某跨海地鐵隧道通風(fēng)系統(tǒng)模擬分析

孫勛考

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司城地院暖通所，湖北 武漢 430000)

某跨海地鐵隧道通風(fēng)系統(tǒng)模擬分析

孫勛考

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司城地院暖通所，湖北 武漢 430000)

地鐵位于地下且相對(duì)封閉,特別是長(zhǎng)大海底地鐵隧道，地鐵隧道通風(fēng)與排煙顯得尤為重要。結(jié)合某市正在建設(shè)的軌道交通跨海區(qū)間工程實(shí)例, 采用地鐵環(huán)控計(jì)算軟件SES對(duì)跨海段隧道通風(fēng)正常運(yùn)行、阻塞工況、火災(zāi)工況進(jìn)行模擬分析。正常運(yùn)行時(shí)，跨海區(qū)間人均新風(fēng)量為240m3/h?人，區(qū)間換氣次數(shù)為5.9次/h，跨海段隧道內(nèi)溫度、新風(fēng)量、換氣次數(shù)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。阻塞工況時(shí)，阻塞通風(fēng)模式運(yùn)行穩(wěn)定后，兩輛列車周圍最高溫度（空調(diào)冷凝器周圍）分別控制在37.1℃、37.6℃，阻塞段通風(fēng)風(fēng)速為2.45m/s，滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求?；馂?zāi)工況時(shí)，通過(guò)在跨海區(qū)間設(shè)置中間風(fēng)道，正確組織隧道風(fēng)機(jī)、排熱風(fēng)機(jī)及相關(guān)風(fēng)閥的動(dòng)作模式，可以滿足跨海段各種工況下的通風(fēng)排煙要求。長(zhǎng)大海底隧道工程中通風(fēng)、排煙設(shè)計(jì)復(fù)雜且重要。

地鐵；跨海隧道；火災(zāi)工況；SES；模擬

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)大城市軌道交通進(jìn)入全新的快速發(fā)展時(shí)期。城市中地鐵位于地下空間相對(duì)封閉，尤其是海底長(zhǎng)達(dá)隧道。在國(guó)外，許多國(guó)家都曾發(fā)生過(guò)地鐵隧道內(nèi)的火災(zāi)、阻塞等緊急情況，對(duì)人身、財(cái)產(chǎn)造成損失。在遇到火災(zāi)、阻塞等特殊情況時(shí)，如何設(shè)計(jì)地鐵通風(fēng)系統(tǒng)以滿足盡快安全疏散人群的要求，是一個(gè)需要研究的關(guān)鍵問(wèn)題。本文依據(jù)廈門軌道交通2號(hào)線一期工程海滄大道站—東渡路站區(qū)間隧道下穿廈門西海域工程，分別對(duì)正常工況、阻塞工況、火災(zāi)工況進(jìn)行模擬及分析研究。該工程是我國(guó)第一個(gè)穿越海底的地鐵隧道，國(guó)內(nèi)首次采用盾構(gòu)法施工?？绾６尉€路東接郵輪母港，西接海滄CBD，中間穿越大兔嶼島，區(qū)間隧道全長(zhǎng)約2.739km，其中海域段長(zhǎng)約2.12km。

1 正常工況模擬與分析

跨海段區(qū)間隧道較長(zhǎng)，結(jié)合隧道平縱斷面、施工工法和地面條件，在區(qū)間中部設(shè)置中間風(fēng)道，中間風(fēng)道將跨海段劃分為兩個(gè)區(qū)段，分別約為1007.6m、1730.9m,根據(jù)行車專業(yè)牽引計(jì)算，每個(gè)區(qū)段只存在一輛列車運(yùn)行。運(yùn)營(yíng)通風(fēng)均采用活塞通風(fēng)的方式，阻塞和火災(zāi)工況下通風(fēng)采用縱向通風(fēng)排煙。根據(jù)模擬計(jì)算，跨海段中間風(fēng)道不設(shè)置活塞通風(fēng)功能，區(qū)間內(nèi)溫度和新風(fēng)量也可滿足規(guī)范要求，因此中間風(fēng)道只設(shè)機(jī)械通風(fēng)功能。為了較準(zhǔn)確掌握隧道通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，本次設(shè)計(jì)采用SES（地鐵環(huán)境模擬）軟件對(duì)包括跨海段在內(nèi)的蘆坑站—湖濱中路站區(qū)間進(jìn)行了模擬計(jì)算。

正常運(yùn)行工況下遠(yuǎn)期隧道內(nèi)溫度分布見(jiàn)圖1。

圖1 正常運(yùn)行工況下遠(yuǎn)期隧道內(nèi)溫度分布

遠(yuǎn)期在跨海段兩端車站排熱風(fēng)機(jī)全開(kāi)的情況下，跨海區(qū)間右線最高溫度為37.6℃，出現(xiàn)在東渡路站；跨海區(qū)間左線最高溫度為37.9℃，出現(xiàn)在海滄大道站。溫度計(jì)算中隧道周邊按土壤考慮，由于現(xiàn)階段缺少海水流速、溫度等資料，本次計(jì)算未考慮海水流動(dòng)對(duì)換熱的有利影響。經(jīng)初步計(jì)算，跨海區(qū)間人均新風(fēng)量為240m3/h·人，區(qū)間換氣次數(shù)為5.9次/h，跨海段隧道內(nèi)溫度、新風(fēng)量、換氣次數(shù)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 阻塞工況模擬與分析

為了保證阻塞時(shí)列車內(nèi)乘客可以忍受的車內(nèi)環(huán)境，隧道內(nèi)必須通過(guò)機(jī)械通風(fēng)降低列車周圍的溫度，控制列車區(qū)域平均溫度在40℃以內(nèi)，并保證最不利點(diǎn)（冷凝器周圍）的環(huán)境溫度不超過(guò)45℃。當(dāng)阻塞列車停在區(qū)間時(shí)，列車附近的活塞風(fēng)效應(yīng)逐漸減弱，環(huán)境溫度快速上升，在2～3分鐘內(nèi)將達(dá)到45℃，所以必須在2分鐘內(nèi)開(kāi)啟相應(yīng)的隧道通風(fēng)機(jī)，同時(shí)風(fēng)量也應(yīng)滿足一定的要求方能保證列車空調(diào)器的正常工作。由于跨海段區(qū)間較長(zhǎng)，考慮跨海段遠(yuǎn)期高峰時(shí)段可能同時(shí)存在2列車追蹤運(yùn)行（該工況為最不利情況），以2列車同時(shí)阻塞在跨海段左線隧道內(nèi)為例，分析阻塞工況下隧道通風(fēng)系統(tǒng)的動(dòng)作模式。關(guān)閉東渡路站排熱風(fēng)機(jī)，開(kāi)啟東渡路站兩端各1臺(tái)隧道風(fēng)機(jī)對(duì)事故隧道進(jìn)行送風(fēng)，維持海滄大道站排熱風(fēng)機(jī)運(yùn)行，開(kāi)啟海滄大道站兩端各1臺(tái)隧道風(fēng)機(jī)對(duì)事故隧道進(jìn)行排風(fēng)，同時(shí)關(guān)閉中間風(fēng)道左線活塞風(fēng)，模擬結(jié)果顯示阻塞通風(fēng)模式運(yùn)行穩(wěn)定后，2輛列車周圍最高溫度（空調(diào)冷凝器周圍）分別控制在37.1℃、37.6℃，阻塞段通風(fēng)風(fēng)速為2.45m/s，滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（圖2）。

圖2 跨海段左線阻塞通風(fēng)示意圖

圖3 臨界風(fēng)速下區(qū)間隧道火災(zāi)煙氣流動(dòng)云圖

3 火災(zāi)工況模擬與分析

當(dāng)區(qū)間發(fā)生火災(zāi)情況時(shí)，事故列車?？吭趨^(qū)間，此時(shí)的隧道通風(fēng)運(yùn)行方式應(yīng)以乘客疏散模式為依據(jù)?；馂?zāi)時(shí)開(kāi)啟靠疏散平臺(tái)一側(cè)的車門，乘客下到疏散平臺(tái)面對(duì)氣流方向縱向疏散，可以通過(guò)聯(lián)絡(luò)通道疏散到另外一條隧道中，到達(dá)車站逃生?？刂苹馂?zāi)時(shí)的煙氣流向的臨界風(fēng)速與線路的坡度、隧道截面幾何尺寸、火災(zāi)發(fā)熱量、火災(zāi)位置、煙氣溫度等有密切關(guān)系。采用縱向通風(fēng)排煙時(shí)，通風(fēng)風(fēng)速應(yīng)大于阻擋煙氣回流的臨界風(fēng)速，并應(yīng)大于等于2m/s，根據(jù)線路和隧道專業(yè)資料，斷面積24.2m2，周長(zhǎng)為18.1m，隧道凈高4.8m，隧道最大坡度為28%；火災(zāi)規(guī)模：7.5MW，由臨界風(fēng)速計(jì)算公式可得，臨界風(fēng)速為2.05m/s。圖3是隧道區(qū)間送風(fēng)速度大于臨界風(fēng)速時(shí)的縱向排煙CFD模擬圖，從圖中可以看出，煙氣在送風(fēng)速度下傾斜，無(wú)回流現(xiàn)象產(chǎn)生，能夠保證人員安全。

由于火災(zāi)可能發(fā)生在區(qū)間和列車上的任何位置，為滿足防災(zāi)要求，運(yùn)行模式相當(dāng)繁多，同時(shí)為控制隧道通風(fēng)系統(tǒng)規(guī)模和掌握火災(zāi)運(yùn)行的氣流組織規(guī)律，本次模擬計(jì)算以跨海段左線火災(zāi)為例，分析火災(zāi)工況下隧道通風(fēng)系統(tǒng)的動(dòng)作模式。以海滄大道站—東渡路站左線區(qū)間火災(zāi)工況為例。以海滄大道站—中間風(fēng)道區(qū)間、中間風(fēng)道—東渡路站兩個(gè)區(qū)間內(nèi)各有一列車為重點(diǎn)研究對(duì)象。

3.1 海滄大道站—東渡路站左線區(qū)間火災(zāi)（一）

一輛列車阻塞于中間風(fēng)道與東渡路站之間，另一輛著火列車停在海滄大道站和中間風(fēng)道之間。車頭發(fā)生火災(zāi)時(shí)，列車后方聯(lián)絡(luò)通道可作為乘客的疏散或消防員進(jìn)入通道。維持海滄大道站車站排熱系統(tǒng)排風(fēng)，開(kāi)啟海滄大道站大小里程各一臺(tái)隧道風(fēng)機(jī)對(duì)左線進(jìn)行排風(fēng)排煙，關(guān)閉中間風(fēng)道左線活塞風(fēng)，開(kāi)啟東渡路站小里程端兩臺(tái)隧道風(fēng)機(jī)和東渡路站大里程端一臺(tái)隧道風(fēng)機(jī)對(duì)左線區(qū)間進(jìn)行送風(fēng)，該站車站排熱系統(tǒng)關(guān)閉，如圖4所示。模擬結(jié)果表明當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后，可以保證阻塞段達(dá)到2.75m/s的風(fēng)速；火災(zāi)段達(dá)到2.75m/s的通風(fēng)風(fēng)速，大于阻擋煙氣回流的臨界風(fēng)速2.05m/s，滿足設(shè)計(jì)要求。

當(dāng)車尾火災(zāi)時(shí)，列車前方聯(lián)絡(luò)通道可作為乘客的疏散或消防員進(jìn)入通道。此時(shí)關(guān)閉東渡路站和海滄大道站排熱系統(tǒng)，開(kāi)啟海滄大道站兩端各一臺(tái)隧道風(fēng)機(jī)對(duì)左線進(jìn)行送風(fēng)，同時(shí)開(kāi)啟東渡路站小里程端一臺(tái)隧道風(fēng)機(jī)對(duì)左線進(jìn)行送風(fēng)，開(kāi)啟中間風(fēng)道兩臺(tái)隧道風(fēng)機(jī)對(duì)左線排煙，如圖5所示。模擬結(jié)果表明當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后，可以保證火災(zāi)段達(dá)到2.69m/s的通風(fēng)風(fēng)速，大于阻擋煙氣回流的臨界風(fēng)速2.05m/s，阻塞段達(dá)到2.52m/s的風(fēng)速，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 海滄大道站～東渡路站區(qū)間左線火災(zāi)（二）

一輛列車阻塞于海滄大道站和中間風(fēng)道之間，另一輛著火列車停在中間風(fēng)道與東渡路站之間。車頭發(fā)生火災(zāi)時(shí)，列車后方聯(lián)絡(luò)通道可作為乘客的疏散或消防員進(jìn)入通道。此時(shí)關(guān)閉東渡路站和海滄大道站排熱系統(tǒng)，開(kāi)啟東渡路站大、小里程端各一臺(tái)隧道風(fēng)機(jī)對(duì)左線區(qū)間送風(fēng)，開(kāi)啟海滄大道站大里程端一臺(tái)隧道風(fēng)機(jī)對(duì)左線區(qū)間送風(fēng)，開(kāi)啟中間風(fēng)道兩臺(tái)隧道風(fēng)機(jī)對(duì)左線排煙，如圖6所示。模擬結(jié)果表明當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后，可以保證火災(zāi)段達(dá)到2.76m/s的通風(fēng)風(fēng)速，大于阻擋煙氣回流的臨界風(fēng)速2.05m/s，阻塞段達(dá)到2.55m/s的風(fēng)速，滿足設(shè)計(jì)要求。

在最不利情況下，當(dāng)車尾火災(zāi)時(shí)，列車前方聯(lián)絡(luò)通道可作為乘客的疏散或消防員進(jìn)入通道。維持東渡路站排熱系統(tǒng)運(yùn)行，并開(kāi)東渡路站大、小里程端各一臺(tái)隧道風(fēng)機(jī)對(duì)左線進(jìn)行排煙排風(fēng)，同時(shí)關(guān)閉中間風(fēng)道左線活塞風(fēng)，關(guān)閉海滄大道站排熱風(fēng)機(jī)，開(kāi)啟海滄大道站大里程端兩臺(tái)隧道風(fēng)機(jī)和小里程端一臺(tái)隧道風(fēng)機(jī)對(duì)左線進(jìn)行送風(fēng)，如圖7所示。模擬結(jié)果表明當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后，可以保證火災(zāi)段達(dá)到2.78m/s的通風(fēng)風(fēng)速，大于阻擋煙氣回流的臨界風(fēng)速2.05m/s，阻塞段達(dá)到2.78m/s的風(fēng)速，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 跨海段左線列車火災(zāi)通風(fēng)示意圖（一）

圖5 跨海段左線列車火災(zāi)通風(fēng)示意圖（二）

4 結(jié)語(yǔ)

本文所述案例中，模擬分析了正常工況、阻塞工況下的通風(fēng)情況，和火災(zāi)工況最不利情況下的通風(fēng)和排煙情況。經(jīng)本文中研究可知，正確組織隧道風(fēng)機(jī)、排熱風(fēng)機(jī)及相關(guān)風(fēng)閥的動(dòng)作模式，可以滿足跨海段各種工況下的通風(fēng)排煙要求。

圖6 跨海段左線列車火災(zāi)通風(fēng)示意圖（三）

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圖7 跨海段左線列車火災(zāi)通風(fēng)示意圖（三）

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