某跨海地铁隧道通风系统模拟分析

2017-06-05 15:09:19孙勋考

中国设备工程 2017年10期

关键词：海沧跨海区间

孙勋考

(中铁第四勘察设计院集团有限公司城地院暖通所，湖北武汉 430000)

某跨海地铁隧道通风系统模拟分析

孙勋考

(中铁第四勘察设计院集团有限公司城地院暖通所，湖北武汉 430000)

地铁位于地下且相对封闭,特别是长大海底地铁隧道，地铁隧道通风与排烟显得尤为重要。结合某市正在建设的轨道交通跨海区间工程实例, 采用地铁环控计算软件SES对跨海段隧道通风正常运行、阻塞工况、火灾工况进行模拟分析。正常运行时，跨海区间人均新风量为240m3/h•人，区间换气次数为5.9次/h，跨海段隧道内温度、新风量、换气次数均满足标准要求。阻塞工况时，阻塞通风模式运行稳定后，两辆列车周围最高温度（空调冷凝器周围）分别控制在37.1℃、37.6℃，阻塞段通风风速为2.45m/s，满足设计标准要求。火灾工况时，通过在跨海区间设置中间风道，正确组织隧道风机、排热风机及相关风阀的动作模式，可以满足跨海段各种工况下的通风排烟要求。长大海底隧道工程中通风、排烟设计复杂且重要。

地铁；跨海隧道；火灾工况；SES；模拟

随着经济的快速发展，我国大城市轨道交通进入全新的快速发展时期。城市中地铁位于地下空间相对封闭，尤其是海底长达隧道。在国外，许多国家都曾发生过地铁隧道内的火灾、阻塞等紧急情况，对人身、财产造成损失。在遇到火灾、阻塞等特殊情况时，如何设计地铁通风系统以满足尽快安全疏散人群的要求，是一个需要研究的关键问题。本文依据厦门轨道交通2号线一期工程海沧大道站—东渡路站区间隧道下穿厦门西海域工程，分别对正常工况、阻塞工况、火灾工况进行模拟及分析研究。该工程是我国第一个穿越海底的地铁隧道，国内首次采用盾构法施工。跨海段线路东接邮轮母港，西接海沧CBD，中间穿越大兔屿岛，区间隧道全长约2.739km，其中海域段长约2.12km。

1 正常工况模拟与分析

跨海段区间隧道较长，结合隧道平纵断面、施工工法和地面条件，在区间中部设置中间风道，中间风道将跨海段划分为两个区段，分别约为1007.6m、1730.9m,根据行车专业牵引计算，每个区段只存在一辆列车运行。运营通风均采用活塞通风的方式，阻塞和火灾工况下通风采用纵向通风排烟。根据模拟计算，跨海段中间风道不设置活塞通风功能，区间内温度和新风量也可满足规范要求，因此中间风道只设机械通风功能。为了较准确掌握隧道通风系统的实际运行情况，本次设计采用SES（地铁环境模拟）软件对包括跨海段在内的芦坑站—湖滨中路站区间进行了模拟计算。

正常运行工况下远期隧道内温度分布见图1。

图1 正常运行工况下远期隧道内温度分布

远期在跨海段两端车站排热风机全开的情况下，跨海区间右线最高温度为37.6℃，出现在东渡路站；跨海区间左线最高温度为37.9℃，出现在海沧大道站。温度计算中隧道周边按土壤考虑，由于现阶段缺少海水流速、温度等资料，本次计算未考虑海水流动对换热的有利影响。经初步计算，跨海区间人均新风量为240m3/h·人，区间换气次数为5.9次/h，跨海段隧道内温度、新风量、换气次数均满足标准要求。

2 阻塞工况模拟与分析

为了保证阻塞时列车内乘客可以忍受的车内环境，隧道内必须通过机械通风降低列车周围的温度，控制列车区域平均温度在40℃以内，并保证最不利点（冷凝器周围）的环境温度不超过45℃。当阻塞列车停在区间时，列车附近的活塞风效应逐渐减弱，环境温度快速上升，在2～3分钟内将达到45℃，所以必须在2分钟内开启相应的隧道通风机，同时风量也应满足一定的要求方能保证列车空调器的正常工作。由于跨海段区间较长，考虑跨海段远期高峰时段可能同时存在2列车追踪运行（该工况为最不利情况），以2列车同时阻塞在跨海段左线隧道内为例，分析阻塞工况下隧道通风系统的动作模式。关闭东渡路站排热风机，开启东渡路站两端各1台隧道风机对事故隧道进行送风，维持海沧大道站排热风机运行，开启海沧大道站两端各1台隧道风机对事故隧道进行排风，同时关闭中间风道左线活塞风，模拟结果显示阻塞通风模式运行稳定后，2辆列车周围最高温度（空调冷凝器周围）分别控制在37.1℃、37.6℃，阻塞段通风风速为2.45m/s，满足设计标准（图2）。

图2 跨海段左线阻塞通风示意图

图3 临界风速下区间隧道火灾烟气流动云图

3 火灾工况模拟与分析

当区间发生火灾情况时，事故列车停靠在区间，此时的隧道通风运行方式应以乘客疏散模式为依据。火灾时开启靠疏散平台一侧的车门，乘客下到疏散平台面对气流方向纵向疏散，可以通过联络通道疏散到另外一条隧道中，到达车站逃生。控制火灾时的烟气流向的临界风速与线路的坡度、隧道截面几何尺寸、火灾发热量、火灾位置、烟气温度等有密切关系。采用纵向通风排烟时，通风风速应大于阻挡烟气回流的临界风速，并应大于等于2m/s，根据线路和隧道专业资料，断面积24.2m2，周长为18.1m，隧道净高4.8m，隧道最大坡度为28%；火灾规模：7.5MW，由临界风速计算公式可得，临界风速为2.05m/s。图3是隧道区间送风速度大于临界风速时的纵向排烟CFD模拟图，从图中可以看出，烟气在送风速度下倾斜，无回流现象产生，能够保证人员安全。

由于火灾可能发生在区间和列车上的任何位置，为满足防灾要求，运行模式相当繁多，同时为控制隧道通风系统规模和掌握火灾运行的气流组织规律，本次模拟计算以跨海段左线火灾为例，分析火灾工况下隧道通风系统的动作模式。以海沧大道站—东渡路站左线区间火灾工况为例。以海沧大道站—中间风道区间、中间风道—东渡路站两个区间内各有一列车为重点研究对象。

3.1 海沧大道站—东渡路站左线区间火灾（一）

一辆列车阻塞于中间风道与东渡路站之间，另一辆着火列车停在海沧大道站和中间风道之间。车头发生火灾时，列车后方联络通道可作为乘客的疏散或消防员进入通道。维持海沧大道站车站排热系统排风，开启海沧大道站大小里程各一台隧道风机对左线进行排风排烟，关闭中间风道左线活塞风，开启东渡路站小里程端两台隧道风机和东渡路站大里程端一台隧道风机对左线区间进行送风，该站车站排热系统关闭，如图4所示。模拟结果表明当通风系统达到稳定后，可以保证阻塞段达到2.75m/s的风速；火灾段达到2.75m/s的通风风速，大于阻挡烟气回流的临界风速2.05m/s，满足设计要求。

当车尾火灾时，列车前方联络通道可作为乘客的疏散或消防员进入通道。此时关闭东渡路站和海沧大道站排热系统，开启海沧大道站两端各一台隧道风机对左线进行送风，同时开启东渡路站小里程端一台隧道风机对左线进行送风，开启中间风道两台隧道风机对左线排烟，如图5所示。模拟结果表明当通风系统达到稳定后，可以保证火灾段达到2.69m/s的通风风速，大于阻挡烟气回流的临界风速2.05m/s，阻塞段达到2.52m/s的风速，满足设计要求。

3.2 海沧大道站～东渡路站区间左线火灾（二）

一辆列车阻塞于海沧大道站和中间风道之间，另一辆着火列车停在中间风道与东渡路站之间。车头发生火灾时，列车后方联络通道可作为乘客的疏散或消防员进入通道。此时关闭东渡路站和海沧大道站排热系统，开启东渡路站大、小里程端各一台隧道风机对左线区间送风，开启海沧大道站大里程端一台隧道风机对左线区间送风，开启中间风道两台隧道风机对左线排烟，如图6所示。模拟结果表明当通风系统达到稳定后，可以保证火灾段达到2.76m/s的通风风速，大于阻挡烟气回流的临界风速2.05m/s，阻塞段达到2.55m/s的风速，满足设计要求。

在最不利情况下，当车尾火灾时，列车前方联络通道可作为乘客的疏散或消防员进入通道。维持东渡路站排热系统运行，并开东渡路站大、小里程端各一台隧道风机对左线进行排烟排风，同时关闭中间风道左线活塞风，关闭海沧大道站排热风机，开启海沧大道站大里程端两台隧道风机和小里程端一台隧道风机对左线进行送风，如图7所示。模拟结果表明当通风系统达到稳定后，可以保证火灾段达到2.78m/s的通风风速，大于阻挡烟气回流的临界风速2.05m/s，阻塞段达到2.78m/s的风速，满足设计要求。