摘  要: 地铁过长江隧道长度长、截面小，一旦发生火灾，烟气很难迅速排出，极易造成群死群伤的灾难性后果。结合南京地铁 10 号线过长江隧道的结构特点，通过分析其通风排烟的需求，设计了一种不同于常规隧道烟气控制系统的通风排烟方案，并利用 FDS 模拟软件对该方案进行辅助设计和有效性论证。

关键词: 地铁; 隧道; 烟气控制

 

      由于地铁运行于地面以下，对雪灾和冰雹等灾害的抵御能力较强，但对火灾、地震和水灾等灾害的抵御能力相对较弱，一旦火灾发生，极易造成群死群伤的灾难性后果。1987 年 11 月 18 日，英国伦敦地铁 King’s Cross 站发生的火灾，导致了 31 人死亡。1995 年发生在阿塞拜疆巴库的地铁火灾更是造成了 558 人死亡，269 人受伤的重大事故。

      由于地铁对外连通的口部相对较少，一旦发生火灾，浓烟不仅很难自然排出，还会迅速蔓延充满整个隧道，给人员疏散和灭火救 援工作带来极大的困难。1969 年11月11日，北京地铁因电气故障造成电气机车发生火灾，由于排烟设备不完善，未能形成有组织的排烟而使得烟气四处扩散蔓延并从口部逸出，严重影响了人员疏散和消防救援，多人被烟气熏倒，造成 200多人中毒受伤。

      为了在发生火灾事故时能及时、有效地控制和排除火灾烟气，为人员逃生提供足够的可用安全疏散时间，为消防救援提供有利条件，地铁设计中烟气控制系统的设计尤为必要。

      国内常规隧道通风排烟系统主要有全横向式通风、半横向式通风和纵向式通风三种方式。

      全横向通风排烟方式同时具有送风和排风的风机和风道( 见图 1) ，分别对隧道送风和排风，形成沿隧道横断面流动的通风气流，这样，烟气沿隧道纵向流动不太长的距离就可被排出。全横向式可有效缩短烟气的纵向流动距离，减少烟气的危害范围，但施工难度大，施工成本高。

      半横向通风排烟系统是从全横向通风排烟系统演化而来的，它是由于全横向通风排烟系统造价太高而采取的一种折中的处理方法。根据送风和排风方式的不同，半横向式通风方式又可分为送风半横向型和排风半横型向两种( 见图 2) 。送风半横向型的送风系统设置与全横向型一致，但不设置排烟系统，通过隧道的出、入口排出烟气; 而排风半横向方式的排风系统设置与全横向型一致，但不设置送风系统，通过隧道的出、入口送风。

      纵向通风排烟系统的特点是造成烟气沿着隧道纵向流动( 见图 3) 。射流风机的启动使空气从隧道的一端进入，并驱使烟气从另一端流出。我国已建成的长隧道大都采用这种系统，但相关模拟试验结果表明，纵向排烟系统的排烟效果并不很理想，而且由于风机的功率通常较大，隧道内风速较大，这样对利用灭火器扑灭初期火灾的效果极其不利，而且纵向排烟方式的烟气会在隧道内纵向流动较长距离，车行的方向即是排烟的方向，这种排烟方式会加快火灾蔓延。

      根据《南京市城市总体规划( 2007 ～ 2030) 》中轨道交通规划篇所述，到 2030 年止，南京市轨道交通线网将由 17 条轨道交通线共同构成，轨道长度总计达617 km 。

      目前，10号线已经获得建造批准，总长约21．6 km。这条地铁线路包含第一条穿越长江的隧道区间，将成为南京市沟通长江南北区域交通的重要交通方式。图4为南京地铁 10 号线过江段平面缩图，滨江大道站至江心洲站过长江隧道区间长度为 4 546 m。

      南京地铁 10 号线过江隧道内径为 10. 2 m，区间长度为 4 546 m，其中穿江面长度约 1 900 m，为典型的长度长、截面小的空间，它既不同于两侧有开口的较短的一般区间隧道，又不同于顶部可开口的公路隧道，显然上面所述的三种通风排烟方式都不太适合。那么如何选择合适的排烟方式，对过江隧道超长空间进行有效地烟气控制，成为过江隧道消防设计的重要内容之一。

 

      笔者拟采用一种国内较少应用的新的通风排烟模式———烟道纵向排烟模式( 见图 5) 。

      由排烟风井、排烟风道和排烟口相结合组成。主要理念是在合适的纵向送风风速和排烟风速的共同作用下，通过控制使得烟气通过隧道上方的专用排烟风道排出，使火灾烟气只影响火源与前方排烟口之间的小范围区域，而使火源上游和排烟口下游区域免受烟气影响。

      合理设置南京地铁 10 号线过江隧道区间排烟风井可以缓解区间隧道长度过长对通风、排烟和疏散造成的不利影响。

      GB 50157 － 2003《地铁设计规范 》( 以下简称《地铁规》) 第 12． 2． 7 条规定，当需要设置区间通风井时，通风井应设置于区间隧道长度 1 /2 处，在困难情况下，其位置可移至距站台端部的距离不小于该区间隧道长度的 1 /3 处，但该距离不宜小于 400 m。参考规范要求，结合过江隧道地段特征，排烟风井拟设于长江北岸，滨江大道站东侧，纬七路隧道南侧，浦口制水厂西侧。排烟风井向东距离江心洲站约 3． 6 km，向西距离滨江大道站约 530 m，见图 4。

      本次过江段结构施工方案拟采用内径 10. 2 m 的大圆盾构隧道，可利用隧道顶部空间设置一条排烟风道，该风道从江心洲站北端的事故 /活塞风道开始，到江 北的排烟风井结束，排烟风道截面面积约为10. 81 m²( 见图 6) 。

      根据行车运行图，正常运营工况下，江心洲站到江北中间风井存在两列车，但是当前部列车失火时，理论上第三列车还未发车，但是由于报警及操控方面需要一定的时间，特殊情况下第三列车可能已进入区间隧道内，因此火灾时，江心洲———江北排烟风井的区间隧道内可能存在三列车。

      从即经济又有效的原则出发，以在区间中部设 2组排烟口的三段式设计方案为基础进行研究。即在区间隧道距江北中间风井 1 200 m 及 2 400 m 处对应上下行线各设置一处电动排烟口，将长江隧道的通风分成三个区段，这样可以做到控制一个通风区段只有一列车运行，在阻塞或者火灾时，可以组织起较有效的通风排烟。

      通风排烟量参考《地铁规》第 19． 1． 40 条规定的“间隧道断面的排烟流速不小于 2 m/s，并规定上限不得超过 11 m/s”设定，区间隧道断面事故通风风速暂定为 2 ～ 2． 5 m/s，烟道排烟速度为 6 m/s 或排烟量为90 m³/ h，并通过模拟分析其效果优劣，为最终排烟方案排烟量的设计提供依据。

 

      本章通过 CFD 场模拟的方法模拟烟气在典型场景下的流动情况，分析烟气控制系统的性能，确定最终的过长江隧道烟气控制系统方案。

      由于地铁隧道内行走的是承载有大量乘客的列车，保证火灾条件下乘客安全撤离是隧道设计首要考虑的目标，在隧道内设置防排烟措施的目的，就是为了给隧道内人员疏散和消防施救提供有利条件，因此，在考察火灾烟气的危害性时，主要从对人员的影响方面考虑，安全性判定标准( 见表 1) 。

      根据城市轨道交通车辆的可燃烧物总量，车辆专业参照国内其他城市数据，列车火灾发热量按 Qc =7. 5 MW 考虑 ( 每节车厢发热量按 5 MW 计，并考虑1. 5 倍安全系数) ，对应达到该最大热释放速率峰值的时间为 399． 4 s。

      排烟口将江心洲站———中间风井区间共分成了a，b，c 三个通风排烟区段。下面以左线车头火灾为例进行火灾事故工况分析。

      ( 1) 通风区段 a 处左线车头火灾。当列车在通风区段 a 处左线车头发生火灾时，此时应保持江心洲站排烟风机的正常运行，开启该站两端各 1 台隧道风机对左线隧道进行排风，开启中间风机与滨江大道站左端各 1 台隧道风机对事故隧道进行送风，滨江大道站排烟风机关闭，通风示意图( 见图 7) 。

      ( 2) 通风区段 b 处左线车头火灾。当列车在通风区段 b 处左线车头发生火灾时，此时应保持江心洲站排烟风机的正常运行，开启该站左端一台隧道风机对左线隧道进行排风，开启列车前方事故风道电动风口进行排烟，开启江心洲站右端与中间风井内各一台隧道风机通过排烟道将烟气排出，关闭滨江大道站排烟风机，开启该站两端各一台隧道风机进行送风，通风示意图( 见图 8) 。

      ( 3) 通风区段 c 处左线车头火灾。当列车在通风区段 c 处左线车头发生火灾时，此时应保持江心洲站排烟风机的正常运行，同时开启该站左端一台隧道风机对左线隧道进行排风，开启列车前方事故风道电动风口进行排烟，开启江心洲站右端与中间风井内各一台隧道风机通过排烟道将烟气排出，关闭滨江大道站排烟风机，开启该站两端各一台隧道风，通风示意图( 见图 9) 。

      基于上述事故工况分析，本文假设火灾位置位于列车端部，根据不同的风机工作状况、排烟口间距，本文设置火灾场景( 见表 2) 。

      本文采用美国国家标准技术研究院( NIST) 研究开发的火灾动力 学 场 模 型 软 件 FDS ( Fire DynamicsSimulator) 作为分析手段，版本号为 5． 4。

      主要假设条件如下: 流场的初始状态为静止，初始的隧道内部与外部温度相同为 20℃ ，压力为 1 个标准大气压; 疏散平台一侧车厢门处于开启状态，仅考虑着火车厢玻璃破裂时间对烟气蔓延的影响; 隧道隔墙防火门为关闭状态; 通风气流和烟气均视为理想气体; 忽略人员的运动对气流的扰动; 不考虑排烟口漏风的影响。

      通过对上述 7 个火灾场景的火灾烟气运动模拟计算分析，得到各个火灾场景下火灾产生的烟气温度、环境能见度等因素达到影响人员安全疏散时的时间。结果汇总如表 3。

      根据模拟计算结果可以看出:

      ( 1) 完全自然通风( A 场景) 和只排不送的半横向式通风方式( C 场景) ，隧道内各段都是不安全的;

      ( 2) 烟道纵向排烟模式时，火源上游和排烟口下游区域在计算时间内都是安全的，火源下游区域危险来临时间是受送风风速和排烟口间距影响;

      综上所述，南京地铁 10 号线过长江隧道区间的通风排烟采用烟道纵向排烟模式比较适合，可实现火源上游区域和排烟口下游区域免受烟气影响。

      为保证火源上游区域人员的安全，行车道内纵向风速以设为 2． 5 m/s 为宜; 为阻止烟气越过排烟口向下游蔓延，排烟道内排烟风速以设为 6 m/s 为宜。为保证有效排烟效果和延长危险来临时间，排烟口间距宜选取为 300 m。

 

［1］ GB 50157 － 2003，地铁设计规范［S］．

［2］ 范维澄，孙金华，陆守香，等． 火灾风险评估方法学［M］．北京: 科学出版社，2004．

［3］ 胡隆华． 隧道火灾烟气蔓延的热物理特性研究［D］． 合肥: 中国科技大学，2006．

［4］ 刘翌杰，喻伟． 浅谈地铁隧道中通风排烟存在的问题及对策［J］． 山西建筑，2008( 19) ．

［5］ 霍然，等． 性能化建筑防火分析与设计［M］． 合肥: 安徽科技出版社，2005．