城市軌道交通長大區(qū)間應(yīng)急通風(fēng)運行模式研究

史柯峰 劉 垚 李曉鋒

(1.中交鐵道設(shè)計研究總院有限公司，100088，北京；2.清華大學(xué)建筑學(xué)院，100084，北京//第一作者，高級工程師)

在城市軌道交通較長的地下區(qū)間，會出現(xiàn)兩座車站間同側(cè)同向隧道內(nèi)在同一時刻有2列或2列以上列車追蹤行駛的可能性。當(dāng)長大區(qū)間內(nèi)發(fā)生事故時，如何綜合考慮各種可能出現(xiàn)的工況，在滿足防災(zāi)疏散、通風(fēng)排煙的前提下，實現(xiàn)應(yīng)急通風(fēng)運行模式的合理設(shè)計與有效優(yōu)化，是城市軌道交通重點研究的問題之一。本文以某城市軌道交通工程閉式通風(fēng)系統(tǒng)長大區(qū)間為例，針對各種不同工況的特點，制定了多種應(yīng)急通風(fēng)運行模式的設(shè)計方案。

1 長大區(qū)間定義

城市軌道交通工程中長度處于1.5 km以上的地下隧道可看作是長大區(qū)間。本文選擇某典型長大區(qū)間(長度約1.81 km)為研究對象。根據(jù)該區(qū)間行車專業(yè)資料，正常運營時，存在2列列車追蹤行駛的情況。該區(qū)間為圓形盾構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)單洞，有效過風(fēng)斷面面積約為20 m2，如圖1所示。

單位：mm

2 長大區(qū)間通風(fēng)系統(tǒng)

2.1 隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

該區(qū)間隧道通風(fēng)按閉式系統(tǒng)設(shè)計，前后車站均為非封閉全高站臺門制式。正常運行時，利用列車活塞風(fēng)作用攜帶車站氣流冷卻隧道，同時補充隧道內(nèi)新風(fēng)。每座車站兩端分別設(shè)置2臺區(qū)間隧道事故通風(fēng)機，該風(fēng)機由車站送、排風(fēng)機兼作，負(fù)責(zé)相鄰區(qū)間隧道事故情況下的通風(fēng)。當(dāng)區(qū)間發(fā)生火災(zāi)或阻塞情況時，由事故區(qū)間相鄰的前、后車站(或中間風(fēng)井)的事故風(fēng)機聯(lián)合運行對事故隧道進行縱向排煙或通風(fēng)，使隧道內(nèi)的風(fēng)速及溫度達(dá)到相應(yīng)要求。

2.2 中間風(fēng)井設(shè)置

在運營高峰期間，當(dāng)前車因事故不能繼續(xù)前行時，后車會立即停止行駛，此時便形成同一區(qū)間內(nèi)2列列車滯留的情況。根據(jù)列車事故位置的不同，存在兩車人員分別向前、后車站疏散的情況。因此，從應(yīng)急通風(fēng)氣流組織的基本要求上分析，長大區(qū)間需要在隧道中部設(shè)置中間風(fēng)井，這樣才能通過與前、后車站隧道風(fēng)機的聯(lián)合運行，形成滿足人員防災(zāi)疏散的氣流組織要求。GB 50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：當(dāng)需要設(shè)置區(qū)間通風(fēng)道時，通風(fēng)道應(yīng)設(shè)于區(qū)間隧道長度的1/2處；在困難情況下，其距車站站臺端部的距離可移至不小于該區(qū)間隧道長度的1/3處，但不宜小于400 m[1]。

典型長大區(qū)間的中間風(fēng)井與相鄰車站位置關(guān)系、區(qū)間左右線定義及通風(fēng)系統(tǒng)配置如圖2所示。

2.3 隧道風(fēng)機配置

長大區(qū)間隧道通風(fēng)設(shè)備配置情況如表1所示。

表1 區(qū)間隧道通風(fēng)設(shè)備配置表

3 區(qū)間事故工況定義與應(yīng)急通風(fēng)要求

地下區(qū)間事故通常包括阻塞和火災(zāi)兩種工況。

阻塞工況是指列車因故停滯在區(qū)間且超過4 min。此工況下，隧道通風(fēng)系統(tǒng)的主要作用是保證區(qū)間斷面風(fēng)速≥2.0 m/s、列車周圍空氣平均溫度≤40 ℃、頂部最不利點溫度≤45 ℃，從而保障車輛設(shè)備(如空調(diào)冷凝器等)正常運行，車內(nèi)環(huán)境滿足人員的基本要求。根據(jù)相關(guān)研究，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)盾構(gòu)區(qū)間來流風(fēng)速為2 m/s時，列車周圍及最不利點溫度可以滿足規(guī)范要求，能夠保證空調(diào)器的正常工作[2]。此外，當(dāng)阻塞事故無法在短時間內(nèi)被排除時，應(yīng)考慮疏散車上人員。所以，在應(yīng)急通風(fēng)運行模式中還應(yīng)考慮為疏散人員提供輔助引導(dǎo)氣流的方案。

火災(zāi)工況是指列車行駛在區(qū)間時發(fā)生火災(zāi)，且列車無法繼續(xù)行駛而停滯在區(qū)間內(nèi)。此工況下，隧道通風(fēng)系統(tǒng)的主要作用是保證區(qū)間斷面風(fēng)速≥2.0 m/s(且同時要高于計算臨界風(fēng)速)，且最高風(fēng)速不高于11 m/s[3]。通過隧道通風(fēng)系統(tǒng)對事故區(qū)段內(nèi)的氣流進行合理組織，達(dá)到控制煙氣流向、快速有效排除煙氣，并輔助引導(dǎo)區(qū)間乘客疏散的目的。

4 區(qū)間應(yīng)急通風(fēng)設(shè)計原則

4.1 基本設(shè)計原則

地下車站站廳、站臺和區(qū)間隧道按同一時間發(fā)生1次火災(zāi)進行設(shè)計。當(dāng)列車在區(qū)間隧道內(nèi)著火時，應(yīng)盡可能將列車駕駛到車站，然后進行乘客疏散，此時按照車站站臺層軌行區(qū)火災(zāi)工況處理。當(dāng)列車無法運行至車站時，按照區(qū)間隧道火災(zāi)工況處理。

當(dāng)區(qū)間隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時，標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間需開啟事故區(qū)間前后共4座車站(非封閉全高站臺門制式)的全部隧道風(fēng)機參與事故通風(fēng)；對設(shè)置有中間風(fēng)井的區(qū)間，則開啟事故區(qū)間前后共2座車站及中間風(fēng)井的全部隧道風(fēng)機參與事故通風(fēng)。區(qū)間阻塞模式可參照區(qū)間火災(zāi)模式執(zhí)行。

4.2 氣流組織設(shè)計

區(qū)間隧道應(yīng)急通風(fēng)系統(tǒng)在滿足事故通風(fēng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的同時，還應(yīng)考慮人員疏散要求。由于阻塞工況不涉及火災(zāi)排煙問題，通風(fēng)系統(tǒng)較容易實現(xiàn)為隧道內(nèi)提供有組織的縱向通風(fēng)，并為乘客提供引導(dǎo)疏散(必要情況下)的迎面氣流。而火災(zāi)工況由于涉及到排煙、疏散等問題，考慮到火災(zāi)發(fā)生位置的不同，區(qū)間應(yīng)急通風(fēng)系統(tǒng)需針對性設(shè)置不同的運行模式，具體如下：

(1)隧道內(nèi)列車首、尾端著火時，列車著火端對應(yīng)車站的隧道風(fēng)機均并聯(lián)排風(fēng)，非著火端對應(yīng)車站的隧道風(fēng)機均并聯(lián)送風(fēng)，乘客迎風(fēng)向送風(fēng)車站撤離。

(2)隧道內(nèi)列車中部著火時，距列車較近的車站隧道風(fēng)機并聯(lián)送風(fēng)，距列車較遠(yuǎn)的車站(或中間風(fēng)井)隧道風(fēng)機并聯(lián)排風(fēng)。乘客向較近的車站(或中間風(fēng)井)撤離，部分乘客也可通過就近的聯(lián)絡(luò)通道迅速進入對側(cè)相對安全的隧道撤離。

5 長大區(qū)間事故工況下應(yīng)急通風(fēng)運行模式分析

5.1 阻塞工況下的通風(fēng)模式

長大區(qū)間阻塞工況下的應(yīng)急通風(fēng)運行分為1列列車阻塞和2列列車阻塞2種情況(多于2列列車阻塞的工況可參照執(zhí)行)。

5.1.1 1列列車阻塞工況

5.1.1.1 應(yīng)急通風(fēng)運行模式

結(jié)合中間風(fēng)井情況，應(yīng)急通風(fēng)系統(tǒng)擬定設(shè)計方案有兩類。A類方案，僅列車停滯區(qū)段臨近車站的隧道風(fēng)機和中間風(fēng)井參與運行；B類方案，長大區(qū)間相鄰的共2座車站的隧道風(fēng)機及中間風(fēng)井均投入運行。各類工況運行模式見表2、表3。

表2 阻塞列車位于模擬站1與中間風(fēng)井之間應(yīng)急通風(fēng)模式

表3 阻塞列車位于中間風(fēng)井與模擬站2之間應(yīng)急通風(fēng)模式

5.1.1.2 模擬驗證與分析

以列車阻塞在左線區(qū)間的中間風(fēng)井與模擬站2之間的工況為模擬驗證示例，其他工況同理可證。該阻塞工況的應(yīng)急通風(fēng)方案(A類與B類)模擬結(jié)果如圖3、圖4所示。

模擬結(jié)果顯示，1列列車發(fā)生阻塞事故時，A類方案可以滿足區(qū)間阻塞通風(fēng)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求；B類方案在增加了1座車站隧道風(fēng)機參與運行后，區(qū)間斷面風(fēng)速獲得進一步提高，通風(fēng)效果有所提升。兩者均為可行方案。

圖3 阻塞列車位于模擬站1至模擬站2區(qū)間A類應(yīng)急通風(fēng)方案模擬結(jié)果

圖4 阻塞列車位于模擬站1至模擬站2區(qū)間B類應(yīng)急通風(fēng)方案模擬結(jié)果

在實際設(shè)計中，考慮以保障較好通風(fēng)效果為第一控制目標(biāo)，且B類方案可與長大區(qū)間1列列車火災(zāi)工況的某些應(yīng)急通風(fēng)運行模式相同，便于FAS/BAS(火災(zāi)報警系統(tǒng)/環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng))控制模式的統(tǒng)一編排。因此推薦B類方案為1列列車阻塞工況下的應(yīng)急通風(fēng)運行模式。

5.1.2 2列列車阻塞事故工況

5.1.2.1 應(yīng)急通風(fēng)運行模式

由于此工況下2列列車分別停滯在中間風(fēng)井兩側(cè)(由行車專業(yè)確定列車位置)，因此兩側(cè)區(qū)間需共用中間風(fēng)井對事故區(qū)間進行氣流組織，阻塞通風(fēng)模式可設(shè)計為中間風(fēng)井排風(fēng)、兩端車站隧道風(fēng)機送風(fēng)。各類工況運行模式見表4。

表4 2列阻塞列車分別位于中間風(fēng)井兩側(cè)應(yīng)急通風(fēng)模式

5.1.2.2 模擬驗證與分析

以2列列車阻塞在左線區(qū)間為模擬驗證示例，右線區(qū)間同理可證。該阻塞工況的應(yīng)急通風(fēng)方案模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 2列阻塞列車位于模擬站1至模擬站2區(qū)間的應(yīng)急通風(fēng)模擬結(jié)果

模擬結(jié)果顯示，2列列車發(fā)生阻塞事故時，兩端車站均送風(fēng)、中間風(fēng)井排風(fēng)的模式可以很好地對阻塞區(qū)間進行氣流組織，兩段阻塞區(qū)間的隧道斷面風(fēng)速均大于2 m/s，滿足區(qū)間阻塞應(yīng)急通風(fēng)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)計方案合理可行。

5.2 火災(zāi)工況下的通風(fēng)模式

長大區(qū)間火災(zāi)工況下應(yīng)急通風(fēng)運行同樣分為1列列車與2列列車2種情況(多于2列列車的工況可參照執(zhí)行)，在此基礎(chǔ)上還需根據(jù)火災(zāi)發(fā)生點位于列車頭部、中部、尾部來選擇不同的應(yīng)急通風(fēng)運行模式。

5.2.1 1列列車火災(zāi)工況

5.2.1.1 應(yīng)急通風(fēng)運行模式

結(jié)合中間風(fēng)井情況，火災(zāi)工況下的應(yīng)急通風(fēng)系統(tǒng)擬定設(shè)計方案有A、B兩類，其設(shè)置原則與阻塞工況所使用的A、B兩類方案相同。按照已定義的區(qū)間事故通風(fēng)系統(tǒng)基本原則設(shè)計火災(zāi)工況下的通風(fēng)運行模式，見表5、表6。

5.2.1.2 模擬驗證與分析

1列列車發(fā)生火災(zāi)時，列車停滯位置、著火部位決定了參與事故通風(fēng)運行隧道風(fēng)機的送、排風(fēng)狀態(tài)。選取列車停滯在左線區(qū)間的中間風(fēng)井與模擬站2之間、車頭著火的工況作為模擬驗證示例，其他工況同理可證。該火災(zāi)工況下應(yīng)急通風(fēng)方案(A類和B類)的模擬結(jié)果如圖6、圖7所示。

表5 著火列車位于模擬站1與中間風(fēng)井之間應(yīng)急通風(fēng)模式

模擬結(jié)果顯示，1列列車發(fā)生火災(zāi)時，A和B兩類火災(zāi)應(yīng)急通風(fēng)方案均可滿足要求，B類方案的火災(zāi)區(qū)間應(yīng)急通風(fēng)排煙風(fēng)速更高且煙氣理論上在中間風(fēng)井處全部排除?？紤]到隧道排煙系統(tǒng)的安全性和可靠性，推薦B類方案為1列列車火災(zāi)工況下應(yīng)急通風(fēng)運行模式。

圖6 著火列車位于模擬站1至模擬站2區(qū)間A類應(yīng)急通風(fēng)方案模擬結(jié)果

圖7 著火列車位于模擬站1至模擬站2區(qū)間B類應(yīng)急通風(fēng)方案模擬結(jié)果

表6 著火列車位于中間風(fēng)井與模擬站2之間應(yīng)急通風(fēng)模式

5.2.2 1列列車火災(zāi)工況及1列列車阻塞工況

5.2.2.1 應(yīng)急通風(fēng)運行模式

因2列列車追蹤運行而發(fā)生的1列車火災(zāi)、1列車阻塞的事故工況是長大區(qū)間應(yīng)急通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計中較復(fù)雜的情況。需要對前列列車不同著火位置、兩列列車人員疏散方向等進行綜合考慮，對多種不同工況分別進行設(shè)計。

當(dāng)前列列車車頭著火、后列列車阻塞時，應(yīng)急通風(fēng)運行模式應(yīng)設(shè)計為車頭端的車站隧道風(fēng)機對區(qū)間進行排風(fēng)，車尾端的中間風(fēng)井或車站隧道風(fēng)機對區(qū)間送風(fēng)，同時兩列列車乘客均向送風(fēng)車站進行疏散。

當(dāng)前列列車車尾著火、后列列車阻塞時，著火列車人員向車頭端車站疏散，應(yīng)急通風(fēng)系統(tǒng)引導(dǎo)煙氣向車尾方向排煙；但由于車尾端方向的中間風(fēng)井至上游車站區(qū)間隧道內(nèi)停滯有第2列阻塞列車，該車人員也需疏散，因此應(yīng)急通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)保障煙氣不蔓延至阻塞區(qū)段，在中間風(fēng)井處即應(yīng)將煙氣全部有效排出。結(jié)合以上要求，應(yīng)急通風(fēng)運行模式設(shè)計為長大區(qū)間前后2座車站均向事故隧道內(nèi)送風(fēng)，中間風(fēng)井進行排煙。

當(dāng)前列列車中部著火、后列列車阻塞時，根據(jù)應(yīng)急通風(fēng)基本設(shè)計原則，需要判斷發(fā)生火災(zāi)的前列列車與車站(或中間風(fēng)井)的距離遠(yuǎn)近，據(jù)此判斷選擇應(yīng)急通風(fēng)方向。當(dāng)著火列車靠近前方車站時，車上人員向車頭端車站疏散，應(yīng)急通風(fēng)系統(tǒng)參照車尾著火的火災(zāi)事故工況運行；當(dāng)著火列車靠近中間風(fēng)井時，車上人員向車尾端車站疏散，應(yīng)急通風(fēng)系統(tǒng)參照車頭著火的火災(zāi)事故工況運行。

區(qū)間內(nèi)2列列車(2列列車分別位于區(qū)間中間風(fēng)井兩側(cè))同時分別發(fā)生火災(zāi)和阻塞事故的應(yīng)急通風(fēng)運行模式見表7。

5.2.2.2 模擬驗證與分析

以左線區(qū)間前列列車車頭著火、后列列車阻塞的事故工況，以及左線區(qū)間前列列車車尾著火、后列列車阻塞的事故工況作為模擬驗證示例，其他工況同理可證。上述工況下應(yīng)急通風(fēng)方案模擬結(jié)果如圖8、圖9所示。

表7 區(qū)間內(nèi)2列列車同時分別發(fā)生火災(zāi)和阻塞事故的應(yīng)急通風(fēng)運行模式

模擬結(jié)果顯示，針對同時有2列列車停在長大區(qū)間，且前列列車火災(zāi)、后列列車阻塞的事故工況，采用的應(yīng)急通風(fēng)運行模式能滿足火災(zāi)區(qū)段的排煙與通風(fēng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求，排煙氣流組織方向正確，可有效控制煙氣不蔓延至非事故區(qū)段，從而保障火災(zāi)列車上人員安全疏散至相應(yīng)的較近車站或中間風(fēng)井。因此，該工況下的應(yīng)急通風(fēng)運行模式是合理可行的。

圖8 區(qū)間內(nèi)前列列車車頭著火、后列列車阻塞事故工況下的應(yīng)急通風(fēng)模擬結(jié)果

圖9 區(qū)間內(nèi)前列列車車尾著火、后列列車阻塞事故工況下的應(yīng)急通風(fēng)模擬結(jié)果

6 結(jié)語

綜上所述，通過對城市軌道交通工程閉式通風(fēng)系統(tǒng)長大區(qū)間的火災(zāi)和阻塞兩類事故工況，以及1列列車運行和2列列車列車追蹤行駛的若干工況下應(yīng)急通風(fēng)運行模式的設(shè)計方案進行分析與比選，針對各工況不同特點制定了多種應(yīng)急通風(fēng)運行模式的設(shè)計方案。在系統(tǒng)方案設(shè)計過程中，通過分析與梳理各事故工況對應(yīng)急通風(fēng)的需求，將各類應(yīng)急通風(fēng)方案進行優(yōu)化與整合，并利用一維數(shù)值模擬軟件Stess V3.0對典型方案、重點方案的應(yīng)急通風(fēng)結(jié)果進行模擬，校驗并提出相應(yīng)的應(yīng)急通風(fēng)運行優(yōu)化模式庫。

此外，通過對典型長大區(qū)間應(yīng)急通風(fēng)運行模式進行研究，可知中間風(fēng)井在城市軌道交通地下長大區(qū)間應(yīng)急通風(fēng)中所起到的關(guān)鍵作用，因此，在進行前期規(guī)劃、防災(zāi)方案設(shè)計時，應(yīng)確保中間風(fēng)井設(shè)置的準(zhǔn)確性、必要性及合理性，以充分發(fā)揮其作用。