地铁终点站存车线和预留正线排烟方案研究

李永兵 马梦茹

(1. 中铁工程设计咨询集团有限公司, 100055, 北京; 2. 重庆大学土木工程学院, 400045, 重庆)

0 引言

地铁系统的防排烟设计是地铁安全运营首要考虑的内容。地铁系统中发生火灾时,通常是通过机械通风的方式诱导烟气流动,并从风井排出。GB 50157—2013《地铁设计规范》规定:连续长度大于300 m的区间隧道和全封闭车道,应设置机械防烟、排烟设施[1]。GB 51298—2018《地铁设计防火标准》规定:地下区间的排烟宜采用纵向通风方式,采用纵向通风方式确有困难的区段,可采用排烟管道进行排烟(即横向排烟)[2]。地铁系统的线路包括正线、单存车线、双存车线、预留正线等,其中预留正线仅设在地铁终点站。这些线路的长度往往超过300 m,需要进行防排烟系统设计,而排烟方式同时影响排烟效果、工程预算及维护工作量。在地铁工程中,如何根据各类线路的特点更好地进行排烟设计是设计人员关心的问题。

文献[3]采用FDS软件对地铁车站的火灾通风进行了模拟分析,指出了当火灾发生在车站不同火源位置时的最优通风排烟方案;文献[4]采用SES软件分析了地铁双存车线区域在火灾工况下的风机运行模式,并建议将隧道风机和风井设置在存车线端部;文献[5-6]采用FDS软件模拟分析了双存车线半横向排烟的通风方式,给出了采用这种通风方式时的建议排烟量、排烟口尺寸和间距;文献[7]指出,地铁换乘站排烟口的布置采用两侧布置或中间布置的形式时排烟效果均优于单侧布置;文献[8]通过现场冷烟试验并结合SES和FDS软件分析,给出了双存车线最佳送风排烟气流组织模式下的排烟系统配置方案;文献[9]现场实测了模拟火灾发生时采用射流风机通风的停车线和正线内的空气流速,指出在这种隧道断面设置射流风机,在突变情况下,其诱导作用能够大幅提升隧道断面的流速使其满足防火设计要求。综上所述可知,研究者对地铁隧道和中间站的各种排烟设计进行了研究,烟气控制效果与火灾发生的位置、风机和风井的位置、排烟方式都密切相关。然而,终点站存车线和预留正线的排烟路径与中间站各类配线的均不相同。中间站各类配线的排烟风井往往设置在两侧正线上的风井;终点站的双存车线和两侧预留正线一般共用一个排烟风井,且风井一般设置在存车线的后半段。目前,尚未见业界学者对终点站内的存车线及预留正线的排烟设计进行研究。

本文介绍了现行标准中地下区间的排烟设计要求,以北京地铁房山线北延工程终点站丰益桥南站为例,设计并对比分析了其存车线及预留正线的纵向排烟、横向排烟方案。为了验证设计方案达到标准要求,应用SES软件模拟分析了纵向排烟时两种配线内不同位置发生火灾时的排烟路径和风速。本研究对终点站配线的防排烟设计具有工程应用价值,同时可为相似地下复杂配线的通风、防排烟设计和标准制定提供参考。

1 工程概况

案列车站丰益桥南站是北京地铁房山线北延工程的终点站,其北端设置有双存车线,该线兼做故障车停车区,同时外侧正线预留进一步向北延伸的条件,可供车辆夜间停放。丰益桥南站双存车线与预留正线平面示意图如图1所示。为减小正线延伸后的断面面积,保障防排烟组织的可行性,并避免正线运行时影响存车线兼故障停车线的使用,对终点站双存车线与预留正线进行分区设计。双存车线隧道为单洞双线隧道,在隧道中间设置有隔墙,隔开后的单线隧道断面面积为28 m2;预留正线隧道为单洞单线,断面面积为29 m2。

图1 丰益桥南站双存车线与预留正线平面示意图

在地铁车站与隧道区间,纵向排烟时,烟气会在区间弥漫,因此纵向排烟较适用于单向行驶、长区间的隧道;横向排烟时,烟气会从较近的风口排出,因此横向排烟较适用于单管双向交通或短区间、阻塞发生率较高的单向交通隧道。房山线北延工程的正线采用了纵向排烟的方式,丰益桥南站的车站轨行区采用了横向排烟的方式。同时,在车站的公共区通风空调系统中,大小里程端处分别设有2台隧道通风机,通风机风量为60 m3/s、全压为1 kPa。由于该车站采用全高非封闭式站台的集成闭式系统,因此车站的轨行区、存车线及预留正线的通风排烟系统可以采用该风机进行送、排风。

2 纵向排烟设计

火灾发生时,通过悬挂在隧道内的射流风机等射流装置,使烟气沿隧道向着风井的方向纵向流动的排烟方式被称为纵向排烟,这是一种在地铁工程各线路中常用的排烟方式。

2.1 纵向排烟设计要求

《地铁设计规范》规定了隧道纵向排烟时排风机应能使烟气达到的流速范围:不小于2 m/s 并高于临界风速,且不大于11 m/s。其中临界风速可参见文献[10]中的Kennedy公式进行计算。

2.2 案例工程纵向排烟方案

房山线北延工程列车采用B型车6节编组,每辆车的火灾燃烧发热量为5 000 kW,考虑1.5倍的安全系数,取每辆车火灾燃烧发热量为7 500 kW;该线沿线的最大纵坡为2.6%,新建车站线路纵坡统一为0.2%。由此可计算得到控制烟气回流的临界风速为1.97 m/s。因此该线路列车的纵向排烟设计目标为事故区间平均风速不小于2.0 m/s、但不大于11 m/s。

为了使丰益桥南站存车线和预留正线区达到排烟设计目标,纵向排烟设计方案为:在存车线终点设置活塞风井,风井面积为20 m2;在存车线及预留正线设置20台射流风机,风机直径为630 mm,风量为12.3 m3/s,推力为545 N;采用车站大小里程端的4台风机作为排烟风机;在双存车线中设中隔墙。图2为丰益桥南站存车线及预留正线纵向排烟系统示意图。

图2 丰益桥南站存车线及预留正线纵向排烟系统

2.3 纵向排烟方案模拟分析

标准中对纵向排烟的风速有具体要求,为了判断纵向排烟方案设计是否达到标准要求,采用SES软件模拟列车在存车线及预留正线左侧、右侧线路的车头、车尾发生火灾时的排烟路径和风速,针对每条线路模拟4种工况。当由线路两端风机组织排烟时,火灾列车所在线路的相邻线路可能有另一列列车停靠,停靠列车会对排烟气流分流形成阻力,这会更有利于着火段线路排烟。因此,对火灾区间进行模拟时,仅考虑各相邻线路无列车停靠的最不利情况。火灾发生时,全线列车停止运行,原则上相关地下区间除火灾隧道两端的线路通风系统运行外,其他通风设备均停止运转。即:火灾发生时,车站大、小里程端的风机及火灾发生线路的射流风机开启,其余线路的风阀关闭;车头失火时,向行车方向送风;车尾失火时,逆行车方向送风;风井根据排烟风向调整送排风。

图3和图4分别为丰益桥南站存车线、预留正线火灾时的排烟路径和风速模拟结果。由图3和图4可见,两线路的纵向排烟方案均能满足标准中的风速要求。存车线处失火时,排烟风速v为2.5～3.1 m/s;预留正线失火时,排烟风速v为2.4～2.9 m/s;两线路的最小排烟风速均出现在右侧线路车头失火时,这是由于右侧线路为下坡段,而烟气温度较高,坡度影响了排烟。

a) 右侧存车线车头

a) 右侧预留正线车头

3 横向排烟设计

火灾发生时,通过设置风道和风口吸入烟气并将烟气均匀排出,这种排烟方式被称为横向(半横向)排烟。

终点站存车线和预留正线的大里程端均无直接连接的隧道,小里程端连接着轨行区和车站风机,两配线区域也无乘客疏散问题。因此,终点车站的存车线及预留正线具有采用横向排烟的可行性。

3.1 横向排烟设计要求

GB 51251—2017《建筑防烟排烟系统技术标准》规定:回廊需设置排烟时,机械排烟量按60 m3/(h·m2)计算;除公共建筑、工业建筑中空间净高大于6 m的场所和中厅外,其余每个防烟分区排烟量应按照烟羽流类型,根据火灾热释放速率等参数计算决定。因此,存车线和预留正线在进行横向排烟设计时,排烟量需大于GB 51251—2017中两个排烟量的最大值。烟羽流类型的排烟量计算公式参见文献[11]。

3.2 案例工程横向排烟方案

方案设计时只考虑单个隧道突发火灾的情况。由于预留正线区的面积小于存车线区,所以以存车线区面积作为设计依据。丰益桥南站存车线区面积为2 200 m2,燃烧面到烟层底部的高度取值为3.2 m。采用以上两种计算方式分别计算得到排烟量应为30.2 m3/s和36.7 m3/s,则存车线区域的排烟量应不低于36.7 m3/s。

以实现该排烟量为目标,存车线区横向排烟方案为:在预留正线终点与存车线的交叉区域设置活塞风井;启用车站大小里程端的4台风机作为排烟风机,并在新设置的活塞风井内设置排烟风机,考虑区间漏风、设备排产等不利因素,取风井内排烟风机风量为50 m3/s,风压为900 Pa,风井内风机承担150 m范围内的排烟,车站风机承担车站轨行区、存车线入口150 m范围内的排烟;在存车线区设置轨顶排烟风道,净面积不小于4 m2,排烟风口按50 m间距均匀布置。考虑到远期正线延伸后隧道通风系统的需要,在2条预留正线上分别预留2组(1组2台)射流风机,2组射流风机间距为100 m。远期该预留正线区与隧道正线区的通风排烟方式保持一致,利用通风系统纵向排烟。丰益桥南站存车线及预留正线横向排烟系统示意图如图5所示。

图5 丰益桥南站存车线及预留正线横向排烟系统

3.3 横向排烟方案与纵向排烟方案对比

如采用纵向排烟方案,需设置20台射流风机,设备投资大;设备分散,因此需增加环控电控室用电负荷,需敷设相应的控制电缆,后期管理维护投入较大。如采用横向排烟方案,减少了存车线区中隔墙的建设,增加了轨顶土建风道,土建投资增加;在末端风井增设了1台排烟风机,但节省了12台射流风机,设备少且集中,控制模式简单,后期管理维护量显著变小。由于丰益桥南站存车线及预留正线具有横向排烟条件,且该区域采用横向排烟方案相较于采用纵向排烟方案优点明显。该车站存车线和预留正线最终均选择了横向排烟方案。

4 结语

本文指出了现行标准未明确的地铁终端线路的排烟设计特点,并对地铁终点站存车线和预留正线的纵向排烟方案和横向排烟方案进行了对比研究,应用SES软件对两配线纵向排烟时的风速进行了模拟分析。主要结论为:

1) 终点站的存车线和预留正线采用纵向排烟方案时,可对通过风井、排烟风机和射流风机进行协调设计,使两区域的火灾风速能够满足标准要求,但需要设置较多的射流风机。

2) 终点站的存车线和预留正线的排烟路径与中间站各线路的均不同,实际上具有横向排烟条件;采用横向排烟方案时,建议将末端风井设置在存车线和预留正线的交叉区域,同时在风井内设排烟风机。

3) 相较于纵向排烟方案,终点站的存车线和预留正线采用横向排烟方案能够在满足设计要求的同时,减少设备投资和后期管理维护成本。