地下超长区间隧道取消中间风井的防排烟系统模式研究

鱼晟睿

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安，710043)

近年来，随着城市轨道交通的快速发展，地下超长区间隧道越来越多[1].地下超长区间隧道环境复杂、空间狭窄、人员疏散条件有限,一旦发生火灾,极易造成群死群伤的严重后果[2].根据GB51298-2018《地铁设计防火标准》的要求，对于地下区间内存在两列或两列以上的列车滞留时，应使非着火列车处于无烟区，保护大多数乘客的疏散安全[3].国内目前针对区间隧道的防排烟，主要采用纵向排烟的系统形式，当遇到超长区间时，在区间的1/3～2/3范围内设置中间风井[4]，将着火列车和正常列车分隔在两个独立的通风、排烟区段，以保证正常列车乘客疏散不受到火灾列车的烟气影响，详见图1.

图1 超长区间设置中间风井的纵向排烟及人员疏散原理图Fig.1 Schematic diagram of longitudinal smoke exhaust and passenger evacuation with intermediate wind well in extra-long interval tunnel

在实际工程中，中间风井往往面临室外条件、区域管控、城市景观、工程投资等诸多受制因素，存在无法设置的情况，例如区间隧道穿越密集城区、机场管控区域、穿越山脉、下穿湖泊海洋等情况时，室外均已不具备设置风井条件，造成诸多工程难题.目前国内针对地下区间火灾工况下防排烟研究，大多是基于传统的纵向排烟系统形式[5-6]，而对其他防排烟系统形式的研究少之又少.针对超长区间的通风与排烟系统形式研究，均是默认设置中间风井的前提下开展研究[7-8]，未曾考虑以取消中间风井为前期进行研究，对系统形式进行创新.

本文通过理论分析、数值模拟，基于保障人员疏散安全这一基本理念，在取消设置中间风井的情况下，通过优化超长区间隧道的防排烟系统形式，给出了一种乘客疏散安全保障方案，供其他工程参考.

1 理论分析及概念提出

1.1 火灾时乘客逃生区域分析

当地铁列车在区间隧道内发生火灾，或被着火车辆堵塞而停滞于区间内时，乘客从列车侧门逃出至区间疏散平台上，根据预定的火灾疏散预案，乘客沿疏散平台逃离至最近的地铁车站，在此过程中，人员用于逃生的空间主要是疏散平台上，详见图2.

图2 区间隧道内疏散平台实景及示意图Fig.2 Scene and schematic diagram of evacuation platform in interval tunnel

地下超长区间隧道设置中间风井的根本目的，是保障非着火车辆的人员安全疏散.若能采取措施，使疏散平台范围内空气清洁，隧道内烟气无法侵入疏散平台范围内，结合隧道内既有的纵向排烟系统，即使无法设置中间风井，也能够有效的保障非着火车辆的人员的疏散安全.

1.2 火灾时乘客逃生路径分析及疏散区段划分

当地铁列车在区间隧道内发生火灾时，乘客疏散路径并非一直在着火的隧道内.城市轨道交通载客运营的地下区间之间均设有联络通道，且相邻两条联络通道之间的水平距离不大于600 m[3].乘客在逃生过程中，在起火隧道中逃生至最近的联络通道，通过联络通道进入对侧的安全区间，免受火灾及烟气的影响，在通过对侧区间疏散至车站.

因此，可将超长区间隧道按照联络通道的设置情况，将疏散平台划分为多个疏散区段(≤600 m)，每个区段设置独立的防排烟模式，详见图3.当列车起火停滞在区间内时，对应开启列车所在区段的防排烟措施，保护乘客疏散至对侧安全区间后，即视为抵达安全区域.

图3 火灾时乘客疏散路径示意图Fig.3 Schematic diagram of passenger evacuation route during fire

1.3 区间疏散平台空气洁净及防烟保障措施分析

保障局部空间的空气洁净与防烟效果，采用正压送风是最为有效的手段.对于地下超长的区间隧道，若能对疏散平台进行正压送风，在人员逃生区域内形成局部正压，避免火灾烟气侵入，保障逃生区空气洁净，则无论是否设置中间风井，列车是否处在无烟区域，均可达到人员安全疏散的目的.

区间内疏散平台设置加压送风系统，在无法设置地面风井的前提条件下，最大的问题在于新风来源.拟结合每个联络通道设置加压送风系统，从安全区间(对侧隧道)内取风，加压送至火灾区间内疏散平台范围内，来保障疏散平台局部的空气清洁和防烟效果，其原理详见图4：

图4 纵向排烟结合疏散平台加压送风系统原理示意图Fig.4 Schematic diagram of longitudinal smoke exhaust system combined with pressurized air supply system for evacuation platform

该方案的特点在于，原纵向排烟的系统形式不变，取消中间风井后，由超长区间两端车站端头的隧道风机进行纵向排烟.并根据信号系统给出的着火列车、堵塞列车的停车位置，对应开启两个疏散区段(≤600 m)的加压送风系统，保证列车上乘客安全疏散至对侧安全区间.联络通道处的加压送风加压送风机，通过风管连接两个隧道的加压风道及风口.加压送风机选用可逆风机，根据着火列车位置，切换加压送风方向，始终自安全区间取风，火灾区间送风.

此外，针对安全区间内形成的负压状态，除通过车站出入口通道、风亭进行自然补风外，可结合区间实际情况，在每个车站端部设置补风机，对区间隧道进行补风，避免造成长时间空气负压状态影响加压送风效果.

1.4 疏散平台加压送风系统风量及风口设置

利用疏散平台顶部空间，设置加压送风道，风道底部距离疏散平台保证2 m净高[3]，疏散平台的疏散宽度不小于684 mm[9]，以满足人员安全疏散，详见图5.加压送风口的尺寸及间隔，需满足亚音速等温自由射流关系式[10]，风口射流范围覆盖整个疏散平台.经计算，加压送风口的净宽不小于180 mm，风口可间隔设置，当风口长度与两风口间隔长度之比不小于1∶2时，且风口间隔距离不超过1.2 m时，即可满足射流范围覆盖整个疏散平台.因此，拟设置200 mm×500 mm单层百叶风口，沿隧道方向每隔1 m设置一处.

图5 疏散平台加压送风风道、风口、挡烟垂壁设置剖面示意图Fig.5 Section of pressurized air supply duct,vents and ceiling screen of evacuation platform

为避免加压送风口射流扰动并卷吸轨行区的烟气，对疏散平台区域空气洁净造成影响，在加压送风道边缘设置挡烟垂壁，尺寸按照500 mm[3]考虑.加压送风口的出口风速，参考地铁车站楼扶梯口部的抑烟气流速度，按照不小于1.5 m/s[3]取值.

综上，以每两个联络通道间的疏散区段(≤600 m)设置一个独立的加压送风系统计算，按照每隔1 m布置一处加压送风口(200 mm×500 mm)，每个系统的加压送风量约为60 m3/s.

2 三维数值模拟

2.1 三维模型的建立

为验证取消中间风井后，上文提到的防排烟方案的效果，以典型的单洞单线隧道为例进行建模研究，模型详见图6.模型中隧道断面按照暗挖马蹄形设置，断面面积为28 m2，在疏散平台上侧设置约3 m2的加压送风道，风道上每隔1 m设置1处200 mm×500 mm风口，疏散平台按照850 mm宽度建模.

图6 地下区间隧道疏散平台加压送风模型(剖切面节选有车停靠段和无车停靠段)Fig.6 Pressurized air supply model of underground interval tunnel evacuation platform(parking section with train and parking section without train)

为更加贴近实际情况，建立了长区间且有列车停靠的模型.地铁列车根据车体宽度及列车长度分为A、B、C、L四种类型，其中6节编组的B型车应用范围最广，数量最多.因此列车车体按照B型车尺寸，简化为截面为11.2 m2的多边形体进行建模；加压送风道与轨道相邻处，设置500 mm长的挡烟垂壁.

为了更好的描述火灾工况下区间隧道气流组织的流动状态，需要选择合理的湍流模型.目前国内针对地下区间隧道火灾时的数值模拟，多采用瑞流粘性系数模型进行计算[7]，本文综合考虑烟气产生的浮升力影响，采用浮力可修正的K-ε模型，来计算地铁火灾情况下气流组织流动特性.

2.2 边界条件的设置

区间隧道两端各设置两台隧道风机(TVF风机)，共4台隧道风机，每台风机风量按照60 m3/s，风机全压按照1 000 Pa；区间隧道长度按照一个独立疏散区段建模，即两个联络通道间的最大距离600 m，详见图7；加压送风系统设置在两端联络通道处，各设置1台加压送风机，每台风量按照30 m3/s，风机全压按照500 Pa，模型尺寸及系统参数详见表1.

表1 纵向通风及加压送风系统参数情况Tab.1 Parameters of longitudinal ventilation and pressurized air supply system

图7 数值模拟系统设置情况Fig.7 Setting situation of numerical simulation system

数值模拟共设置3种方案，第一种方案为正常开启区间隧道纵向排烟，第二种方案为同时开启加压送风及纵向通风，第三种方案为仅开启加压送风.通过三种方案来对比不同防排烟方案的效果，具体边界条件详见表2.

表2 方案1、2、3边界条件设置情况Tab.2 Boundary conditions of scheme 1,2,3

2.3 模拟结果分析

分别按照有车停靠区域和无车停靠区域进行数值模拟，对方案三仅设置加压送风系统时，按照无车停靠的最不利工况进行数值模拟，模拟结果详见图8～图14.

(1)方案一(仅隧道纵向排烟)

通过图8、9可以看出，在仅开启隧道纵向排烟的情况下，隧道内形成纵向气流速度，无论是否有列车停靠，疏散平台处均处于临界负压状态，此种方案虽然能沿纵向有效控制烟气方向，但不能防止烟气进入疏散平台，无法保障人员在疏散时不受烟气影响.

图8 方案一无车停靠下隧道横断面气流速度、风压云图Fig.8 Air velocity and air pressure nephogram of tunnel cross section with no train parking in scheme 1

图9 方案一有车停靠下隧道横断面气流速度、风压云图Fig.9 Air velocity and air pressure nephogram of tunnel cross section with train parking in scheme 1

(2)方案二(隧道纵向排烟+加压送风)

在开启隧道纵向排烟及疏散平台加压送风的情况下，通过图10可以看出，当隧道内没有列车停靠的区域，在纵向排烟及加压送风的共同作用，使疏散平台形成了2～5 Pa的局部正压的状态，以及1.5～2 m/s的向下气流，有效抑制烟气进入疏散平台[11]，形成一个相对清洁的逃生区域.

图10 方案二无车停靠下隧道横断面气流速度、风压云图Fig.10 Air velocity andair pressure nephogram of tunnel cross section with no train parking in scheme 2

如图11所示，当隧道内有列车停靠时，由于列车车体存在，使隧道空气流动截面急剧缩小，疏散平台靠近列车一侧受纵向气流影响，局部正压只有1～3 Pa，加压送风出口气流也因纵向气流干扰，贴向隧道壁面一侧，但仍比方案一防烟效果更优.

图11 方案二有车停靠下隧道横断面气流速度、风压云图Fig.11 Air velocity and air pressure nephogram of tunnel cross section with train parking in scheme 2

从图12疏散平台的纵剖面可以看出，在加压风口作用下，在疏散平台形成一个连续不断的正压区域，新风气流自上而下，并向沿隧道整体排烟方向倾斜.

图12 方案二疏散平台纵断面气流速度云图(节选)Fig.12 Air velocity nephogram of vertical section of evacuation platform(excerpt)in scheme 2

综上，认为在开启隧道纵向排烟及疏散平台加压送风的情况下，既能满足隧道排烟要求，也能够避免人员呼吸区受到烟气侵扰，保障人员的疏散安全.

(3)方案三(仅疏散平台开启加压送风)

方案三相比于方案二，在疏散平台形成的正压范围更大且更稳定，可形成3～8 Pa的局部正压，洁净空气从疏散平台自内而外进行射流扩散，气流速度超过1.5 m/s,可有效阻绝烟气侵入[11]，详见图13.从疏散平台纵剖面来看，由于不受纵向排烟气流干扰，疏散平台的加压送风气流组织也更加均匀，详见图14，理论上局部防烟效果强于方案一及方案二.但考虑到地铁列车发生火灾，火源强度大，烟气扩散快，若仅采取防烟措施而不排除烟气，烟气在隧道内迅速聚集，亦不利于人员逃生，因此本方案不推荐.

图13 方案三无车停靠下隧道断面气流速度、风压云图Fig.13 Air velocity and air pressure nephogram of tunnel cross section with no train parking in scheme 3

图14 方案三疏散平台纵断面气流速度云图(节选)Fig.14 Air velocity nephogram of vertical section of evacuation platform (excerpt)in scheme 3

3 结论

本文通过理论分析，在地下超长区间隧道取消设置中间风井的情况下，给出了一种新型防排烟系统模式，并通过数值模拟验证了其防排烟效果.结论如下：

(1)本文通过对地下区间火灾时乘客逃生区域及路径的分析研究，提出了在人员逃生的重点区域——疏散平台采取防烟措施的理念，同时以不超过600 m间距的联络通道划分超长区间隧道，形成多个独立的防烟系统，根据列车停滞位置执行不同的防烟模式.利用疏散平台防烟结合隧道纵向排烟的方案，在超长区间无法设置中间风井的情况下，给出了一种新的解决思路.

(2)本文提出的方案二，纵向排烟结合疏散平台加压送风的系统形式，在6B编组列车的隧道条件下，设置了系统风量为120 m3/s的纵向通风系统以及系统风量为60 m3/s的加压送风系统.经数值模拟验证，能够在超长区间不设置中间风井的情况下，在疏散平台形成2～5 Pa正压的清洁逃生区域，以及1.5～2 m/s的向下气流，满足隧道内人员疏散和排烟需求，保障乘客安全.

(3)仅以人员逃生区的防烟效果来讲，方案三仅开启加压送风系统的情况下，相比于方案一、二，人员逃生区的局部正压效果最佳.但地铁列车发生火灾火源强度大，烟气扩散迅速，不采取排烟措施不利于人员逃生，因此方案三不推荐.

(4)本文给出的防排烟系统方案，仅适用于常规地下暗挖隧道.当地下隧道施工工法变换，或根据行车需求设置单渡线、交叉渡线时，本文提出的解决方案存在一定的局限性，仍待进一步研究.