張本利/鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司

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SES在地鐵典型區(qū)間環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

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【摘 要】選取兩個(gè)地鐵工程作為分析案列，通過對(duì)該地鐵工程典型區(qū)間環(huán)控設(shè)計(jì)中的土建配合方案和設(shè)備布置位置方案的比選優(yōu)化，簡(jiǎn)要分析了SES模擬在地鐵典型區(qū)間環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。結(jié)果表明借助于SES模擬結(jié)果可以驗(yàn)證所選定的地鐵典型區(qū)間通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)成方案及區(qū)間設(shè)備設(shè)置位置的合理性，優(yōu)化環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，保證地鐵通風(fēng)系統(tǒng)的安全有效運(yùn)行，保障地鐵系統(tǒng)的正常運(yùn)營(yíng)。

【關(guān)鍵詞】SES；地鐵；典型區(qū)間；環(huán)控系統(tǒng)

引言

地鐵具有運(yùn)量大、速度快、無污染以及方便、舒適、準(zhǔn)時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，已成為緩解城市交通壓力、降低環(huán)境污染的首選交通工具[1]。目前在我國(guó)地鐵建設(shè)的快速發(fā)展過程中，地鐵環(huán)境控制問題也越來越引起人們的重視。地鐵環(huán)控系統(tǒng)的目的就是要把車站和區(qū)間隧道的環(huán)境維持在舒適范圍內(nèi)，同時(shí)保證列車的正常運(yùn)行。地鐵中的活塞風(fēng)、列車產(chǎn)熱、顆粒物等污染、噪聲主要來自區(qū)間隧道，而且由于區(qū)間隧道的特殊性和封閉性，當(dāng)列車在區(qū)間在發(fā)生事故時(shí)，必須借助于有效的通風(fēng)排煙措施來保證人員安全疏散。因此區(qū)間環(huán)控系統(tǒng)顯得尤為必要。目前地鐵區(qū)間的活塞風(fēng)特性、機(jī)械通風(fēng)方案、火災(zāi)時(shí)煙氣控制等方面都成為地鐵環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的主要研究?jī)?nèi)容。

地鐵的結(jié)構(gòu)和環(huán)境復(fù)雜性及特殊性決定了地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及計(jì)算需要采用計(jì)算機(jī)輔助模擬計(jì)算來進(jìn)行[2]。地鐵區(qū)間通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中會(huì)有多種可選方案,計(jì)算機(jī)模擬的功能之一就是對(duì)各種方案的比選優(yōu)化。目前國(guó)際常用地鐵環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和模擬軟件為SES軟件,它可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)者所選定的地鐵區(qū)間通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)成方案及系統(tǒng)運(yùn)行模式的合理性,以便完成地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

本文通過兩個(gè)工程案列，簡(jiǎn)要探討了SES軟件在地鐵典型區(qū)間環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

1.SES在地鐵典型區(qū)間環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析

SES地鐵環(huán)境模擬計(jì)算軟件全稱Subway Environment Simulation，是由美國(guó)交通部開發(fā)的，模擬原理是連續(xù)方程及伯努利方程（Bernoulli’s Equation)[3]。SES是用于設(shè)計(jì)、分析地鐵通風(fēng)系統(tǒng)的工具，包括對(duì)常規(guī)通風(fēng)及發(fā)生事故時(shí)通風(fēng)的氣流和溫度的分析。在國(guó)外隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)中，SES模擬計(jì)算軟件得到了廣泛的應(yīng)用，并針對(duì)多個(gè)地鐵系統(tǒng)對(duì)SES模擬計(jì)算軟件進(jìn)行過調(diào)試。SES模擬計(jì)算軟件的有效性已經(jīng)在模型測(cè)試和實(shí)際應(yīng)用中得到驗(yàn)證[4]。

1.1SES在地鐵典型區(qū)間環(huán)控系統(tǒng)土建配合中的應(yīng)用

1.1.1工程概況

該地鐵線全長(zhǎng)59.9km，全部為地下線。在全線中部某一區(qū)間長(zhǎng)度為1084m，車站端部存在停車線，該區(qū)間線路示意圖如圖1所示。

該區(qū)間內(nèi)的停車線和下行線為單洞雙線區(qū)間，在地鐵區(qū)間設(shè)計(jì)時(shí)，土建存在兩種方案，分別是在下行線（左線）和停車線之間設(shè)置隔墻和不設(shè)置隔墻。當(dāng)下行線和停車線之間設(shè)置隔墻時(shí)，下行線的區(qū)間斷面面積均為22.6m2；當(dāng)下行線和停車線之間不設(shè)置隔墻時(shí)，下行線的區(qū)間斷面面積為55.4m2。上行線區(qū)間斷面面積為22.6m2。

圖1　區(qū)間線路圖示意

根據(jù)相關(guān)規(guī)定[5]，當(dāng)列車阻塞在區(qū)間隧道時(shí)，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)向阻塞區(qū)間提供一定的送、排風(fēng)量，保證阻塞處的有效通風(fēng)功能，以保證列車的空調(diào)冷凝器等設(shè)備能正常運(yùn)行。當(dāng)列車在區(qū)間隧道發(fā)生火災(zāi)事故時(shí)，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)保證防災(zāi)排煙及通風(fēng)功能，向乘客、工作人員和消防人員提供必要的新風(fēng)量，形成不小于2m/s的迎面風(fēng)速，誘導(dǎo)乘客安全撤離，并具有有效的排煙功能，避免煙氣的蔓延。

下行線和停車線之間不設(shè)置隔墻時(shí)，該段區(qū)間斷面面積較大，在通風(fēng)量一定的情況下，可能難以達(dá)到火災(zāi)工況下2m/s的臨界排煙風(fēng)速要求，而不設(shè)置隔墻可以減小土建工程量。因此需對(duì)在該區(qū)間發(fā)生阻塞和火災(zāi)時(shí)，下行線區(qū)間內(nèi)的溫度和斷面風(fēng)速情況進(jìn)行模擬分析，比較兩種土建方案的優(yōu)劣，進(jìn)而綜合考慮確定是否需要設(shè)置隔墻。

1.1.2方案SES模擬

該區(qū)間的通風(fēng)方案為車站站端各設(shè)置2 條機(jī)械風(fēng)井，每條風(fēng)井內(nèi)各設(shè)置1 臺(tái)可逆轉(zhuǎn)的隧道風(fēng)機(jī)(TVF) ，其中一臺(tái)TVF風(fēng)機(jī)兼做車站UO排熱風(fēng)機(jī)，單臺(tái)風(fēng)機(jī)最大風(fēng)量為60 m3/s，在該區(qū)間的左右線各設(shè)置兩組射流風(fēng)機(jī)，每組兩臺(tái)，射流風(fēng)機(jī)最大風(fēng)量42120m3/h，推力437N，全線同一時(shí)間只考慮一個(gè)事故點(diǎn)，隧道風(fēng)機(jī)和射流風(fēng)機(jī)布置如圖2所示。

圖2　風(fēng)機(jī)布置示意圖

風(fēng)機(jī)運(yùn)行模式為：當(dāng)列車在下行區(qū)間發(fā)生阻塞時(shí)，B車站大里程和小里程端機(jī)械風(fēng)井內(nèi)的2 臺(tái)TVF 風(fēng)機(jī)并聯(lián)送風(fēng)，A車站大里程和小里程端機(jī)械風(fēng)井內(nèi)的2 臺(tái)TVF 風(fēng)機(jī)并聯(lián)排風(fēng)，關(guān)閉A、B兩站UO(排熱)風(fēng)機(jī)，射流風(fēng)機(jī)由B站向A站方向送風(fēng)；列車頭部區(qū)域著火時(shí)，B車站大里程和小里程端機(jī)械風(fēng)井內(nèi)的2 臺(tái)TVF 風(fēng)機(jī)并聯(lián)送風(fēng)，A車站大里程和小里程端機(jī)械風(fēng)井內(nèi)的2 臺(tái)TVF 風(fēng)機(jī)并聯(lián)排風(fēng)，關(guān)閉A、B兩站UO(排熱) 風(fēng)機(jī)，射流風(fēng)機(jī)由B站向A站方向送風(fēng)；列車尾部區(qū)域著火時(shí)，B車站大里程和小里程端機(jī)械風(fēng)井內(nèi)的2 臺(tái)TVF 風(fēng)機(jī)并聯(lián)排風(fēng)，A車站大里程和小里程端機(jī)械風(fēng)井內(nèi)的2 臺(tái)TVF 風(fēng)機(jī)并聯(lián)送風(fēng)，關(guān)閉相鄰兩站UO(排熱) 風(fēng)機(jī)，射流風(fēng)機(jī)由A站向B站方向送風(fēng)。圖3和圖4分別是下行線線和停車線之間不設(shè)置隔墻和設(shè)置隔墻時(shí)的通風(fēng)示意圖。

圖3　左線和停車線之間不設(shè)置隔墻

圖4　左線和停車線之間設(shè)置隔墻

根據(jù)風(fēng)機(jī)運(yùn)行模式，分別對(duì)列車在下行區(qū)間發(fā)生阻塞，車頭區(qū)域著火，車尾區(qū)域著火三種工況時(shí)，區(qū)間的溫度和風(fēng)速進(jìn)行情況模擬，模擬結(jié)果如表1所示。

表1　SES模擬結(jié)果

1.1.3模擬結(jié)果分析

在現(xiàn)有通風(fēng)方案情況下，對(duì)下行線和停車線之間設(shè)置隔墻和不設(shè)置隔墻的兩種土建方案進(jìn)行了分析比較。根據(jù)SES模擬結(jié)果，在設(shè)置隔墻時(shí)，阻塞工況下區(qū)間的溫度略微高于不設(shè)置隔墻情況的區(qū)間溫度，而在火災(zāi)工況下區(qū)間風(fēng)速大于不設(shè)置隔墻的區(qū)間情況下的區(qū)間風(fēng)速；下行線和停車線之間設(shè)置隔墻和不設(shè)置隔墻，當(dāng)列車在該區(qū)間發(fā)生事故時(shí)，均可以滿足阻塞工況下的溫度要求和火災(zāi)工況通風(fēng)排煙臨界風(fēng)速要求。因此兩種方案都是可取的，但是從線路和土建條件，以及安全、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)上綜合比較投資，下行線線和停車線之間不設(shè)置隔墻的方案是最優(yōu)方案，可以減少土建工程量，節(jié)省建設(shè)投資。

1.2SES在地鐵典型區(qū)間環(huán)控系統(tǒng)設(shè)備布置位置中的應(yīng)用

1.2.1工程概況

該工程為某地鐵的延伸線工程，共一站一區(qū)間，為地下站，A站為該地鐵線路的起始站，區(qū)間長(zhǎng)度1198m，該區(qū)間線路示意圖如圖5所示。

圖5　區(qū)間線路示意圖

在該區(qū)間中部各有一條停車線分別與上下行線相連。該區(qū)間環(huán)控系統(tǒng)通風(fēng)方案為，在上下行線分別設(shè)置兩組射流風(fēng)機(jī)，每組兩臺(tái)，上下行線的一組射流風(fēng)機(jī)設(shè)置在斷面A處（圖5），另外一組射流風(fēng)機(jī)設(shè)置在上下行線的斷面B或者斷面C處（圖5），B處斷面面積為25m2，C處斷面面積為44.97m2。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的施工條件，由于B處有其他設(shè)備和管線，高度和空間有限，造成射流風(fēng)機(jī)安裝受到限制，而C處則斷面面積較大。射流風(fēng)機(jī)分別安裝在B和C斷面處，當(dāng)列車在該區(qū)間發(fā)生阻塞和火災(zāi)時(shí)，是否可以滿足規(guī)定溫度和風(fēng)速要求，需要進(jìn)行分析研究，從而再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，綜合考慮確定射流風(fēng)機(jī)的最優(yōu)安裝位置。因?yàn)樵搮^(qū)間內(nèi)停車線存在區(qū)段的斷面面積最大，此處發(fā)生火災(zāi)時(shí)，人員疏散要求的2.0m/s臨界風(fēng)速也最難到達(dá)，為最不利點(diǎn)，因此假設(shè)列車在該段區(qū)間內(nèi)發(fā)生事故。

1.2.2方案模擬

該區(qū)間的通風(fēng)方案為車站大里程和小里程站端各設(shè)置2 條機(jī)械風(fēng)井，每條風(fēng)井內(nèi)各設(shè)置1 臺(tái)可逆轉(zhuǎn)的隧道風(fēng)機(jī)(TVF)，單臺(tái)風(fēng)機(jī)的最大風(fēng)量為60 m3/s，在該區(qū)間的上下行線各設(shè)置的兩組射流風(fēng)機(jī)，單臺(tái)射流風(fēng)機(jī)最大風(fēng)量42120m3/h，推力437N，全線同一時(shí)間只考慮一個(gè)事故點(diǎn)。圖6和圖7分別是射流風(fēng)機(jī)設(shè)置在斷面B和斷面C處時(shí)的區(qū)間通風(fēng)示意圖。

風(fēng)機(jī)運(yùn)行模式為：當(dāng)列車在停車線區(qū)段發(fā)生阻塞時(shí)，后方車站大里程和小里程端機(jī)械風(fēng)井內(nèi)的2臺(tái)TVF 風(fēng)機(jī)并聯(lián)送風(fēng)，前方車站大里程和小里程端機(jī)械風(fēng)井內(nèi)的2臺(tái)TVF 風(fēng)機(jī)并聯(lián)排風(fēng)，關(guān)閉相鄰兩站UO(排熱) 風(fēng)機(jī)，列車行駛線路上的兩組射流風(fēng)機(jī)由后方車站向前方車站方向送風(fēng)；列車頭部區(qū)域著火，后方車站大里程和小里程端機(jī)械風(fēng)井內(nèi)的2臺(tái)TVF 風(fēng)機(jī)并聯(lián)送風(fēng)，前方車站大里程和小里程端機(jī)械風(fēng)井內(nèi)的2臺(tái)TVF 風(fēng)機(jī)并聯(lián)排風(fēng)，關(guān)閉相鄰兩站UO(排熱) 風(fēng)機(jī)，列車行駛線路上的兩組射流風(fēng)機(jī)由后方車站向前方車站方向送風(fēng)；列車尾部區(qū)域著火，后方車站大里程和小里程端機(jī)械風(fēng)井內(nèi)的2臺(tái)TVF 風(fēng)機(jī)并聯(lián)排風(fēng)，前方車站大里程和小里程端機(jī)械風(fēng)井內(nèi)的2臺(tái)TVF 風(fēng)機(jī)并聯(lián)送風(fēng)，關(guān)閉相鄰兩站UO(排熱) 風(fēng)機(jī)，列車行駛線路上的兩組射流風(fēng)機(jī)由前方車站向后方車站方向送風(fēng)。

圖6　射流風(fēng)機(jī)布置在斷面B處

圖7　射流風(fēng)機(jī)布置在斷面C處

表2　SES模擬結(jié)果

1.2.3結(jié)果分析

利用SES軟件分別對(duì)射流風(fēng)機(jī)設(shè)置在上下行線區(qū)間斷面B和斷面C時(shí)，區(qū)間的溫度和風(fēng)速情況進(jìn)行模擬分析,根據(jù)表2的模擬結(jié)果可知兩種方案，當(dāng)列車在該區(qū)間發(fā)生阻塞和火災(zāi)時(shí)，均可以滿足阻塞工況下的溫度要求和火災(zāi)工況通風(fēng)排煙臨界風(fēng)速要求。當(dāng)射流風(fēng)機(jī)設(shè)置在斷面B處時(shí),在列車發(fā)生阻塞時(shí),區(qū)間斷面風(fēng)速高于射流風(fēng)機(jī)設(shè)置在斷面C處的風(fēng)速,區(qū)間溫度則低于后一種方案,當(dāng)列車在該區(qū)間發(fā)生火災(zāi)時(shí),通風(fēng)排煙風(fēng)速也高于射流風(fēng)機(jī)設(shè)置在斷面C處時(shí)的風(fēng)速。即從保證事故工況情況下區(qū)間溫度和通風(fēng)排煙臨界風(fēng)速角度考慮，將射流風(fēng)機(jī)設(shè)置在斷面B處是最佳方案。但是從射流風(fēng)機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)安裝施工條件以及以后的檢修維護(hù)方面綜合考慮，將射流風(fēng)機(jī)設(shè)置在C處是最優(yōu)方案。

2　結(jié)論

借助于SES模擬可以對(duì)地鐵典型區(qū)間通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的多種可選方案進(jìn)行比選優(yōu)化，驗(yàn)證設(shè)計(jì)者所選定的地鐵典型區(qū)間通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)成方案及系統(tǒng)運(yùn)行模式的合理性,完成如土建配合和設(shè)備安裝位置優(yōu)化等地鐵典型區(qū)間環(huán)控系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)。達(dá)到優(yōu)化環(huán)控系統(tǒng)方案，保證地鐵通風(fēng)系統(tǒng)的有效運(yùn)行，進(jìn)而保障地鐵系統(tǒng)的正常安全運(yùn)行。

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根據(jù)風(fēng)機(jī)運(yùn)行模式，分別對(duì)列車在上下行區(qū)間發(fā)生阻塞，車頭區(qū)域著火，車尾區(qū)域著火三種工況時(shí)，區(qū)間的溫度和風(fēng)速進(jìn)行情況模擬，模擬結(jié)果如表2所示。

作者簡(jiǎn)介：張本利，鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，助理工程師