面氣流速度、風壓云圖Fig.11 Air velocity and air pressure nephogram of tunnel cross section with train parking in scheme 2

從圖12疏散平臺的縱剖面可以看出，在加壓風口作用下，在疏散平臺形成一個連續不斷的正壓區域，新風氣流自上而下，并向沿隧道整體排煙方向傾斜.

圖12 方案二疏散平臺縱斷面氣流速度云圖(節選)Fig.12 Air velocity nephogram of vertical section of evacuation platform(excerpt)in scheme 2

綜上，認為在開啟隧道縱向排煙及疏散平臺加壓送風的情況下，既能滿足隧道排煙要求，也能夠避免人員呼吸區受到煙氣侵擾，保障人員的疏散安全.

(3)方案三(僅疏散平臺開啟加壓送風)

方案三相比于方案二，在疏散平臺形成的正壓范圍更大且更穩定，可形成3～8 Pa的局部正壓，潔凈空氣從疏散平臺自內而外進行射流擴散，氣流速度超過1.5 m/s,可有效阻絕煙氣侵入[11]，詳見圖13.從疏散平臺縱剖面來看，由于不受縱向排煙氣流干擾，疏散平臺的加壓送風氣流組織也更加均勻，詳見圖14，理論上局部防煙效果強于方案一及方案二.但考慮到地鐵列車發生火災，火源強度大，煙氣擴散快，若僅采取防煙措施而不排除煙氣，煙氣在隧道內迅速聚集，亦不利于人員逃生，因此本方案不推薦.

圖13 方案三無車停靠下隧道斷面氣流速度、風壓云圖Fig.13 Air velocity and air pressure nephogram of tunnel cross section with no train parking in scheme 3

圖14 方案三疏散平臺縱斷面氣流速度云圖(節選)Fig.14 Air velocity nephogram of vertical section of evacuation platform (excerpt)in scheme 3

3 結論

本文通過理論分析，在地下超長區間隧道取消設置中間風井的情況下，給出了一種新型防排煙系統模式，并通過數值模擬驗證了其防排煙效果.結論如下：

(1)本文通過對地下區間火災時乘客逃生區域及路徑的分析研究，提出了在人員逃生的重點區域——疏散平臺采取防煙措施的理念，同時以不超過600 m間距的聯絡通道劃分超長區間隧道，形成多個獨立的防煙系統，根據列車停滯位置執行不同的防煙模式.利用疏散平臺防煙結合隧道縱向排煙的方案，在超長區間無法設置中間風井的情況下，給出了一種新的解決思路.

(2)本文提出的方案二，縱向排煙結合疏散平臺加壓送風的系統形式，在6B編組列車的隧道條件下，設置了系統風量為120 m3/s的縱向通風系統以及系統風量為60 m3/s的加壓送風系統.經數值模擬驗證，能夠在超長區間不設置中間風井的情況下，在疏散平臺形成2～5 Pa正壓的清潔逃生區域，以及1.5～2 m/s的向下氣流，滿足隧道內人員疏散和排煙需求，保障乘客安全.

(3)僅以人員逃生區的防煙效果來講，方案三僅開啟加壓送風系統的情況下，相比于方案一、二，人員逃生區的局部正壓效果最佳.但地鐵列車發生火災火源強度大，煙氣擴散迅速，不采取排煙措施不利于人員逃生，因此方案三不推薦.

(4)本文給出的防排煙系統方案，僅適用于常規地下暗挖隧道.當地下隧道施工工法變換，或根據行車需求設置單渡線、交叉渡線時，本文提出的解決方案存在一定的局限性，仍待進一步研究.