青島地鐵8號線跨海區間通風排煙方案研究

中國鐵路設計集團有限公司 劉 樹

0 引言

隨著各地城市軌道交通的發展，地鐵項目建設快速推進，安全日益成為建設單位、設計單位首要考慮的問題。國內部分工程中出現了特長隧道區間，分別采用了不同的救援疏散措施及通風方案，以保證事故工況下人員的安全疏散[1]。根據事件性質，城市軌道交通發生的重大運營事故及災害主要可分為列車事故、火災事故、恐怖襲擊、自然災害、系統水災五大類，其中火災事故是對城市軌道交通造成影響最嚴重、危害最大的一類事故[2]。因此對于長大區間尤其是長大跨海(江)區間，其通風排煙模式顯得尤為重要。本文結合目前國內地鐵已建成的最長的跨海隧道區間——青島地鐵8號線大洋站至青島北站區間，重點研究海域中部無法設置區間風井的隧道通風排煙方案，其研究結果可為地鐵超長跨海(江)區間的通風排煙設計提供依據和參考。

1 工程概況

青島地鐵8號線跨海區間為大洋站至青島北站區間，長度約8.68 km，此段線路中部下穿膠州灣海域，海域段長度約5.40 km，為目前國內最長地鐵跨海隧道。大洋站至青島北站區間隧道斷面呈V字形狀，跨海區間隧道縱斷面示意圖見圖1，最大坡度為28‰，最小坡度為5‰，大洋站至海域中部隧道施工工法為礦山法，海域中部至青島北站隧道施工工法為盾構法。

圖1 跨海區間隧道縱斷面示意圖

該工程地鐵車輛為B型車，6節編組。根據行車專業計算結果，大洋站至青島北站區間可能同時存在3輛列車同時運行，即大洋站側的陸域段存在1輛列車、海域段存在2輛列車或大洋站側的陸域段存在1輛列車、海域段存在1輛列車、青島北站側陸域段存在1輛列車。為保證“區間隧道火災時，區間隧道通風排煙系統的排煙模式滿足單線區間隧道內正常運行時兩區間風井間只有一輛列車的要求”[3]，整個跨海區間需在海域段兩側岸邊處設置2座區間風井，分別為1號區間風井(風井中心里程K40+271.514，即40 271.514 m)和2號區間風井(風井中心里程K45+671.507，即45 671.507 m)；同時在1號區間風井至海域中部的隧道頂部設置土建風道，該軌頂風道與1號區間風井處的事故風井相連，土建風道端部設置組合風閥，將海域段分為2個通風區段。由于單側軌頂風道面積有限，因此在海域中部附近將左右線的軌頂風道設置連通道，事故工況時，氣流通過連通道經左右線的軌頂風道共同組織通風排煙。具體通風區段劃分如圖2所示。

圖2 跨海區間通風區段劃分示意圖

其中，陸域段Ⅰ區間斷面面積為25.3 m2，海域段Ⅰ區間斷面面積為27.3 m2，其軌頂風道面積為9.4 m2，海域段Ⅱ和陸域段Ⅱ的區間斷面面積均為25.7 m2。

2 通風系統形式及配置

青島地鐵8號線區間隧道采用雙活塞通風系統。大洋站車站兩端分別設置2座活塞風井(兼事故風井)；1號區間風井設置2座活塞風井(兼事故風井)，同時設置1座事故風井，通過與軌頂土建風道相接服務海域中部；2號區間風井設置2座活塞風井(兼事故風井)；青島北站小里程端的2座活塞風井(兼事故風井)設置于3號風井處，大里程端因條件受限，采用單活塞通風系統?？绾^間通風系統設備配置見表1，相應的隧道通風原理如圖3所示。

表1 跨海區間通風系統設備配置

圖3 跨海區間隧道通風原理簡圖

大洋站大里程側設置站內停車線，其站后區間內左右線各設置1組射流風機(每組2臺并聯，單臺風機風量16 m3/s，出口風速40.4 m/s，推力737 N)，以進行輔助通風排煙。因1號區間風井至海域中部的軌頂風道長約2.5 km，其阻力約為1 750 Pa，受土建條件制約，如采用大型離心風機或對旋風機，對土建改動較大。因此采用隧道風機串聯模式以增大其風壓，結合長風道進行布置，充分利用既有土建條件。1號風井內的事故風井設置2組隧道風機，每組隧道風機采用2臺進行串聯運行，經現場多次風速測試及各類驗收，串聯風機運行良好?；钊L系統與機械通風系統在組合風閥的切換下實現功能上的互補及列車在正常、阻塞、火災工況下的各種控制要求[4]。

3 通風排煙模式分析

3.1 方案分析

目前對國內外特長區間隧道通風采取的方案主要有全縱向射流誘導式通風方案、分段縱向通風方案和半橫向通風方案3種[1，5]。因該區間海域段長5.40 km，存在2輛列車同時追蹤，采用全縱向射流誘導通風不利于人員安全疏散，且系統控制復雜。采用半橫向通風方案，在排煙風道上每隔60 m設一處電動排煙閥，導致其控制風閥點位多。同時海域中部至青島北站施工工法為盾構，隧道頂部設置軌頂排煙風道的空間有限。因此結合土建條件及國內外工程實例，該跨海區間采用分段縱向通風方案。

本文利用SES地鐵環境模擬計算軟件對跨海區間不同的通風排煙方案分別進行模擬計算，并比較分析，從而選擇最合理、最經濟的通風排煙方案，大大節省投資。本文均以行車右線為例進行模擬分析。

3.2 阻塞工況

當列車因故障停在區間隧道時，應能對阻塞區間進行有效通風，保證空調列車車載冷凝器的運行及車內乘客新風量的要求。

對于該特長跨海區間隧道，區間存在1輛列車阻塞、2輛列車同時阻塞、3輛列車同時阻塞的多種阻塞工況。經過多種工況模擬分析，此區間多種列車阻塞模式可簡化為一種通風工況，即1號風井活塞風道內的2臺隧道風機進行送風、2號區間風井活塞風道內的2臺隧道風機進行排風、陸域段Ⅰ的射流風機正轉，按最不利工況考慮，陸域段Ⅰ存在1輛列車，海域段存在2輛列車，此時陸域段Ⅰ通風量為55.9 m3/s，海域段通風量為69.3 m3/s，阻塞列車最不利周圍平均溫度可維持在35.5 ℃，能滿足空調器正常運行要求。阻塞工況氣流組織如圖4所示。經現場風速測試，阻塞工況下實測風速約為2.1～2.4 m/s，滿足規范和設計要求。簡化模式有助于降低綜合監控系統模式控制難度，同時提高現場調試效率。

圖4 跨海區間隧道阻塞工況氣流組織示意圖

3.3 火災工況

列車在區間隧道發生火災時，應盡力將列車駛達前方最近的車站，使人員從車站疏散。若火災列車停在區間隧道內，通過控制中心確認火災列車在區間隧道內的位置、確定人員疏散方向，決定通風氣流方向，氣流方向與火災區段隧道乘客疏散方向相逆，使疏散區處于新風段，空氣流速根據火災規模、區間橫斷面尺寸和縱向坡度等確定。本工程列車火災規模按發熱量5 MW計算，安全系數取1.5。由臨界風速計算公式[6-7]可知，陸域段隧道坡度最大為28‰，臨界風速約為1.86 m/s；海域段Ⅰ隧道坡度最大為28‰時，臨界風速約為1.71 m/s；海域段Ⅱ隧道坡度最大為27‰時，臨界風速約為1.85 m/s；結合規范“區間隧道火災的排煙量，應按單洞區間隧道斷面的排煙流速不小于2 m/s”的要求，因此縱向通風排煙風速應不小于2 m/s。

陸域段分為大洋站至1號區間風井及2號風井至青島北站3號風井。因該通風區段內火災排煙模式較為簡單，僅為通風區段兩側的隧道風機開啟進行縱向通風排煙即可滿足區間火災風速要求。本文重點分析海域段火災工況氣流組織模式。當列車在海域段發生火災時，根據火災所處的區段，通過區間風井，相鄰車站隧道風機及縱向通風土建風道，在火災區段實現分段縱向推拉式通風排煙模式。

1) 海域段Ⅰ內列車車頭發生火災時，此時陸域段Ⅰ及海域段Ⅱ內各有1輛列車。其模式為1號區間風井活塞風道內的2臺隧道風機進行送風、事故風道的4臺隧道風機進行排風，同時2號區間風井活塞風道內的2臺隧道風機進行排風，此時區間排煙量為88.3 m3/s，模擬區間風速為3.12 m/s，滿足規范及臨界風速要求。氣流組織示意圖見圖5。

圖5 海域段Ⅰ車頭火災工況氣流組織示意圖

2) 海域段Ⅰ內列車車尾發生火災時，1號區間風井活塞風道的2臺隧道風機進行排風、事故風道的4臺隧道風機進行送風，同時2號區間風井活塞風道2臺隧道風機進行送風，此時區間排煙量為85.7 m3/s，模擬區間風速為3.03 m/s，滿足規范及臨界風速要求。氣流組織示意圖見圖6。

圖6 海域段Ⅰ車尾火災工況氣流組織示意圖

3) 海域段Ⅱ內列車車頭發生火災時，此時陸域段Ⅰ及陸域段Ⅱ內各有1輛列車。其模式為1號區間風井事故風道的4臺隧道風機進行送風，2號區間風井及青島北站3號區間風井的各2臺隧道風機均進行排風，此時區間排煙量為105.8 m3/s，模擬區間風速為3.74 m/s，滿足規范及臨界風速要求。氣流組織示意圖見圖7。

圖7 海域段Ⅱ車頭火災工況氣流組織示意圖

4) 海域段Ⅱ內列車車尾發生火災時，1號區間風井事故風道的4臺隧道風機進行排風，2號及3號區間風井各2臺隧道風機均進行送風，此時區間排煙量為82.9 m3/s，模擬區間風速為2.93 m/s，滿足規范及臨界風速要求。氣流組織示意圖見圖8。

圖8 海域段Ⅱ車頭火災工況氣流組織示意圖

經過現場多次風速測試，各通風區段火災工況下區間排煙風速均在2.3 m/s以上，滿足規范和設計要求。

4 結論

1) 青島地鐵8號線跨海區間通過設置區間風井及海域段局部軌頂土建風道，將跨海隧道分成4個縱向通風區段，保證正常運行時1個通風區段內只有1輛列車運行的要求，事故工況時排煙方向與人員疏散方向相反，為救援疏散提供了條件。

2) 通過模擬分析，簡化了區間阻塞模式，采用一種阻塞模式滿足1輛列車阻塞、2輛列車同時阻塞、3輛列車同時阻塞的多種阻塞工況，降低綜合監控系統模式控制難度的同時，提高現場調試的效率。因此建議在滿足規范要求的前提下，盡量減少區間模式聯動設備的數量，以及簡化通風系統聯動模式。

3) 結合土建條件及實際情況，在海域中部設置軌頂風口，通過軌頂風道連接至陸域段1號區間風井的事故風井處，有效解決海域中部無法設置區間風井的難題。

4) 因該工程服務的軌頂風道長約2.5 km，隧道風機風壓較大，因而采用隧道風機串聯的方式，以滿足其風壓要求，為超長跨海(江)區間的設計提供思路和參考。