青岛地铁8号线跨海区间通风排烟方案研究

中国铁路设计集团有限公司 刘 树

0 引言

随着各地城市轨道交通的发展，地铁项目建设快速推进，安全日益成为建设单位、设计单位首要考虑的问题。国内部分工程中出现了特长隧道区间，分别采用了不同的救援疏散措施及通风方案，以保证事故工况下人员的安全疏散[1]。根据事件性质，城市轨道交通发生的重大运营事故及灾害主要可分为列车事故、火灾事故、恐怖袭击、自然灾害、系统水灾五大类，其中火灾事故是对城市轨道交通造成影响最严重、危害最大的一类事故[2]。因此对于长大区间尤其是长大跨海(江)区间，其通风排烟模式显得尤为重要。本文结合目前国内地铁已建成的最长的跨海隧道区间——青岛地铁8号线大洋站至青岛北站区间，重点研究海域中部无法设置区间风井的隧道通风排烟方案，其研究结果可为地铁超长跨海(江)区间的通风排烟设计提供依据和参考。

1 工程概况

青岛地铁8号线跨海区间为大洋站至青岛北站区间，长度约8.68 km，此段线路中部下穿胶州湾海域，海域段长度约5.40 km，为目前国内最长地铁跨海隧道。大洋站至青岛北站区间隧道断面呈V字形状，跨海区间隧道纵断面示意图见图1，最大坡度为28‰，最小坡度为5‰，大洋站至海域中部隧道施工工法为矿山法，海域中部至青岛北站隧道施工工法为盾构法。

图1 跨海区间隧道纵断面示意图

该工程地铁车辆为B型车，6节编组。根据行车专业计算结果，大洋站至青岛北站区间可能同时存在3辆列车同时运行，即大洋站侧的陆域段存在1辆列车、海域段存在2辆列车或大洋站侧的陆域段存在1辆列车、海域段存在1辆列车、青岛北站侧陆域段存在1辆列车。为保证“区间隧道火灾时，区间隧道通风排烟系统的排烟模式满足单线区间隧道内正常运行时两区间风井间只有一辆列车的要求”[3]，整个跨海区间需在海域段两侧岸边处设置2座区间风井，分别为1号区间风井(风井中心里程K40+271.514，即40 271.514 m)和2号区间风井(风井中心里程K45+671.507，即45 671.507 m)；同时在1号区间风井至海域中部的隧道顶部设置土建风道，该轨顶风道与1号区间风井处的事故风井相连，土建风道端部设置组合风阀，将海域段分为2个通风区段。由于单侧轨顶风道面积有限，因此在海域中部附近将左右线的轨顶风道设置连通道，事故工况时，气流通过连通道经左右线的轨顶风道共同组织通风排烟。具体通风区段划分如图2所示。

图2 跨海区间通风区段划分示意图

其中，陆域段Ⅰ区间断面面积为25.3 m2，海域段Ⅰ区间断面面积为27.3 m2，其轨顶风道面积为9.4 m2，海域段Ⅱ和陆域段Ⅱ的区间断面面积均为25.7 m2。

2 通风系统形式及配置

青岛地铁8号线区间隧道采用双活塞通风系统。大洋站车站两端分别设置2座活塞风井(兼事故风井)；1号区间风井设置2座活塞风井(兼事故风井)，同时设置1座事故风井，通过与轨顶土建风道相接服务海域中部；2号区间风井设置2座活塞风井(兼事故风井)；青岛北站小里程端的2座活塞风井(兼事故风井)设置于3号风井处，大里程端因条件受限，采用单活塞通风系统。跨海区间通风系统设备配置见表1，相应的隧道通风原理如图3所示。

表1 跨海区间通风系统设备配置

图3 跨海区间隧道通风原理简图

大洋站大里程侧设置站内停车线，其站后区间内左右线各设置1组射流风机(每组2台并联，单台风机风量16 m3/s，出口风速40.4 m/s，推力737 N)，以进行辅助通风排烟。因1号区间风井至海域中部的轨顶风道长约2.5 km，其阻力约为1 750 Pa，受土建条件制约，如采用大型离心风机或对旋风机，对土建改动较大。因此采用隧道风机串联模式以增大其风压，结合长风道进行布置，充分利用既有土建条件。1号风井内的事故风井设置2组隧道风机，每组隧道风机采用2台进行串联运行，经现场多次风速测试及各类验收，串联风机运行良好。活塞通风系统与机械通风系统在组合风阀的切换下实现功能上的互补及列车在正常、阻塞、火灾工况下的各种控制要求[4]。

3 通风排烟模式分析

3.1 方案分析

目前对国内外特长区间隧道通风采取的方案主要有全纵向射流诱导式通风方案、分段纵向通风方案和半横向通风方案3种[1，5]。因该区间海域段长5.40 km，存在2辆列车同时追踪，采用全纵向射流诱导通风不利于人员安全疏散，且系统控制复杂。采用半横向通风方案，在排烟风道上每隔60 m设一处电动排烟阀，导致其控制风阀点位多。同时海域中部至青岛北站施工工法为盾构，隧道顶部设置轨顶排烟风道的空间有限。因此结合土建条件及国内外工程实例，该跨海区间采用分段纵向通风方案。

本文利用SES地铁环境模拟计算软件对跨海区间不同的通风排烟方案分别进行模拟计算，并比较分析，从而选择最合理、最经济的通风排烟方案，大大节省投资。本文均以行车右线为例进行模拟分析。

3.2 阻塞工况

当列车因故障停在区间隧道时，应能对阻塞区间进行有效通风，保证空调列车车载冷凝器的运行及车内乘客新风量的要求。

对于该特长跨海区间隧道，区间存在1辆列车阻塞、2辆列车同时阻塞、3辆列车同时阻塞的多种阻塞工况。经过多种工况模拟分析，此区间多种列车阻塞模式可简化为一种通风工况，即1号风井活塞风道内的2台隧道风机进行送风、2号区间风井活塞风道内的2台隧道风机进行排风、陆域段Ⅰ的射流风机正转，按最不利工况考虑，陆域段Ⅰ存在1辆列车，海域段存在2辆列车，此时陆域段Ⅰ通风量为55.9 m3/s，海域段通风量为69.3 m3/s，阻塞列车最不利周围平均温度可维持在35.5 ℃，能满足空调器正常运行要求。阻塞工况气流组织如图4所示。经现场风速测试，阻塞工况下实测风速约为2.1～2.4 m/s，满足规范和设计要求。简化模式有助于降低综合监控系统模式控制难度，同时提高现场调试效率。

图4 跨海区间隧道阻塞工况气流组织示意图

3.3 火灾工况

列车在区间隧道发生火灾时，应尽力将列车驶达前方最近的车站，使人员从车站疏散。若火灾列车停在区间隧道内，通过控制中心确认火灾列车在区间隧道内的位置、确定人员疏散方向，决定通风气流方向，气流方向与火灾区段隧道乘客疏散方向相逆，使疏散区处于新风段，空气流速根据火灾规模、区间横断面尺寸和纵向坡度等确定。本工程列车火灾规模按发热量5 MW计算，安全系数取1.5。由临界风速计算公式[6-7]可知，陆域段隧道坡度最大为28‰，临界风速约为1.86 m/s；海域段Ⅰ隧道坡度最大为28‰时，临界风速约为1.71 m/s；海域段Ⅱ隧道坡度最大为27‰时，临界风速约为1.85 m/s；结合规范“区间隧道火灾的排烟量，应按单洞区间隧道断面的排烟流速不小于2 m/s”的要求，因此纵向通风排烟风速应不小于2 m/s。

陆域段分为大洋站至1号区间风井及2号风井至青岛北站3号风井。因该通风区段内火灾排烟模式较为简单，仅为通风区段两侧的隧道风机开启进行纵向通风排烟即可满足区间火灾风速要求。本文重点分析海域段火灾工况气流组织模式。当列车在海域段发生火灾时，根据火灾所处的区段，通过区间风井，相邻车站隧道风机及纵向通风土建风道，在火灾区段实现分段纵向推拉式通风排烟模式。

1) 海域段Ⅰ内列车车头发生火灾时，此时陆域段Ⅰ及海域段Ⅱ内各有1辆列车。其模式为1号区间风井活塞风道内的2台隧道风机进行送风、事故风道的4台隧道风机进行排风，同时2号区间风井活塞风道内的2台隧道风机进行排风，此时区间排烟量为88.3 m3/s，模拟区间风速为3.12 m/s，满足规范及临界风速要求。气流组织示意图见图5。

图5 海域段Ⅰ车头火灾工况气流组织示意图

2) 海域段Ⅰ内列车车尾发生火灾时，1号区间风井活塞风道的2台隧道风机进行排风、事故风道的4台隧道风机进行送风，同时2号区间风井活塞风道2台隧道风机进行送风，此时区间排烟量为85.7 m3/s，模拟区间风速为3.03 m/s，满足规范及临界风速要求。气流组织示意图见图6。

图6 海域段Ⅰ车尾火灾工况气流组织示意图

3) 海域段Ⅱ内列车车头发生火灾时，此时陆域段Ⅰ及陆域段Ⅱ内各有1辆列车。其模式为1号区间风井事故风道的4台隧道风机进行送风，2号区间风井及青岛北站3号区间风井的各2台隧道风机均进行排风，此时区间排烟量为105.8 m3/s，模拟区间风速为3.74 m/s，满足规范及临界风速要求。气流组织示意图见图7。

图7 海域段Ⅱ车头火灾工况气流组织示意图

4) 海域段Ⅱ内列车车尾发生火灾时，1号区间风井事故风道的4台隧道风机进行排风，2号及3号区间风井各2台隧道风机均进行送风，此时区间排烟量为82.9 m3/s，模拟区间风速为2.93 m/s，满足规范及临界风速要求。气流组织示意图见图8。

图8 海域段Ⅱ车头火灾工况气流组织示意图

经过现场多次风速测试，各通风区段火灾工况下区间排烟风速均在2.3 m/s以上，满足规范和设计要求。

4 结论

1) 青岛地铁8号线跨海区间通过设置区间风井及海域段局部轨顶土建风道，将跨海隧道分成4个纵向通风区段，保证正常运行时1个通风区段内只有1辆列车运行的要求，事故工况时排烟方向与人员疏散方向相反，为救援疏散提供了条件。

2) 通过模拟分析，简化了区间阻塞模式，采用一种阻塞模式满足1辆列车阻塞、2辆列车同时阻塞、3辆列车同时阻塞的多种阻塞工况，降低综合监控系统模式控制难度的同时，提高现场调试的效率。因此建议在满足规范要求的前提下，尽量减少区间模式联动设备的数量，以及简化通风系统联动模式。

3) 结合土建条件及实际情况，在海域中部设置轨顶风口，通过轨顶风道连接至陆域段1号区间风井的事故风井处，有效解决海域中部无法设置区间风井的难题。

4) 因该工程服务的轨顶风道长约2.5 km，隧道风机风压较大，因而采用隧道风机串联的方式，以满足其风压要求，为超长跨海(江)区间的设计提供思路和参考。