当地铁列车在区间隧道内发生火灾,或被着火车辆堵塞而停滞于区间内时,乘客从列车侧门逃出至区间疏散平台上,根据预定的火灾疏散预案,乘客沿疏散平台逃离至最近的地铁车站,在此过程中,人员用于逃生的空间主要是疏散平台上,详见图2.

地下超长区间隧道设置中间风井的根本目的,是保障非着火车辆的人员安全疏散.若能采取措施,使疏散平台范围内空气清洁,隧道内烟气无法侵入疏散平台范围内,结合隧道内既有的纵向排烟系统,即使无法设置中间风井,也能够有效的保障非着火车辆的人员的疏散安全.

图2 区间隧道内疏散平台实景及示意图
Fig.2 Scene and schematic diagram of evacuation platform in interval tunnel

当地铁列车在区间隧道内发生火灾时,乘客疏散路径并非一直在着火的隧道内.城市轨道交通载客运营的地下区间之间均设有联络通道,且相邻两条联络通道之间的水平距离不大于600 m^[3].乘客在逃生过程中,在起火隧道中逃生至最近的联络通道,通过联络通道进入对侧的安全区间,免受火灾及烟气的影响,在通过对侧区间疏散至车站.

因此,可将超长区间隧道按照联络通道的设置情况,将疏散平台划分为多个疏散区段(≤600 m),每个区段设置独立的防排烟模式,详见图3.当列车起火停滞在区间内时,对应开启列车所在区段的防排烟措施,保护乘客疏散至对侧安全区间后,即视为抵达安全区域.

保障局部空间的空气洁净与防烟效果,采用正压送风是最为有效的手段.对于地下超长的区间隧道,若能对疏散平台进行正压送风,在人员逃生区域内形成局部正压,避免火灾烟气侵入,保障逃生区空气洁净,则无论是否设置中间风井,列车是否处在无烟区域,均可达到人员安全疏散的目的.

区间内疏散平台设置加压送风系统,在无法设置地面风井的前提条件下,最大的问题在于新风来源.拟结合每个联络通道设置加压送风系统,从安全区间(对侧隧道)内取风,加压送至火灾区间内疏散平台范围内,来保障疏散平台局部的空气清洁和防烟效果,其原理详见图4:

图3 火灾时乘客疏散路径示意图
Fig.3 Schematic diagram of passenger evacuation route during fire

图4 纵向排烟结合疏散平台加压送风系统原理示意图
Fig.4 Schematic diagram of longitudinal smoke exhaust system combined with pressurized air supply system for evacuation platform

该方案的特点在于,原纵向排烟的系统形式不变,取消中间风井后,由超长区间两端车站端头的隧道风机进行纵向排烟.并根据信号系统给出的着火列车、堵塞列车的停车位置,对应开启两个疏散区段(≤600 m)的加压送风系统,保证列车上乘客安全疏散至对侧安全区间.联络通道处的加压送风加压送风机,通过风管连接两个隧道的加压风道及风口.加压送风机选用可逆风机,根据着火列车位置,切换加压送风方向,始终自安全区间取风,火灾区间送风.

此外,针对安全区间内形成的负压状态,除通过车站出入口通道、风亭进行自然补风外,可结合区间实际情况,在每个车站端部设置补风机,对区间隧道进行补风,避免造成长时间空气负压状态影响加压送风效果.

利用疏散平台顶部空间,设置加压送风道,风道底部距离疏散平台保证2 m净高^[3],疏散平台的疏散宽度不小于684 mm^[9],以满足人员安全疏散,详见图5.加压送风口的尺寸及间隔,需满足亚音速等温自由射流关系式^[10],风口射流范围覆盖整个疏散平台.经计算,加压送风口的净宽不小于180 mm,风口可间隔设置,当风口长度与两风口间隔长度之比不小于1:2时,且风口间隔距离不超过1.2 m时,即可满足射流范围覆盖整个疏散平台.因此,拟设置200 mm×500 mm单层百叶风口,沿隧道方向每隔1 m设置一处.

图5 疏散平台加压送风风道、风口、挡烟垂壁设置剖面示意图
Fig.5 Section of pressurized air supply duct,vents and ceiling screen of evacuation platform

为避免加压送风口射流扰动并卷吸轨行区的烟气,对疏散平台区域空气洁净造成影响,在加压送风道边缘设置挡烟垂壁,尺寸按照500 mm^[3]考虑.加压送风口的出口风速,参考地铁车站楼扶梯口部的抑烟气流速度,按照不小于1.5 m/s^[3]取值.

综上,以每两个联络通道间的疏散区段(≤600 m)设置一个独立的加压送风系统计算,按照每隔1 m布置一处加压送风口(200 mm×500 mm),每个系统的加压送风量约为60 m³/s.

为验证取消中间风井后,上文提到的防排烟方案的效果,以典型的单洞单线隧道为例进行建模研究,模型详见图6.模型中隧道断面按照暗挖马蹄形设置,断面面积为28 m²,在疏散平台上侧设置约3 m²的加压送风道,风道上每隔1 m设置1处200 mm×500 mm风口,疏散平台按照850 mm宽度建模.

图6 地下区间隧道疏散平台加压送风模型(剖切面节选有车停靠段和无车停靠段)
Fig.6 Pressurized air supply model of underground interval tunnel evacuation platform(parking section with train and parking section without train)

为更加贴近实际情况,建立了长区间且有列车停靠的模型.地铁列车根据车体宽度及列车长度分为A、B、C、L四种类型,其中6节编组的B型车应用范围最广,数量最多.因此列车车体按照B型车尺寸,简化为截面为11.2 m²的多边形体进行建模; 加压送风道与轨道相邻处,设置500 mm长的挡烟垂壁.

为了更好的描述火灾工况下区间隧道气流组织的流动状态,需要选择合理的湍流模型.目前国内针对地下区间隧道火灾时的数值模拟,多采用瑞流粘性系数模型进行计算^[7],本文综合考虑烟气产生的浮升力影响,采用浮力可修正的K-ε模型,来计算地铁火灾情况下气流组织流动特性.

区间隧道两端各设置两台隧道风机(TVF风机),共4台隧道风机,每台风机风量按照60 m³/s,风机全压按照1 000 Pa; 区间隧道长度按照一个独立疏散区段建模,即两个联络通道间的最大距离600 m,详见图7; 加压送风系统设置在两端联络通道处,各设置1台加压送风机,每台风量按照30 m³/s,风机全压按照500 Pa,模型尺寸及系统参数详见表1.

图7 数值模拟系统设置情况
Fig.7 Setting situation of numerical simulation system

数值模拟共设置3种方案,第一种方案为正常开启区间隧道纵向排烟,第二种方案为同时开启加压送风及纵向通风,第三种方案为仅开启加压送风.通过三种方案来对比不同防排烟方案的效果,具体边界条件详见表2.

表1 纵向通风及加压送风系统参数情况
Tab.1 Parameters of longitudinal ventilation and pressurized air supply system

表2 方案1、2、3边界条件设置情况
Tab.2 Boundary conditions of scheme 1,2,3

分别按照有车停靠区域和无车停靠区域进行数值模拟,对方案三仅设置加压送风系统时,按照无车停靠的最不利工况进行数值模拟,模拟结果详见图8～图 14.

(1)方案一(仅隧道纵向排烟)

通过图8、9可以看出,在仅开启隧道纵向排烟的情况下,隧道内形成纵向气流速度,无论是否有列车停靠,疏散平台处均处于临界负压状态,此种方案虽然能沿纵向有效控制烟气方向,但不能防止烟气进入疏散平台,无法保障人员在疏散时不受烟气影响.

图8 方案一无车停靠下隧道横断面气流速度、风压云图
Fig.8 Air velocity and air pressure nephogram of tunnel cross section with no train parking in scheme 1

图9 方案一有车停靠下隧道横断面气流速度、风压云图
Fig.9 Air velocity and air pressure nephogram of tunnel cross section with train parking in scheme 1

(2)方案二(隧道纵向排烟+加压送风)

在开启隧道纵向排烟及疏散平台加压送风的情况下,通过图 10可以看出,当隧道内没有列车停靠的区域,在纵向排烟及加压送风的共同作用,使疏散平台形成了2～5 Pa的局部正压的状态,以及1.5～2 m/s的向下气流,有效抑制烟气进入疏散平台^[11],形成一个相对清洁的逃生区域.

如图 11所示,当隧道内有列车停靠时,由于列车车体存在,使隧道空气流动截面急剧缩小,疏散平台靠近列车一侧受纵向气流影响,局部正压只有1～3 Pa,加压送风出口气流也因纵向气流干扰,贴向隧道壁面一侧,但仍比方案一防烟效果更优.

从图 12疏散平台的纵剖面可以看出,在加压风口作用下,在疏散平台形成一个连续不断的正压区域,新风气流自上而下,并向沿隧道整体排烟方向倾斜.

综上,认为在开启隧道纵向排烟及疏散平台加压送风的情况下,既能满足隧道排烟要求,也能够避免人员呼吸区受到烟气侵扰,保障人员的疏散安全.

图 10 方案二无车停靠下隧道横断面气流速度、风压云图
Fig.10 Air velocity andair pressure nephogram of tunnel cross section with no train parking in scheme 2

图 11 方案二有车停靠下隧道横断面气流速度、风压云图
Fig.11 Air velocity and air pressure nephogram of tunnel cross section with train parking in scheme 2

图 12 方案二疏散平台纵断面气流速度云图(节选)
Fig.12 Air velocity nephogram of vertical section of evacuation platform(excerpt)in scheme 2

(3)方案三(仅疏散平台开启加压送风)

方案三相比于方案二,在疏散平台形成的正压范围更大且更稳定,可形成3～8 Pa的局部正压,洁净空气从疏散平台自内而外进行射流扩散,气流速度超过1.5 m/s,可有效阻绝烟气侵入^[11],详见图 13.从疏散平台纵剖面来看,由于不受纵向排烟气流干扰,疏散平台的加压送风气流组织也更加均匀,详见图 14,理论上局部防烟效果强于方案一及方案二.但考虑到地铁列车发生火灾,火源强度大,烟气扩散快,若仅采取防烟措施而不排除烟气,烟气在隧道内迅速聚集,亦不利于人员逃生,因此本方案不推荐.

图 13 方案三无车停靠下隧道断面气流速度、风压云图
Fig.13 Air velocity and air pressure nephogram of tunnel cross section with no train parking in scheme 3

图 14 方案三疏散平台纵断面气流速度云图(节选)
Fig.14 Air velocity nephogram of vertical section of evacuation platform(excerpt)in scheme 3