強(qiáng)士盎

（1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043；2. 陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院)，西安 710043）

1 研究背景

地鐵通常由若干個(gè)車站以及與車站相連的區(qū)間構(gòu)成，上、下行區(qū)間通過車站、區(qū)間之間的聯(lián)絡(luò)通道或區(qū)間配線互相連通，構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的氣流流通網(wǎng)絡(luò)[1]。地鐵系統(tǒng)的通風(fēng)，目前通常的設(shè)計(jì)是在車站(區(qū)間)的兩端設(shè)置隧道風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，為區(qū)間隧道事故或正常通風(fēng)時(shí)服務(wù)。

為了滿足隧道通風(fēng)要求和便于運(yùn)營(yíng)管理，隧道通風(fēng)機(jī)房一般都布置在車站的兩端。由于地下區(qū)間隧道較長(zhǎng)，所以有可能需要在區(qū)間中部設(shè)置區(qū)間風(fēng)井。在什么情況下需要設(shè)置區(qū)間風(fēng)井，目前相關(guān)的地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)均沒有明確的規(guī)定。

《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》第13.2.10 條規(guī)定：“當(dāng)需要設(shè)置區(qū)間風(fēng)道時(shí)，通風(fēng)道應(yīng)設(shè)于區(qū)間隧道長(zhǎng)度的1/2 處，在困難情況下，其距車站站臺(tái)端部的距離可移至不小于該區(qū)間隧道長(zhǎng)度的1/3 處，但不宜小于400 m?！钡?8.4.7 條第1 款規(guī)定：“當(dāng)區(qū)間隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，應(yīng)背著乘客主要疏散方向排煙，迎著乘客疏散方向送新風(fēng)。”[2]

《地鐵設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》第8.3.4 條規(guī)定：“兩座車站之間正常同時(shí)存在兩列或兩列以上列車同向運(yùn)行的地下區(qū)間，排煙時(shí)應(yīng)能使非著火列車處于無煙區(qū)。”[3]

《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》在第13.2.10 條的條文解釋中提出：“是否設(shè)置區(qū)間通風(fēng)道，應(yīng)根據(jù)每條線路的具體情況決定”[2]。有些設(shè)計(jì)者認(rèn)為，當(dāng)兩個(gè)車站之間距離(區(qū)間長(zhǎng)度)超過2 km 或2.4 km 時(shí)，需考慮設(shè)置區(qū)間風(fēng)井；有些人認(rèn)為，區(qū)間兩端(靠近車站端部)的活塞風(fēng)孔之間的列車走行時(shí)間大于2 min 時(shí)，需設(shè)置區(qū)間風(fēng)井；還有些人認(rèn)為，相鄰的兩個(gè)車站之間(站中心至站中心)列車走行時(shí)間大于2 min 時(shí)，需設(shè)置區(qū)間風(fēng)井?？梢?，關(guān)于區(qū)間風(fēng)井的設(shè)置與否爭(zhēng)議較多。

本研究提供一種基于行車模擬牽引計(jì)算、在一定研究前提條件下確定較長(zhǎng)地下區(qū)間是否設(shè)置中間風(fēng)井的理論研究方法，并明確設(shè)置區(qū)間風(fēng)井的最小站間距臨界值，為相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的設(shè)計(jì)者、決策者及地鐵運(yùn)營(yíng)單位提供參考。

2 研究重點(diǎn)確定

地鐵內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，通常認(rèn)為列車在區(qū)間隧道內(nèi)著火比在車站著火要危險(xiǎn)得多[4]。區(qū)間火災(zāi)發(fā)生后，疏散方式分為兩種：繼續(xù)運(yùn)行疏散和停車疏散。根據(jù)高速鐵路隧道防災(zāi)的基本原則、地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范等要求，凡是能繼續(xù)運(yùn)行的，應(yīng)盡量將著火列車駛?cè)肭胺秸九_(tái)(或者駛出隧道)進(jìn)行人員疏散。只有在列車由于動(dòng)力系統(tǒng)失效或其他原因不得不停車時(shí)，才需要停車疏散。因此，在單側(cè)區(qū)間隧道內(nèi)有兩列車運(yùn)行且有一列車起火停車疏散時(shí)為不利情況，屬于研究重點(diǎn)[5-9]。按照火災(zāi)發(fā)生的位置，分為前車車尾著火、前車車頭著火、后車車尾著火、后車車頭著火等情況，如圖1 所示。

后車著火疏散時(shí)，對(duì)前車影響較小，前車盡快遠(yuǎn)離后車即可；前車著火疏散時(shí)，尤其是前車車尾著火停車疏散時(shí)，后車距離著火列車最近，為最不利情況。

圖1 火災(zāi)發(fā)生位置示意Fig. 1 Location of the fire

本研究利用行車模擬牽引計(jì)算軟件，在給定一些前提的條件下，通過分析最不利情況下(即前車車尾著火)單側(cè)隧道內(nèi)兩列車的相對(duì)位置關(guān)系，以確定該區(qū)間是否需要設(shè)置區(qū)間風(fēng)井。

3 風(fēng)井設(shè)置研究

3.1 研究的前提條件

1) 車輛選型及列車編組：鋼輪鋼軌B 型車，初、近、遠(yuǎn)期均為6 輛編組，動(dòng)力配置為4 動(dòng)2 拖，列車長(zhǎng)度120 m。

2) 列車運(yùn)行速度：最大速度按80 km/h 考慮，列車正常速度按75 km/h 考慮[10]。

3) 最小行車間隔：按2 min 考慮。

4) 列車信息系統(tǒng)更新間隔時(shí)間：3～5 s，本次按3 s 系統(tǒng)刷新時(shí)間核算，即3 s 后后車才能收到前車故障信息。

5) 車輛啟制動(dòng)參數(shù)：平均加速度(0～80 km/h)約0.6 m/s2，平均加速度(0～40 km/h)約1.0 m/s2，常用制動(dòng)平均減速度(80～0 km/h)為1.0 m/s2。

根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50157—2013)中第3.3.6條：“正常情況下，計(jì)算啟動(dòng)加速度、制動(dòng)減速度不宜大于最大加速度、常用減速度的90%，且計(jì)算列車啟、制動(dòng)加速度均不大于0.9 m/s2”[2]，本次模擬牽引計(jì)算列車參數(shù)取值：平均加速度(0～80 km/h)約0.6 m/s2，平均加速度(0～40 km/h)約0.9 m/s2，常用制動(dòng)平均減速度(80～0 km/h)為0.9 m/s2。

6) 區(qū)間兩端(站端)活塞風(fēng)孔位置：站端活塞風(fēng)孔位置按B 型車6 輛編組標(biāo)準(zhǔn)站考慮，一般小端距離站中心60～70 m，大端距離站中心90～100 m。本次研究設(shè)定區(qū)間兩端均為大端，風(fēng)孔中心距離站中心均為100 m，設(shè)定風(fēng)孔大小為邊長(zhǎng)4 m 的正方形。

7) 線路平縱條件：線路平面，設(shè)定線路平面條件較好、無限速小半徑曲線；線路縱斷面，設(shè)定站坪坡為2‰，出站為20‰的300 m下坡，進(jìn)站為20‰的300 m上坡，中間為10‰的上、下坡，長(zhǎng)度均分。站間距設(shè)定為2.5 km，活塞風(fēng)孔位置及線路縱斷面如圖2 所示。

圖2 活塞風(fēng)孔位置及線路縱斷面Fig. 2 Piston wind hole position and line profile

3.2 區(qū)間風(fēng)井設(shè)置

3.2.1 是否設(shè)置區(qū)間風(fēng)井的判定標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)列車因火災(zāi)失去動(dòng)力停在地下區(qū)間時(shí)，需利用隧道通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)火災(zāi)區(qū)間送風(fēng)和排煙。通風(fēng)系統(tǒng)要確保煙氣排除方向與多數(shù)乘客的疏散方向相反。車尾著火的前車在區(qū)間停車疏散時(shí)，乘客向列車運(yùn)行方向疏散，需利用前車運(yùn)行前方的站端風(fēng)孔迎著乘客疏散方向送風(fēng)，即向后車所在區(qū)間方向送風(fēng)，同時(shí)利用后車車頭前方鄰近的車站活塞風(fēng)風(fēng)孔排煙；若后車車頭侵入或越過后車車頭前方鄰近的車站活塞風(fēng)風(fēng)孔，則后車將處于有煙區(qū)，會(huì)給后車乘客帶來危險(xiǎn)。車尾著火的前車剛好尾部越過站端風(fēng)孔停車疏散時(shí)，為該種送風(fēng)排煙模式的最極端情況，也是最不利情況。

本研究采用的模擬牽引計(jì)算軟件為北京交通大學(xué)研發(fā)的城市列車運(yùn)行計(jì)算系統(tǒng)，在給定的研究前提條件及站間距條件下，依托牽引計(jì)算軟件及CAD 畫圖軟件，按照車尾著火的前車剛好尾部越過站端風(fēng)孔停車疏散時(shí)的最不利條件，檢算后車車頭位置，若后車車頭侵入或越過后車車頭前方鄰近的車站活塞風(fēng)風(fēng)孔，則認(rèn)為需要設(shè)置區(qū)間風(fēng)井。

3.2.2 區(qū)間風(fēng)井設(shè)置的研究方法及結(jié)果

按照既定的研究前提條件，利用城市列車運(yùn)行計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)行兩次模擬牽引計(jì)算，一次為兩站間列車正常運(yùn)營(yíng)，一次為前車故障運(yùn)營(yíng)，將兩次模擬計(jì)算輸出的速度-距離-時(shí)間曲線疊加在同一個(gè)CAD 圖中(見圖3)。

圖3 火災(zāi)狀態(tài)下列車與風(fēng)孔的相對(duì)位置關(guān)系(最高限速80 km/h)Fig. 3 The relative position of trains and wind holes in the fire situation (maximum speed of 80km/h)

在CAD 圖中，首先利用時(shí)間曲線，找出前車故障停車后后車的位置(位置2)，然后再找出3 s 后后車的位置(位置3)及速度，此位置及速度為后車接收到前車故障信息后開始制動(dòng)停車的位置及速度，最后根據(jù)既定的相關(guān)制動(dòng)參數(shù)，計(jì)算出后車的停車位置(位置4)。根據(jù)后車停車位置進(jìn)行區(qū)間風(fēng)井設(shè)置與否的分析。

以給定站間距2.5 km 為例，分析如下：若前行列車發(fā)生火災(zāi)后，列車尾部運(yùn)行至乙站風(fēng)孔(CK2+050)位置1 停車，此時(shí)后行列車中心在位置2(CK0+278)，速度為49.00 km/h。根據(jù)信號(hào)專業(yè)提供的列車信息，系統(tǒng)更新間隔時(shí)間為3～5 s，本次按3 s 系統(tǒng)刷新時(shí)間核算(即3 s 后才能收到前車故障信息)，3 s 后后行列車中心運(yùn)行至位置3(CK0+322)，速度為55.51 km/h，在該處后行列車檢測(cè)到隧道區(qū)間阻塞后制動(dòng)停車，實(shí)施常用制動(dòng)停車后，后車中心停在位置4(CK0+454)，位置4 列車位于兩個(gè)風(fēng)孔之間，列車頭部(CK0+514)已越過甲站風(fēng)孔(CK0+250)約264 m，兩站活塞風(fēng)孔之間存在兩列車，甲、乙兩站間需設(shè)置區(qū)間風(fēng)井。

3.2.3 設(shè)置區(qū)間風(fēng)井的站間距臨界值

按照上述方法，計(jì)算不同站間距、不同最高限速條件下列車與風(fēng)孔的相對(duì)位置關(guān)系，結(jié)果如表1 所示。

表1 火災(zāi)狀態(tài)下列車與風(fēng)孔的相對(duì)位置關(guān)系Tab. 1 Relative position relationship between trains and wind holes in the state of fire

由表1 可見，在給定的研究前提條件下，最高限速為80 km/h、站間距為2.2 km，車尾著火的前車剛好尾部越過乙站站端風(fēng)孔停車疏散時(shí)，后車已啟動(dòng)，且后車車頭剛好越過甲站站端風(fēng)孔，需設(shè)置區(qū)間風(fēng)井；最高限速為75 km/h、站間距為2.1 km，車尾著火的前車剛好尾部越過乙站站端風(fēng)孔停車疏散時(shí)，后車已啟動(dòng)，但后車車頭剛好未侵入甲站站端風(fēng)孔，無需設(shè)置區(qū)間風(fēng)井。2.2、2.1 km 站間距為設(shè)置區(qū)間風(fēng)井的最小站間距臨界值，速度越低，設(shè)置區(qū)間風(fēng)井對(duì)應(yīng)的站間距的臨界值就越小。

4 有關(guān)問題探討

目前，相當(dāng)一部分地鐵設(shè)計(jì)者認(rèn)為，當(dāng)一個(gè)區(qū)間兩端風(fēng)孔之間的列車走行時(shí)間大于2 min 時(shí)，需考慮設(shè)置區(qū)間風(fēng)井，根據(jù)本研究區(qū)間風(fēng)井設(shè)置的理論及方法，在本次給定的研究前提條件下，不同站間距對(duì)應(yīng)的區(qū)間(站中心至站中心)走行時(shí)間及區(qū)間兩端風(fēng)孔間走行時(shí)間如表2 所示。

表2 區(qū)間走行時(shí)分及站端風(fēng)孔間走行時(shí)分Tab. 2 Traveling time of the train between two sections of the line and that of the train going through the wind holes at the ends of the station

由表2 可見，在給定的研究前提條件及需設(shè)置區(qū)間風(fēng)井的判定標(biāo)準(zhǔn)下，當(dāng)最高限速為80 km/h、站間距大于等于2.2 km 時(shí)，需考慮設(shè)置區(qū)間風(fēng)井，但2.2～2.5 km 站間距條件下，區(qū)間兩端風(fēng)孔間列車走行時(shí)間均未大于120 s；最高限速為75 km/h、站間距大于2.1 km 時(shí)，需考慮設(shè)置區(qū)間風(fēng)井，但2.1～2.5 km 站間距條件下區(qū)間兩端風(fēng)孔間列車走行時(shí)間也均未大于120 s。故筆者認(rèn)為，“當(dāng)一個(gè)區(qū)間兩端的風(fēng)孔之間的列車走行時(shí)間大于2 min 時(shí)需設(shè)置區(qū)間風(fēng)井”的觀點(diǎn)不盡合理。這種觀點(diǎn)將列車看成了一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，忽略了列車長(zhǎng)度，忽略了火災(zāi)狀態(tài)下區(qū)間追蹤列車之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，放大了設(shè)置區(qū)間風(fēng)井的最小站間距臨界值。

還有一部分地鐵設(shè)計(jì)者認(rèn)為，當(dāng)一個(gè)區(qū)間兩端車站站中心間的列車走行時(shí)分大于2 min 時(shí)，需考慮設(shè)置區(qū)間風(fēng)井。根據(jù)表2，筆者認(rèn)為此說法相對(duì)可靠，比“風(fēng)孔論”誤差要小，但忽略了站端風(fēng)孔位置與站中心的相對(duì)位置關(guān)系，有可能縮小了設(shè)置區(qū)間風(fēng)井的最小站間距臨界值。

5 結(jié)語(yǔ)

1) 本研究提出一種新的方法，利用行車模擬牽引計(jì)算的輸出結(jié)果，對(duì)地鐵隧道區(qū)間風(fēng)井的設(shè)置進(jìn)行理論計(jì)算與分析，但地鐵線路地下區(qū)間中間風(fēng)井的設(shè)置與否，與列車參數(shù)、火災(zāi)救援處理方式、區(qū)間列車最高運(yùn)行速度以及運(yùn)行時(shí)間、最小行車間隔、區(qū)間線路平縱斷面條件、區(qū)間兩端(站端)風(fēng)孔位置、列車信息系統(tǒng)更新間隔時(shí)間等因素密切相關(guān)，尤其是列車信息系統(tǒng)更新間隔時(shí)間對(duì)研究結(jié)論影響較大，本次暫定為3 s，可能偏小，后續(xù)將持續(xù)追蹤確認(rèn)該參數(shù)的合理取值范圍。

2) 本研究考慮的最不利工況，即前車尾部著火，后行列車采用制動(dòng)后停車，未考慮后車停車后的后退，原因如下：前行列車司機(jī)通過監(jiān)控器或火災(zāi)探測(cè)器發(fā)現(xiàn)火災(zāi)后上報(bào)行調(diào)，行調(diào)確認(rèn)火災(zāi)后向車站及后車發(fā)出指令，若后車要倒退則需轉(zhuǎn)換列車駕駛模式[11]，且司機(jī)需要從列車前端司機(jī)室通過車廂走到后端司機(jī)室來進(jìn)行換端作業(yè)，待排好進(jìn)路后司機(jī)人工駕駛列車后退，且后車的后退速度不會(huì)太高。在此過程中，后車司機(jī)接到指令后，需制動(dòng)停車，轉(zhuǎn)換列車駕駛模式，并需從前端司機(jī)室步行至后端司機(jī)室，穿過整個(gè)車廂；若處于高峰期時(shí)，車廂內(nèi)較為擁擠，耗時(shí)較長(zhǎng)，辦理進(jìn)路、換端作業(yè)仍需一定的時(shí)間。因此，即使后車可以后退，也耗時(shí)較長(zhǎng)，前行列車尾部煙氣將給后車乘客造成危險(xiǎn)。故本研究不考慮前車尾部著火后車后退的火災(zāi)處理方式，以保證后車的絕對(duì)安全。

3) 在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，行車調(diào)度員、司機(jī)等人為安全作業(yè)可靠度影響因素較多[12]，尤其在火災(zāi)狀況下，相關(guān)人員的行為方式更難預(yù)測(cè)。因此，應(yīng)針對(duì)地下區(qū)間尤其是地下長(zhǎng)區(qū)間建立健全火災(zāi)應(yīng)急預(yù)案，對(duì)司機(jī)及工作人員進(jìn)行理論培訓(xùn)和實(shí)訓(xùn)，確?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)能夠迅速啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，組織人員有序疏散。