盾构隧道底部疏散通道加压送风系统现场测试及优化研究

陈玉远

(中铁第四勘察设计院集团有限公司水下隧道技术湖北省工程实验室， 湖北 武汉 430063)

盾构隧道底部疏散通道加压送风系统现场测试及优化研究

陈玉远

(中铁第四勘察设计院集团有限公司水下隧道技术湖北省工程实验室， 湖北 武汉 430063)

疏散通道防烟送风系统的有效性是隧道内人员能安全疏散的重要保证。为了检验疏散通道加压送风系统的有效性，采用现场测试的方法对某典型盾构隧道进行研究。针对加压送风系统中存在的问题，提出了优化加压送风口设置的方案，并采用CFD软件对优化后的方案进行仿真模拟。由模拟结果可知，优化后系统漏风量由40%降低为15%。为解决目前车道板底部空间设置1道中隔墙的弊端，采用设置2道中隔墙的方式，使其形成封闭的滑梯间和独立的疏散通道，进一步提高系统的安全性。

盾构隧道； 疏散通道； 现场测试； 加压送风系统； 滑梯间

0 引言

盾构隧道常利用底部富余空间作为疏散通道，采用纵向疏散方式疏散人员，该方式不需要在2条隧道之间设置人行横通道，大大降低了施工风险，节省了投资。因此，越来越多的盾构隧道采用纵向疏散方式疏散人员。当隧道车道层发生火灾后，人员可通过就近的疏散口进入疏散通道[1-2]。

为防止烟气侵入疏散通道，必须对疏散通道进行加压送风，使开启疏散口处保持一定的风速或压差[3]。李伟平等[4]和徐志胜等[5]建议隧道发生火灾时，应保证疏散通道内余压值为30～50 Pa；刘琪等[6]在假定疏散口开启数量的情况下，对疏散口风速和风机风量进行了理论研究；赵明桥[7]对地铁疏散通道纵向风速进行研究，发现纵向风速呈现两端风速大、到中部逐渐衰减的特点；王莉[8]对某一隧道疏散通道正压送风系统进行了数值模拟研究,结果表明，对疏散通道采取正压送风,并采用逆向单侧送风有利于提高疏散楼梯间的风速；张新等[9]提出了纵向疏散通道内加压送风量的计算方法，为满足人员疏散安全要求，疏散通道内纵向风速应不小于1.5 m/s。

可以看到，国内众多学者的研究热点多集中在公路和地铁疏散通道内风速、压力等理论与仿真研究，未见相关现场实测数据，且对疏散通道加压送风系统存在的问题及优化方案研究较少。本研究以某典型盾构隧道为例，首次对疏散通道加压送风系统的送风效果进行了现场测试，并针对目前加压送风系统中存在的问题，提出了优化方案。

1 疏散通道加压送风系统测试

1.1 工程概况

以某越江隧道为例，隧道长3 295 m，在江北、江南各设1个工作井，工作井之间过江段采用盾构法施工。盾构隧道长2 450 m，两端采用明挖法施工，长度分别为495 m和250 m，设计行车速度为50 km/h，道路等级为城市快速路。隧道内采用双向4车道，盾构内径10 m、外径11 m，上层为车道层和排烟道，下层为两孔结构，通过中隔墙分为电缆廊道和纵向疏散通道。隧道横断面布置如图1所示。

图1 隧道横断面示意图[10-11]

纵向疏散口沿隧道纵向间隔80 m设置，火灾时人员开启就近的疏散口通过疏散滑梯进入隧道下部疏散通道，由就近的工作井疏散至地面。疏散口和疏散滑梯如图2所示。

(a) 疏散口

(b) 疏散滑梯

1.2 疏散通道送风系统介绍

盾构段底部疏散通道和电缆廊道共用1套通风系统，在江北工作井设置1台送风机，江南工作井设置1台可逆风机，通过管道上电动风阀控制气流方向。当盾构段发生火灾时，关闭电缆廊道电动风阀，打开疏散通道电动风阀，江北、江南工作井风机均作为加压风机，为了避开人员疏散位置，疏散通道加压风管设置于侧部弧形处。为了满足加压送风口风速低于7 m/s的要求，采用2个加压送风口侧送风的方式，见图3。疏散通道送风系统布置见图4，风机参数见表1。

图3 加压送风口现场示意图

图4 疏散通道送风系统布置示意图

Fig. 4 Sketch diagram of arrangement of ventilation system in evacuation gallery

表1 风机参数[12-13]

1.3 测试工况

隧道内共有30个纵向疏散口(沿行车方向对应编号1—30)，测试时开启中间15个疏散口(对应编号8—22)，疏散口尺寸820 mm(宽)×1 920 mm(长)[14]。考虑最不利工况，疏散通道与工作井相接的疏散门均开启，疏散门尺寸1.5 m(宽)× 2.1 m(高)。

1.3.1 风机开启情况

当盾构段发生火灾且火源下游交通顺畅时，应采用2～3 m/s纵向排烟风速往火源下游排烟[15]，下游车辆继续驶出隧道，下游的疏散口均关闭，上游人员下车通过就近疏散口进行疏散。由于上游为新风区，烟气不会进入疏散通道内，因此该工况对疏散口风压无要求。

当火源下游交通阻滞时，上、下游人员均需下车疏散，为避免烟气进入疏散通道，应保证疏散口风速和正压要求。对于顶部设有排烟道的隧道，由于排烟口的抽吸作用，车行道内为负压；对于顶部无排烟道的隧道，为了避免烟气对火源两侧人员疏散的影响，应维持0.5 m/s救援风速或关闭风机采用烟气自由蔓延方式，车行道基本无机械通风风压，因此该工况为最不利工况。测试时以该最不利工况为例，关闭车行隧道通风排烟系统，开启两端工作井各1台风机和疏散通道电动风阀对疏散通道送风，关闭电缆廊道江南侧电动风阀，由于江北侧电动风阀执行器故障，该风阀维持开启状态。

1.3.2 测试仪器

现场测试分别测量了15个疏散口处的断面风速、疏散通道内的断面风速以及车行道的断面风速。风速采集系统由1台testo454多点风速仪组成，该风速仪可以实时测量记录3个点的风速值。每个疏散口断面上测量了9个点的风速，采用面积加权平均法求出其断面风速，图5为疏散口断面风速测量情况。

(a) 风速仪

(b) 测试现场

1.4 测试结果分析

1.4.1 车行隧道风速测试

由于车行道风机没有开启，车行道内只存在自然风速，经测试车行道断面风速约为0.2 m/s。

1.4.2 疏散通道风速测试

分别测量了距江南、江北疏散门50 m处疏散通道的断面风速，每个断面取9个典型位置测量后的平均值，测试结果见表2。

表2 风速测试结果

由于江北送风机同时对电缆廊道和疏散通道送风，导致江北疏散通道风量约为江南的一半，疏散通道与工作井相接的疏散门处漏风量较大，江南漏风量所占比例为40%，仅有60%的风量送入到疏散通道。究其原因主要是送风口送风方向与人员疏散方向垂直，送入疏散通道的风量向两侧分流，部分通过疏散门直接进入工作井。

1.4.3 疏散口风速测试

对8—22号疏散口处风速进行了测试，测试结果见图6。

图6 疏散口平均风速

由图6的测试结果可以得到以下规律：

1)疏散口风速差别不大。最大值为1.1 m/s，最小值为0.6 m/s，考虑到测试误差，可近似认为疏散口风速一致。

2)疏散口风速与距加压风机的距离无关，远离风机端的疏散口风速与靠近加压风机端的疏散口风速大致相当。主要因为疏散通道内风速低于2 m/s，相邻疏散口间疏散通道内最大动压差不大于1.3 Pa；疏散通道面积6.3 m2，当量直径2.4 m，沿程阻力系数取0.022，相邻疏散口间疏散通道最大阻力损失小于1.2 Pa(局部阻力损失按沿程阻力20%计算)。则相邻疏散口间最大动压差与阻力损失之和小于2.5 Pa，差别较小，因此每个疏散口静压差别不大，风速基本相等。

3)除了3个疏散口风速略小于0.7 m/s外，其余12个疏散口风速均在0.7 m/s之上，基本可以满足规范中风速大于0.7 m/s的要求。

2 疏散通道加压送风系统优化

2.1 送风口方式优化

由1.4节实测结果可以看出，由于疏散通道的加压送风口设置在疏散门附近，且送风方向与人员疏散方向垂直，将有大量的风从工作井疏散门中分流。为增加送入疏散通道的有效风量，提出了如下优化方案： 取消疏散通道内送风管，利用疏散通道滑梯处弧形空间设置土建送风道，在风道末端设置防护网进行送风，将送风方向由垂直于人员疏散方向优化为沿人员疏散相反方向。

针对上述优化后方案，采用CFD软件建立了加压送风系统模型，主要边界条件如下： 隧道长度2 450 m，内径10 m；疏散口数量30个，间距80 m，尺寸820 mm(宽)×1 920 mm(长)；根据横断面布置，弧形空间面积为2 m2，依据GB 50016—2014《建筑设计防火规范》[16]的规定，加压送风口风速不大于7 m/s，因此最大加压送风量为50 400 m3/h，送风口尺寸2 m2；开启中部15个疏散口；车行隧道洞口及疏散通道与工作井相接处疏散门均设置为压力出口边界条件。图7和图8为具体模拟结果。

图7 疏散口处隧道纵向剖面风速分布图(单位： m/s)

图8 疏散口平均风速模拟结果

Fig. 8 Simulation results of average air velocity at evacuation exit

由图8的模拟结果可知，两端疏散门的漏风量均为7 560 m3/h,漏风量比例由原方案的40%降低到15%，大幅提高了送入疏散通道内的加压送风量。根据图7及统计结果可知，所有疏散口风速均大于0.9 m/s，平均风速为1.0 m/s，且风速分布较均匀，风速变化范围为0.94～1.01 m/s，均满足规范中大于0.7 m/s的要求。

2.2 疏散通道结构优化

当发生火灾时，人员通过疏散滑梯直接进入疏散通道内，疏散滑梯与疏散通道为同一空间，没有缓冲措施，火灾时车辆漏油产生的流淌火以及消防废水均有可能通过疏散口进入纵向疏散通道内，影响人员的安全疏散。为此对疏散通道结构提出了如下优化方案：

1) 在车行隧道底部设置2道隔墙，将底部空间分成滑梯间、疏散通道和电缆廊道，在疏散口处将其隔成封闭的空间，形成前室，人员由疏散口首先进入滑梯间，再通过防火门进入疏散通道。

2) 在滑梯间与疏散通道隔墙上设置余压阀，火灾时开启疏散通道两端加压风机对疏散通道加压送风，依靠余压阀在疏散通道和滑梯间形成不同的压力梯度，滑梯间和疏散通道余压值分别为30 Pa和50 Pa，安全性依次提高，可有效防止烟气进入疏散通道，同时也可避免流淌火和消防废水进入疏散通道，进一步提高人员安全性。

优化后的疏散通道结构布置如图9所示。

图9 疏散通道结构优化平面布置

3 结论与讨论

1)对某越江隧道加压送风系统进行了现场测试，测试结果表明，各个疏散口风速差别不大，且疏散口风速与距加压风机的距离无关，基本可以满足疏散口处风速要求。由于测试隧道加压送风口送风方向与人员疏散方向垂直，通过工作井疏散门漏风量占总风量的比例高达40%。

2)利用疏散通道弧形空间设置土建送风道和送风口的方式，保证送风方向与人员疏散方向相反，可使疏散门漏风量由40%降低为15%，在加压风机选型时应考虑适当的富余量。

3)通过在车行道下部设置2处中隔墙的方式，将其分成滑梯间、疏散通道和电缆廊道3个独立的空间，在滑梯间和疏散通道内依次形成不同的压力梯度，可进一步提高疏散通道的安全性。

4)对2车道盾构隧道疏散通道加压送风系统进行了研究，但测试和研究中均未考虑车行隧道内的通风风速，该风速对滑梯间余压设定值的影响将是本课题今后的研究方向。

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Study of Testing and Optimization of Pressurized Air Supply System at Bottom of Shield Tunnel Evacuation Gallery

CHEN Yuyuan

(HubeiProvincialEngineeringLaboratoryforUnderwaterTunnelingTechnology,ChinaRailwaySiyuanSurveyandDesignGroupCo.,Ltd.,Wuhan430063,Hubei,China)

The effectiveness of smoke discharge and air supply of evacuation gallery are the keys to personnel safety. Field test is carried out to verify the effectiveness of pressurized air supply system of evacuation gallery of a typical shield tunnel. The optimized scheme of arrangement of pressurized air supply vents is proposed; the false air volume is reduced by 25%; and the optimized scheme is simulated by CFD software. Two separation walls are set on bottom of roadway, so as to form closed slide room and independent evacuation gallery and further improve the safety of the system.

shield tunnel; evacuation gallery; field test; pressurized air supply system; slide room

2015-09-28;

2015-11-04

陈玉远(1982—)，男，安徽萧县人，2007年毕业于重庆大学，暖通专业，硕士，高级工程师，现从事地铁和市政隧道通风系统设计与研究工作。E-mail： 28158604@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.02.003

U 455

A

1672-741X(2017)02-0135-06