史柯峰 劉 垚 李曉鋒

(1.中交鐵道設計研究總院有限公司，100088，北京；2.清華大學建筑學院，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，在滿足防災疏散、通風排煙的前提下，實現(xiàn)應急通風運行模式的合理設計與有效優(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，制定了多種應急通風運行模式的設計方案。

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)間為圓形盾構標準單洞，有效過風斷面面積約為20 m2，如圖1所示。

單位：mm

2 長大區(qū)間通風系統(tǒng)

2.1 隧道通風系統(tǒng)設計

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

2.2 中間風井設置

在運營高峰期間，當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，從應急通風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置中間風井，這樣才能通過與前、后車站隧道風機的聯(lián)合運行，形成滿足人員防災疏散的氣流組織要求。GB 50157—2013《地鐵設計規(guī)范》規(guī)定：當需要設置區(qū)間通風道時，通風道應設于區(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)間的中間風井與相鄰車站位置關系、區(qū)間左右線定義及通風系統(tǒng)配置如圖2所示。

2.3 隧道風機配置

長大區(qū)間隧道通風設備配置情況如表1所示。

表1 區(qū)間隧道通風設備配置表

3 區(qū)間事故工況定義與應急通風要求

地下區(qū)間事故通常包括阻塞和火災兩種工況。

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，隧道通風系統(tǒng)的主要作用是保證區(qū)間斷面風速≥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)相關研究，當標準盾構區(qū)間來流風速為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，當阻塞事故無法在短時間內(nèi)被排除時，應考慮疏散車上人員。所以，在應急通風運行模式中還應考慮為疏散人員提供輔助引導氣流的方案。

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

4 區(qū)間應急通風設計原則

4.1 基本設計原則

地下車站站廳、站臺和區(qū)間隧道按同一時間發(fā)生1次火災進行設計。當列車在區(qū)間隧道內(nèi)著火時，應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)火災工況處理。當列車無法運行至車站時，按照區(qū)間隧道火災工況處理。

當區(qū)間隧道內(nèi)發(fā)生火災時，標準區(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)的全部隧道風機參與事故通風；對設置有中間風井的區(qū)間，則開啟事故區(qū)間前后共2座車站及中間風井的全部隧道風機參與事故通風。區(qū)間阻塞模式可參照區(qū)間火災模式執(zhí)行。

4.2 氣流組織設計

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

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

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

5 長大區(qū)間事故工況下應急通風運行模式分析

5.1 阻塞工況下的通風模式

長大區(qū)間阻塞工況下的應急通風運行分為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 應急通風運行模式

結合中間風井情況，應急通風系統(tǒng)擬定設計方案有兩類。A類方案，僅列車停滯區(qū)段臨近車站的隧道風機和中間風井參與運行；B類方案，長大區(qū)間相鄰的共2座車站的隧道風機及中間風井均投入運行。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與中間風井之間應急通風模式

表3 阻塞列車位于中間風井與模擬站2之間應急通風模式

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。該阻塞工況的應急通風方案(A類與B類)模擬結果如圖3、圖4所示。

模擬結果顯示，1列列車發(fā)生阻塞事故時，A類方案可以滿足區(qū)間阻塞通風的設計標準要求；B類方案在增加了1座車站隧道風機參與運行后，區(qū)間斷面風速獲得進一步提高，通風效果有所提升。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類應急通風方案模擬結果

圖4 阻塞列車位于模擬站1至模擬站2區(qū)間B類應急通風方案模擬結果

在實際設計中，考慮以保障較好通風效果為第一控制目標，且B類方案可與長大區(qū)間1列列車火災工況的某些應急通風運行模式相同，便于FAS/BAS(火災報警系統(tǒng)/環(huán)境與設備監(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急通風運行模式。

5.1.2 2列列車阻塞事故工況

5.1.2.1 應急通風運行模式

由于此工況下2列列車分別停滯在中間風井兩側(由行車專業(yè)確定列車位置)，因此兩側區(qū)間需共用中間風井對事故區(qū)間進行氣流組織，阻塞通風模式可設計為中間風井排風、兩端車站隧道風機送風。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井兩側應急通風模式

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。該阻塞工況的應急通風方案模擬結果如圖5所示。

圖5 2列阻塞列車位于模擬站1至模擬站2區(qū)間的應急通風模擬結果

模擬結果顯示，2列列車發(fā)生阻塞事故時，兩端車站均送風、中間風井排風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)間的隧道斷面風速均大于2 m/s，滿足區(qū)間阻塞應急通風的設計標準要求，設計方案合理可行。

5.2 火災工況下的通風模式

長大區(qū)間火災工況下應急通風運行同樣分為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)，在此基礎上還需根據(jù)火災發(fā)生點位于列車頭部、中部、尾部來選擇不同的應急通風運行模式。

5.2.1 1列列車火災工況

5.2.1.1 應急通風運行模式

結合中間風井情況，火災工況下的應急通風系統(tǒng)擬定設計方案有A、B兩類，其設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)間事故通風系統(tǒng)基本原則設計火災工況下的通風運行模式，見表5、表6。

5.2.1.2 模擬驗證與分析

1列列車發(fā)生火災時，列車停滯位置、著火部位決定了參與事故通風運行隧道風機的送、排風狀態(tài)。選取列車停滯在左線區(qū)間的中間風井與模擬站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。該火災工況下應急通風方案(A類和B類)的模擬結果如圖6、圖7所示。

表5 著火列車位于模擬站1與中間風井之間應急通風模式

模擬結果顯示，1列列車發(fā)生火災時，A和B兩類火災應急通風方案均可滿足要求，B類方案的火災區(qū)間應急通風排煙風速更高且煙氣理論上在中間風井處全部排除?？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列列車火災工況下應急通風運行模式。

圖6 著火列車位于模擬站1至模擬站2區(qū)間A類應急通風方案模擬結果

圖7 著火列車位于模擬站1至模擬站2區(qū)間B類應急通風方案模擬結果

表6 著火列車位于中間風井與模擬站2之間應急通風模式

5.2.2 1列列車火災工況及1列列車阻塞工況

5.2.2.1 應急通風運行模式

因2列列車追蹤運行而發(fā)生的1列車火災、1列車阻塞的事故工況是長大區(qū)間應急通風系統(tǒng)設計中較復雜的情況。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計。

當前列列車車頭著火、后列列車阻塞時，應急通風運行模式應設計為車頭端的車站隧道風機對區(qū)間進行排風，車尾端的中間風井或車站隧道風機對區(qū)間送風，同時兩列列車乘客均向送風車站進行疏散。

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

當前列列車中部著火、后列列車阻塞時，根據(jù)應急通風基本設計原則，需要判斷發(fā)生火災的前列列車與車站(或中間風井)的距離遠近，據(jù)此判斷選擇應急通風方向。當著火列車靠近前方車站時，車上人員向車頭端車站疏散，應急通風系統(tǒng)參照車尾著火的火災事故工況運行；當著火列車靠近中間風井時，車上人員向車尾端車站疏散，應急通風系統(tǒng)參照車頭著火的火災事故工況運行。

區(qū)間內(nèi)2列列車(2列列車分別位于區(qū)間中間風井兩側)同時分別發(fā)生火災和阻塞事故的應急通風運行模式見表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。上述工況下應急通風方案模擬結果如圖8、圖9所示。

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

模擬結果顯示，針對同時有2列列車停在長大區(qū)間，且前列列車火災、后列列車阻塞的事故工況，采用的應急通風運行模式能滿足火災區(qū)段的排煙與通風設計標準要求，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，從而保障火災列車上人員安全疏散至相應的較近車站或中間風井。因此，該工況下的應急通風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急通風模擬結果

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急通風模擬結果

6 結語

綜上所述，通過對城市軌道交通工程閉式通風系統(tǒng)長大區(qū)間的火災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急通風運行模式的設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急通風運行模式的設計方案。在系統(tǒng)方案設計過程中，通過分析與梳理各事故工況對應急通風的需求，將各類應急通風方案進行優(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、重點方案的應急通風結果進行模擬，校驗并提出相應的應急通風運行優(yōu)化模式庫。

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