地鐵長區(qū)間中間風(fēng)井設(shè)置探討

胡自林，蘇蒙

(廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510260)

地鐵以其快捷、準時和舒適的特點，贏得了廣大民眾的青睞，成為出行的首選。自 1863年倫敦地鐵建成通車以來，地鐵的發(fā)展已經(jīng)歷了150年，地鐵建設(shè)的相關(guān)科學(xué)、技術(shù)也取得了日新月異的進步，如地鐵通風(fēng)技術(shù)。現(xiàn)代地鐵的運行速度快、密度大以及客流量的爆炸性增長等都使得對地鐵的通風(fēng)要求越來越高，因此，安全、經(jīng)濟、適用的通風(fēng)系統(tǒng)是設(shè)計的首要任務(wù)。當(dāng)前，廣大技術(shù)人員對于地鐵設(shè)置中間風(fēng)井一直存在爭議和質(zhì)疑，中間風(fēng)井關(guān)系到地鐵工程的安全、功能、且造價高，且國內(nèi)沒有明確的規(guī)范，通常都是根據(jù)行車間隔、牽引速度，計算出車站長區(qū)間來判斷是否存在2列車追蹤，如有列車追蹤，則設(shè)置中間風(fēng)井將煙氣及時排除，以免影響另外一列車的安全。圖1為中間風(fēng)井典型總平面圖；圖2為中間風(fēng)井負一層典型建筑平面圖。

圖1 中間風(fēng)井典型總平面圖Fig. 1 Middle shaft general layout

圖2 中間風(fēng)井負1層典型建筑平面圖Fig. 2 Typical floor plan of middle shaft negative layer

1 隧道火災(zāi)排煙設(shè)置的規(guī)范依據(jù)

1.1 《地鐵設(shè)計規(guī)范》相關(guān)條文

對區(qū)間隧道火災(zāi)排煙相關(guān)條文如下[1]：區(qū)間隧道火災(zāi)排煙量，應(yīng)按單洞區(qū)間隧道斷面的排煙流速不小于2 m/s且高于計算的臨界風(fēng)速計算，但排煙流速不得大于11 m/s。即火災(zāi)時，按照人員疏散方向反向送風(fēng)，并保證不小于 2 m/s。對于中間風(fēng)井無相關(guān)規(guī)范。

條文解釋：參考美國《有軌交通系統(tǒng)標準》(NFPA 130，Standard for Fixed Guideway Transit andPassenger Rail Systems)[2]制定，基于2方面考慮，其一是發(fā)生火災(zāi)時，煙氣水平方向流動的速度為0.3～0.8 m/s，因此送排風(fēng)的速度必須大于0.8 m/s，才能使煙氣流按規(guī)定的方向流動；其二是地鐵發(fā)生火災(zāi)時，規(guī)定了乘客迎著新鮮空氣流入的方向迅速撤離，因此必須造成一種氣流使乘客感受到有新鮮空氣流動，指示其撤離的方向，詳見 GB50157—2013有關(guān)條文解釋。

1.2 《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細則》相關(guān)條文

在《細則》[3]10.2.6章節(jié)中，火災(zāi)排煙設(shè)計應(yīng)遵循以下原則：

1) 隧道內(nèi)排煙方向和排煙風(fēng)速應(yīng)根據(jù)洞內(nèi)火災(zāi)位置、交通情況、自然排煙條件、通風(fēng)井設(shè)置情況等因素確定，應(yīng)縮短煙霧在隧道內(nèi)的行程。

2) 安全疏散階段，縱向排煙風(fēng)速不應(yīng)大于0.5 m/s。

3) 滅火救援階段，縱向排煙風(fēng)速不得小于火災(zāi)臨界風(fēng)速(≥2 m/s)。

對應(yīng)2)和3)的條文解釋分別如下：

1) 根據(jù)隧道火災(zāi)實驗結(jié)論，火災(zāi)發(fā)生后的8～10 min以內(nèi)，火場縱向氣流上、下風(fēng)方向700 m范圍內(nèi)形成明顯的煙氣—空氣分層結(jié)構(gòu)，高溫?zé)煔鈱蛹性诠绊?。為保證安全疏散階段內(nèi)不破壞煙氣—空氣分層結(jié)構(gòu)，起火點附近的氣流流動速度不宜過大。因此，安全疏散階段，縱向排煙風(fēng)速不應(yīng)大于0.5 m/s。

2) 當(dāng)隧道內(nèi)風(fēng)速大于火災(zāi)臨界風(fēng)速時，煙氣沿隧道縱向呈單向流動，煙氣流向下風(fēng)方向的溫度遠高于上風(fēng)方向的溫度。因此，在滅火救援階段，為使消防員能安全地從隧道煙氣流向的上風(fēng)方向一側(cè)抵達火場進行滅火救援，縱向排煙風(fēng)速不得小于火災(zāi)臨界風(fēng)速。

發(fā)生火災(zāi)時，需通過開啟風(fēng)機控制煙氣流向，加大通風(fēng)量在一定程度上可能助燃，實際考慮前后2個不同階段，先疏散人們至安全區(qū)域，再組織專業(yè)滅火。

1.3 鐵路隧道安全(UIC)相關(guān)條文

我國鐵路部分規(guī)范是參考美國鐵路安全標準《關(guān)于安全措施的建議》(UIC)[4]，而最初，我國的地鐵規(guī)范相關(guān)標準也是參考國內(nèi)外的鐵路和地鐵標準來編寫的，因此有必要了解源頭的相關(guān)規(guī)定。

1.3.1 排煙系統(tǒng)/通風(fēng)系統(tǒng)

1) 主隧道：以排除煙霧，或者形成預(yù)設(shè)的氣流以便獲得一側(cè)可供救援的無煙區(qū)域。

2) 安全地點：保持緊急出口、橫通道(聯(lián)絡(luò)通道)或平行安全隧道無煙(產(chǎn)生過壓)的通風(fēng)系統(tǒng)。

1.3.2 緊急通風(fēng)系統(tǒng)

應(yīng)該協(xié)調(diào)信號系統(tǒng)、牽引電力路軌和通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計和運行，從而與緊急事件發(fā)生時可能在通風(fēng)井之間的列車總數(shù)量相配。

條文解釋：對乘客的最好保護是在通風(fēng)區(qū)中只有一個列車。如果不能做到這一點，則應(yīng)該有可行的辦法將非事故列車拖離。

1.3.3 安全影響

1) 主隧道的縱向氣流：如果氣流足夠強大，則可保證一側(cè)無煙，以使人們獲得安全并使救援行動得以展開(送風(fēng)排煙有利，是安全措施)。

2) 作出最佳的氣流/方向的決定是困難的，總有人走向錯誤的方向，如果決定是錯誤的，例如，缺乏合適的信息，則情形甚至?xí)兊酶?排煙不利，不是安全措施)。

3) 啟動和加速氣流耗費時間，更甚的是，如果需要改變現(xiàn)有方向(與行車方向相反)。

4) 經(jīng)加強的氣流混合了空氣和其他氣體，降低了清晰/明顯煙霧層的存在。

5) 值得注意的是，針對鐵路的實際應(yīng)用，縱向通風(fēng)的積極作用仍是一項具有爭議的內(nèi)容，它不可與路面隧道進行比較，因其具有不同的通風(fēng)系統(tǒng)，例如可容易地安裝橫向的通風(fēng)系統(tǒng)。

某個地點發(fā)生火災(zāi)時，實際情況是非常復(fù)雜的，設(shè)置中間風(fēng)井使工況變得相對簡單，降低事故風(fēng)險。

1.4 《固定式導(dǎo)軌傳輸和乘客鐵路系統(tǒng)標準》相關(guān)條文

在7.1.2.2章節(jié)中[2]，應(yīng)該在下列地點設(shè)置機械緊急通風(fēng)系統(tǒng)：

1) 封閉的系統(tǒng)車站中；

2) 長度大于 300 m(984英尺)的地下或封閉區(qū)間。

在7.1.4章節(jié)中，根據(jù)7.1.2的要求，機械緊急通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)該配備一些設(shè)施，以在火災(zāi)緊急事件中保護乘客、工作人員和緊急響應(yīng)人員不會受到火和煙的危害。

在 7.2.1章節(jié)中，緊急通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)該符合下列各項：

1) 火災(zāi)事故發(fā)生時，在封閉車站和封閉鐵路中沿著疏散通道創(chuàng)造一個耐受環(huán)境；

2) 在封閉鐵路中產(chǎn)生能夠防止在疏散通道中出現(xiàn)煙氣回流的速率；

3) 能夠在180 s內(nèi)達到完全運行模式；

4) 緊急事件發(fā)生時，能夠為通風(fēng)井之間的最大列車數(shù)量提供通風(fēng)；

5) 維持排煙所需的通風(fēng)時間不應(yīng)小于1 h，且不應(yīng)小于預(yù)計的撤離時間。

在 7.2.5*章節(jié)中，應(yīng)該協(xié)調(diào)信號系統(tǒng)、牽引電力路軌和通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計和運行，從而與緊急事件發(fā)生時可能在通風(fēng)井之間的列車總數(shù)量相配。

在A7.2.5章節(jié)中，很多公司都致力于從固定閉塞信號向移動閉塞信號轉(zhuǎn)變(根據(jù)列車或根據(jù)通信)，從而增加高峰時間的列車運能。通風(fēng)分區(qū)是固定要素，影響著將非事故列車從事故通風(fēng)區(qū)牽引出來的能力。信號系統(tǒng)反轉(zhuǎn)能力以及緊急事件發(fā)生時執(zhí)行反轉(zhuǎn)的速度是將非事故列車牽引出來的關(guān)鍵。對于乘客最好的保護就是在一個通風(fēng)區(qū)中只有一列車。如果不能做到這一點，則應(yīng)該有可行的辦法在相同的時限內(nèi)將非事故列車脫離。這需要3個系統(tǒng)要素之間的協(xié)調(diào)。

在 7.3.5章節(jié)中，僅用于調(diào)節(jié)乘客或工作人員舒適度以及不用做緊急通風(fēng)系統(tǒng)功能的風(fēng)機應(yīng)該在識別到和啟動消防緊急通風(fēng)計劃后自動關(guān)閉，以免對緊急通風(fēng)氣流造成不利影響或與之沖突。

綜上分析，火災(zāi)時，將車開到前方車站，對人員疏散和救災(zāi)是最有利的；當(dāng)列車失去動力或人為判斷導(dǎo)致火災(zāi)列車?？吭趨^(qū)間時，進行機械通風(fēng)(排煙)輔助人員安全疏散是必要的；長大區(qū)間(區(qū)間內(nèi)有列車追蹤)隧道應(yīng)設(shè)置中間風(fēng)井。

2 中間風(fēng)井設(shè)置的技術(shù)分析

2.1 判斷條件分析

一般而言，站間是否存在列車追蹤的判斷主要取決于列車運行時間與行車間隔的對比，即當(dāng)運行時間>行車間隔時，存在列車追蹤；當(dāng)運行時間<行車間隔時，不存在列車追蹤。

但對于隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計而言，排煙區(qū)段內(nèi)是否存在2列車，需在上述基礎(chǔ)上，考慮以下不同點：

1) 區(qū)段的起終點為活塞風(fēng)井。

2) 在事故模式中，列車處于停止狀態(tài)。

因此，排煙區(qū)段的劃分較一般的列車追蹤更為復(fù)雜。

2.2 排煙區(qū)段的判斷

假設(shè)：區(qū)間長度為2 220 m，高峰時，最小行車間隔為2 min，列車計算牽引速度為75 km/h(最高速度為80 km/h)。

2.2.1 信號系統(tǒng)設(shè)計

在城市軌道交通系統(tǒng)中，信號系統(tǒng)是保障運輸安全與提高運營效率的重要設(shè)備。信號系統(tǒng)的選型直接關(guān)系到地鐵通過能力、輸送乘客的能力。當(dāng)發(fā)生故障(含阻塞或火災(zāi))導(dǎo)致前方列車停車時，有一種可能的情況是，后方列車已經(jīng)從車站發(fā)車；根據(jù)移動閉塞保護(ATP)，后方列車會繼續(xù)往前開至保證2列車最小安全間距(約100 m)，即一般區(qū)間（非長大區(qū)間）有2個列車或多個車暫時?？?。

圖3 正常運行牽引計算圖Fig. 3 Normal operation calculation chart

2.2.2 列車追蹤判斷

根據(jù)區(qū)間條件，經(jīng)行車牽引計算后，右線列車運行時間為2′11″(如圖3所示)，左線列車運行時間為2′10″，均大于最小行車間隔2 min。因此，在正常運行的高峰期，2站間存在 2列車同向追蹤的情況。

在這種情況下，一般會設(shè)置中間風(fēng)井；當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，根據(jù)延時判斷，區(qū)間不止一列車，甚至有多個車。實際運行時，可通過 OCC的信號系統(tǒng)控制列車的運行(后退出此事故區(qū)間)；同時有需要時開啟中間風(fēng)井排煙(需對工作人員進行各專業(yè)培訓(xùn))[5?8]。

2.2.3 區(qū)段劃分判斷

1) 結(jié)合區(qū)間活塞風(fēng)井判斷

根據(jù)列車正常運行的牽引計算結(jié)果，右線列車在活塞風(fēng)井之間的列車運行時間為1′40″，左線列車在活塞風(fēng)井之間運行1′40″，均小于最小行車間隔2 min。因此，高峰期2活塞風(fēng)井之間不存在2列車通向追蹤的情況。但在本判斷中，列車仍屬于正常的行使狀態(tài)，未考慮列車的事故狀態(tài)中的停車時間，以此作為中間風(fēng)井設(shè)置條件仍存在一定的風(fēng)險[9?11]。正常行駛時，車站區(qū)間與列車相對關(guān)系如圖4所示。

2) 滯后影響

當(dāng)區(qū)間行車時間小于 2 min，由于列車已經(jīng)啟動，即使得到停車指令，立即剎車，也會導(dǎo)致列車已經(jīng)進入?yún)^(qū)間，系統(tǒng)屬于正常的運行狀態(tài)。實際運營中，會存在一些不確定因素，包括前方列車晚點，或者信號系統(tǒng)對后方列車的扣車、制動等環(huán)節(jié)中存在人為干預(yù)的時間，都會對判斷結(jié)果產(chǎn)生一系列的影響。

圖4 車站區(qū)間列車相對示意圖Fig. 4 Station interval train relative indication chart

因此，為簡化火災(zāi)模式，明確職責(zé)分工，當(dāng) 2站之間運行時間超過2 min，即設(shè)置中間風(fēng)井，將火災(zāi)列車與后方列車通過中間風(fēng)井隔斷，火災(zāi)列車前后風(fēng)井組成防排煙單元。

2.3 火災(zāi)時救災(zāi)探討

列車火災(zāi)時，應(yīng)控制煙氣蔓延，同時避免助燃，建議參考公路隧道的救災(zāi)原則，假定列車在右線區(qū)間發(fā)生火災(zāi)，第1階段考慮乘客疏散，待人員疏散完畢，再進入第2階段：滅火救災(zāi)。具體建議如下：

開啟前方車站左右線2臺U/O風(fēng)機進行排風(fēng)，后方車站的U/O風(fēng)機及所有的TVF風(fēng)機不開啟，維持列車車頭前方隧道空間相對負壓，維持車后方疏散的隧道空間相對的正壓，人員沿著隧道疏散平臺往后方車站疏散。經(jīng)SES軟件模擬計算，結(jié)果如圖5所示。

圖5 第1階段各隧道區(qū)段風(fēng)速節(jié)點圖Fig. 5 First phase of each tunnel section wind speed node graph

按1列A型車(6節(jié)編組)滿員1 608人計算，區(qū)間隧道風(fēng)速為 0.49 m/s，計算，疏散時間共計 30 min，滿足《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細則》規(guī)范要求。在乘客疏散后，可進行通風(fēng)排煙，消防人員進入滅火。

防災(zāi)的第2階段，進入滅火救援階段，縱向排煙風(fēng)速不得小于火災(zāi)臨界風(fēng)速(≥2 m/s)，如圖6所示。通過開啟前方車站右線的2臺TVF和1臺U/O風(fēng)機排風(fēng)，通過開啟后方車站2臺TVF風(fēng)機送風(fēng)，U/O風(fēng)機關(guān)閉；同時，開啟前方左線的1臺U/O風(fēng)機排風(fēng)，其余風(fēng)機均關(guān)閉。此時隧道內(nèi)形成V=2.27 m/s的風(fēng)速，可完全控制煙氣，進行排煙。

圖6 第2階段各隧道區(qū)段風(fēng)速節(jié)點圖Fig. 6 Second phase of each tunnel section wind speed node

2.4 增加中間風(fēng)井對隧道長區(qū)間的作用

設(shè)置中間風(fēng)井，正常時可增加隧道內(nèi)通風(fēng)換氣次數(shù)，降低隧道內(nèi)溫度，同時也可利用活塞風(fēng)井泄壓，減少活塞風(fēng)壓力對前方車站造成的不舒適性影響?；馂?zāi)時，通過設(shè)置中間風(fēng)井，將煙氣快速排出至地面，減少次生災(zāi)害的發(fā)生，從設(shè)計源頭上簡化通風(fēng)救災(zāi)工況，對乘客盡可能多一份安全保護。

2.5 國內(nèi)部分軌道交通已設(shè)置中間風(fēng)井實例調(diào)研

通過對國內(nèi)部分已知地鐵調(diào)查統(tǒng)計，深圳、廣州、福州、蘇州等城市已開通運行的地鐵中，超過2.0 km的區(qū)間基本上都設(shè)置了中間風(fēng)井(見表1)，說明行業(yè)內(nèi)已經(jīng)形成了一種共識。

表1 部分國內(nèi)地鐵設(shè)置中間風(fēng)井統(tǒng)計Table 1 Part of the domestic subway set airshaft statistics

注：深圳11號線寶安至前海灣站區(qū)間2 800 m，沒有設(shè)置中間風(fēng)井

3 結(jié)論

1) 火災(zāi)時，控制煙氣往人員疏散的通道蔓延；同時，當(dāng)同一區(qū)間存在 2列(以上)的地鐵列車追蹤時，設(shè)置中間風(fēng)井，將火災(zāi)實際情況變得相對簡單，對乘客最好的保護就是在一個通風(fēng)區(qū)段中只有一列車。

2) 火災(zāi)過程建議分人員安全疏散和現(xiàn)場滅火救災(zāi)2個階段，在乘客疏散后，消防人員進入滅火，并將煙氣排除。

3) 設(shè)置中間風(fēng)井，可有效控制2列列車處于中間風(fēng)井的兩側(cè)，可避免煙氣串至另一列非事故列車而引發(fā)更大的人身傷害事故。

目前，對于地鐵隧道區(qū)間列車存在2列列車追蹤是有爭議的，比如運行時間計算(是從車站中心里程計算還是從活塞風(fēng)井之間的距離計算運行時間是否超過一個行車間隔)，區(qū)間隧道風(fēng)井(非中間風(fēng)井)設(shè)置的位置，火災(zāi)確認過程需要時間，信號反饋時間，人為的判定水平等，需要多專業(yè)系統(tǒng)性的研究才能制定科學(xué)的防災(zāi)救災(zāi)方法，需要同行的群策群力，集體的智慧，建議同行設(shè)計開展系統(tǒng)性的專題研究等工作，共同推進行業(yè)的進步。

[1] GB 50157—2013, 地鐵設(shè)計規(guī)范[S].GB 50157—2013, Code for design of metro[S].

[2] NFPA 130, Standard for fixed guideway transit and passenger rail systems[S].

[3] JTGT D702?02—2014, 公路隧道通風(fēng)設(shè)計細則[S].JTGT D702?02—2014, Highway tunnel ventilation design rules[S].

[4] 鐵路隧道安全.“關(guān)于安全措施的建議”[Z]. 國際鐵路聯(lián)盟(UIC), 2007.Railway tunnel safety. “Suggestions on safety measures”[Z]. International Railway Union, 2007.

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