地铁大断面区间隧道排烟方式分析与探讨

黄泽茂

地铁大断面区间隧道排烟方式分析与探讨

黄泽茂

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

通过对目前地铁大断面区间隧道通常采用的纵向通风的防排烟方式进行分析,针对纵向通风存在的烟气过站、车中火灾时部分乘客在烟雾中疏散等问题,提出利用区间隧道顶部空间,设置排烟风道的半横向通风方式,并针对半横向通风方式存在的问题进行分析和提出相应解决方案,所得结论可为地铁工程中大断面区间隧道的防排烟设计提供参考。

地铁;大断面区间隧道;排烟;纵向通风;半横向式通风;排烟量

1 概述

地铁车站和区间是深埋于地下的构筑物,除通过出入口和风道与室外相通外,基本与大气隔绝,且由于地铁内人流密集、空间封闭、电气设备繁杂等,火灾危险性较大,且发生火灾时,人员疏散较为困难,特别是地下区间隧道,空间更为狭小,一旦发生火灾,大量高温烟气会迅速聚集,给人员疏散和灭火抢险带来困难,因此设置有效的机械防排烟系统是地铁工程通风系统设计的重中之重。

2 地铁区间隧道纵向通风方式分析

根据《地铁设计规范》中第19.1.36条“当区间隧道发生火灾时,应能背着乘客疏散方向排烟,迎着乘客疏散方向送新风。”[1]的规定,地铁区间隧道通常采用纵向通风的防排烟方式,根据列车着火部位进行防排烟气流组织及人员疏散。若是列车一端着火,则开启靠近着火部位一侧车站的隧道通风机进行排烟,同时开启远离着火部位一侧车站隧道通风机进行送风,乘客迎着新风撤离。如果列车中部着火,则利用距离着火列车较近车站的区间隧道通风机送风,距离着火列车较远车站的区间隧道通风机排烟,乘客向较近的车站疏散,此种情况下,有一部分乘客需要在烟气中行走至联络通道处,疏散到另外一条隧道,由于人在烟气中走行的距离有限,当停车地点距离联络通道较远时,将无法保证这部分乘客安全疏散。

同时《地铁设计规范》中第19.1.40条规定“区间隧道火灾的排烟量,按单洞区间隧道断面的排烟流速不小于2m/s计算,但排烟流速不得大于11m/s。”[1]地铁隧道通风机一般是根据这条规定,利用模拟程序(如SES、STESS等)计算得出的。

根据运营安全需要,一条地铁线路的某些车站往往会设置单渡线、存车线、交叉折返线等联络线,这就会出现在联络线处采用大断面隧道的情况,表1是一些典型隧道断面的面积以及按照《地铁设计规范》中最小的风速规定,对应的排烟风量。图1是某带存车折返线的区间隧道通风系统采用纵向通风时的原理。

表1 典型隧道断面排烟风量

图1 某带存车折返线的区间隧道纵向式通风原理

从表1中可以看出当出现大断面隧道时,所需的排烟风量非常大,通常是普通区间隧道断面2倍甚至更多,因此通常需要加大大断面区间两端的区间隧道风机,且需要同时开启着火区间两端车站的所有区间隧道风机,还需要在隧道内设置射流风机来辅助,才能满足断面风速不小于2m/s的要求。但此种通风方式会存在烟气会流经车站有效站台的情况,当有列车需要进站疏散乘客时,过站烟气会对疏散的乘客造成伤害,且存在乘客向区间风机房方向疏散的情况,区间风机房疏散条件较差。因此在带配线的大断面区间隧道处采用纵向通风的方式存在弊端。为了解决以上存在的问题,可以借鉴公路隧道采用半横向式通风的方式。

3 半横向式通风方式在大断面区间隧道的应用分析

根据国内地铁工程的相关经验,此类型的大断面区间隧道多采用暗挖法施工,由于暗挖隧道断面为马蹄形,在满足限界的情况下,隧道上方还有较大空间,因此可以利用此部分空间设置土建排烟风道及排烟风口,利用区间隧道风机兼做排烟风机,当列车在此区域范围内发生事故时,通过风阀的转换,直接从列车顶部排除烟气。图2是某带存车折返线的区间隧道通风系统采用半横向式通风方式时的原理。图3为设置轨顶排烟风道的隧道断面。

当设计的排烟量不小于火灾的产烟量时,便能够有效地把烟层控制在区间的上层区域,而下层则成为一个无烟的疏散区域,乘客始终是在无烟区域疏散,安全性高,同时排烟模式简单,可靠性也高,不会出现纵向通风时烟气过站的情况。同时由于采用横向式排烟方式,所需控制烟气的烟量会远远小于纵向通风时的烟量,大断面区间两端的隧道风机也不需要加大,区间隧道内也不需要设置射流风机,与纵向通风相比,土建及通风、配电设备等初投资方面均较少,同时也减少了运营维护的工作量。

图2 某带存车折返线的区间隧道半横向式通风原理

图3 轨顶排烟风道的隧道断面(单位:mm)

4 半横向式通风方式应用存在的问题及解决方案

由于半横向式通风方式与纵向通风相比有较多的优点,国内地铁工程中已在一部分地铁工程采用,在采用的工作中也存在以下问题需要解决。

4.1 排烟量的确定

目前地铁的相关设计规范中没有提到此种排烟方式,对于排烟量的计算也无明确规定。因此排烟量的确定是首先要解决的问题。

目前设计中排烟量的确定方法一般为2种。一种为采用现行相关规范中关于排烟量计算的规定,按防烟分区的面积计算;另一种是根据消防性能化的设计方法,通过相关的烟气羽流模型总结出来的公式进行计算。下面分别利用这2种方法来计算排烟量。

(1)按照面积计算排烟量

参考《地铁设计规范》第19.1.39条规定:“地下车站站台、站厅火灾时排烟量,应根据防烟分区的建筑面积按1m3/(m2·min)计算。”[1]该存车线区域每条隧道的长度为230 m,存车线区域的投影面积为2 371m2,因此排烟量为142 260m3/h,即39.52m3/s。

(2)按照烟气羽流模型计算排烟量

列车火灾的特点为当列车达到轰燃后,高温烟气通过列车两侧的车窗同时向隧道流出,通常可以将列车火灾烟气羽流看作是双侧线性羽流,因此可以利用线性羽流模型进行计算,采用以下公式计算[2-3]

式中 M——列车双侧烟羽流的质量产烟量,kg/s;

V——列车双侧烟羽流的体积产烟量,m3/s;

Q——火源热释放速率,取7 500 kW;

w——羽流宽度,取2.25m;

y——火源所在平面到烟气层高度,取2m;

h——列车开口等效高度,取0.9 m;

cp——烟气比热容,取1.001 kJ/(kg·K);

ρ0——环境空气密度,1.2 kg/m3;

T0——环境空气温度,取293.15 K。

通过计算可以得出,排烟量为31.56m3/s。

通过以上2种方法计算,可以看出2种方法计算的结果相差不大,根据规范计算出的排烟量较大,偏安全,因此可以参照规范采用防烟分区面积法计算排烟量。考虑到为了满足区间其他区段的排烟工况,一般单台区间隧道风机的风量为60m3/s,远远大于所需要的排烟量,因此建议大断面区间内的排烟量按照区间隧道风机的排烟量来选取。

4.2 排烟口的设置方式

由于排烟风道长度较长,参照现行的防火规范中相关要求,采用排烟口距离最不利点的距离不大于60m来设置排烟口,一般区段内需设置4组排烟口。为了保证各排烟风口的风量,需在每个风口设置调节装置,同时由于风口位于区间隧道上部,检修较为困难,且如果风口固定不牢固,在活塞风的长时间作用下,有可能会脱落,对列车的运营造成影响,因此风口及风道的设置方式是需要考虑的问题。

笔者认为可以参考车站内的轨顶排热风口的做法,不设置排烟风口,只在风道底板上开孔,在风道内部风孔上设置插板阀,风量初次调节平衡后,将插板阀牢固固定于风道底板上,可避免风口脱落对列车运营造成影响。同时,在设置排烟风道时,可合理地对排烟风道进行分隔,使得每条风道上的风口数量尽量少,分别接入到区间隧道风机房内时,在中板上设置电动多叶调节阀,调节各条风道的风量,使各风口风量平衡。

5 结语

半横向式通风的方式,利用暗挖隧道顶部的空间,在增加很少投资的情况下,设置轨顶排烟风道排除烟气,形成一个无烟的疏散区域,避免了由于区间隧道断面太大,需要满足纵向排烟临界风速的风量太大,而导致需开启车站所有的区间隧道排烟风机,从而引起烟气过站,威胁乘客安全疏散等一系列问题,还可避免加大隧道风机容量、设置射流风机等,降低土建及通风、配电设备初投资,减少运营维护工作;同时在车中发生火灾时,所有乘客都可以位于无烟区疏散,控制模式简单,安全可靠。综上所述,半横向式通风在大断面区间隧道排烟设计时,可以参照《地铁设计规范》中的规定,按大断面区域投影建筑面积1m3/(m2·min)计算排烟量,同时可以通过采用风道的合理分隔和风口设置调节插板阀等方法使各风口排烟量均匀,这就为地铁隧道通风提供了一种新的方式,在今后同类工程中值得借鉴和采用。

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Research on Smoke Exhaust Mode of Metro Tunnelw ith Large Cross-section

HUANG Ze-mao
(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.,Xi'an 710043,China)

The thesis analyzes the smoke exhaustmode in the form of longitudinal ventilation,which is frequently used in metro tunnels with large cross-sections.Then,focusing on those problems in longitudinal ventilation mode,such as smoke passing through the station and passengers escaping in the smoke when the train catches fire,the thesis puts forward a semi-transverse ventilation mode in which the smoke exhaust ducts should be installed at the top of themetro tunnel.Further,the thesismakes detailed research on the problems existed in this semi-transverse ventilationmode and provides themethods of how to solve them.The conclusion may serve as valuable reference for smoke exhaust system design ofmetro tunnel with large cross-section.

metro;metro tunnel with large cross-section;smoke exhaust;longitudinal ventilation; semi-transverse ventilation;smoke exhaust volume

U231+.5

A

1004-2954(2013)07-0091-03

2013-01-10

黄泽茂(1981—),男,工程师,2003年毕业于西南交通大学,工学学士。