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1、北京地铁7号线长区间事故工况通风模拟分析 北京市市政工程设计研究总院 任明亮 李雁 摘要：北京地铁7号线达官营站广安门内站站间距为1893m，且本区间内靠近达官营车站处设置有单渡线和停车线，通风气流组织较为复杂。为了确定列车在本区间着火工况下的最佳通风方案，使之能有效控制烟气流动，提供人员逃生的必要条件，利用SES对不同通风方案进行了模拟分析。通过模拟计算可知开启着火区间两端车站隧道风机以及在区间渡线位置增加射流风机均不能保证区间风速要求，当在本区间内设置中间风井，并开启区间风机以及着火区间两端车站风机后着火区间风速为2.6m/s，满足规范要求。关键词：地铁 事故通风 SES 模拟分析地铁是目
2、前世界上能够有效解决大中型城市人们出行最为便捷、经济和高效的一种交通工具。地铁作为现代城市最大的基础设施之一和交通系统的骨干，是城市的生命线。同时地铁安全性问题也是地铁建设单位、设计单位首要考虑的问题。由于地铁系统除出入口、风道与外界联通外基本处于地下，外部由岩石或土层包围，该建筑特点决定了地铁内发生火灾与在地面建筑发生同样事故相比，其后果更为严重。地铁火灾具有如下特点1：（1）氧含量急剧下降。（2）发烟量大。（3）排烟排热差。（4）火情探测和扑救困难。（5）人员疏散困难。地铁系统较为复杂，如何确定隧道着火工况的通风方案，有效控制烟气流动是地铁设计的难点问题。笔者利用美国交通部开发的地铁环境模
3、拟软件SES(Subway Environment Simulation)对北京地铁7号线达官营站广安门内站长区间进行了事故工况通风方案的模拟分析,确定了地铁该区间的事故运行模式，并在初步设计评审时得到专家认可，即“在达官营站广安门内站长区间隧道设置中间风井的方案是合理的”。1 土建概况北京地7号线起点位于北京最大的铁路交通枢纽北京西客站，以地下线方式敷设，沿羊坊店南路向南至广安门外大街后转向东，线路沿广安门大街、广渠门大街向东至东四环，出东四环后在化工二厂东侧转向南，沿着规划仓储西路向南穿越规划绿地到达化工路；线路穿过化工路后沿垡头西路向南至垡头南路再转向东，穿过双丰铁路后，进入玻璃二厂、染
4、料厂等工业用地范围，线路沿规划道路向东南敷设，到达终点焦化厂站。线路全长23.67km，全部为地下线，全线共设车站21座，平均站间距1.14km，原焦化厂内设置车辆段一处。北京地铁7号线全线有两个区间的长度超过1.5km，分别为达官营站广安门内站区间（站间距约1893 m）以及欢乐谷景区站垡头站区间（站间距约1744m），由于线路需求在达官营站广安门内站区间设置有单渡线和停车线，本文以下内容只对更为复杂的达广区间事故工况通风模拟进行阐述。2 SES火灾模型简介SES(Subway Environment Simulation)是美国交通部开发的一维地铁环境模拟软件，芝加哥、波斯顿、中国香港、广
5、州、北京等几十个城市的地铁通风设计都采用了SES模拟软件2进行了仿真计算，从而确定了合理、经济的通风方案。区间事故工况通风方案需满足两个条件3：（1）有效控制烟气流动方向。（2）使逃生人员感受到新鲜空气，指示其撤离。SES中通过计算临界风速Vc 来判别是否可以有效控制烟气流动方向。其计算模型即W.D.Kennedy等1997年提出的临界控制风速模型4。见公式（1）、（2）： （1） （2）式中：Vc : 临界风速（ft/sec） : 环境空气密度（lbm/ft3） H: 隧道高度（ft）EC: 热释放速率（Btu/sec） g: 重力加速度（ft/s2） A: 隧道断面净面积（ft2）Frc:
6、 弗劳德数（无量纲数） Kg: 隧道坡度（无量纲数） T: 环境温度（deg R）Cp: 空气定压比热（Btu/lbm-deg R） Tf: 热空气温度（deg R）其中Frc通过模型试验得知为4.54，火源功率按一节车厢着火考虑为7.5MW5，即7108 Btu/sec。地铁设计规范规定使人能感受到新鲜空气流动的通风临界速度为2m/s3，而SES中规定此值为2.5m/s6。由于烟气水平方向流动的速度为0.30.8m/s3，故本文采用我国地铁设计规范规定的通风临界速度作为判别通风方案是否合理的依据。3 区间通风系统设置及事故工况下设备运行方案3.1区间通风系统设置北京地铁7号线区间隧道通风系统
7、按闭式系统设计，开、闭式运行，采用了正常工况通风和事故工况通风与排烟共用的机械通风系统，车站端部设机械通风井。车站站端各设置两条机械风井，每条风井内各有一台可逆转的隧道TVF风机（耐高温）和相应的风阀，两台隧道风机可并联对一条区间隧道通风，也可两台隧道风机互为备用，单独对一条区间隧道通风，并通过相关风阀的开启和关闭，实现车站公共区送排风与区间隧道通风运行模式的转换，以满足区间隧道正常、阻塞、火灾各工况运行要求。隧道风机为20号可逆耐高温变频轴流风机（风机风量60m3/s,全压1000Pa，功率90kw）且要求能正反转，反风比为100%，正反向转换时间60s。风机通过变频控制使风量、风压满足列车
8、阻塞、火灾运行以及各工况下的节能运行要求。3.2事故工况下设备运行方案事故工况通指火灾事故工况和阻塞事故工况，火灾事故工况和阻塞事故工况区别在于区间发生火灾时送风方向按着火点靠近列车头部还是尾部区分，原则是控制火焰和烟气的蔓延方向，保证多数乘客的安全。模拟计算分析重点研究火灾事故工况下，通风设备与人员疏散配合的运行方案。全线同一时间只考虑一个事故点，初步拟定运行方案，并通过模拟计算分析与验证。列车头部着火时：关闭着火区间两端车站迂回风道内的迂回门，开启出站方向车站全高安全门，关闭进站方向车站全高安全门，乘客进入隧道向出站方向的车站撤离。此时由列车进站方向的4台隧道风机排烟，由出站方向的4台隧道
9、风机送风引导乘客迎着新风撤离。列车尾部着火时：乘客的撤离方向与排烟的运行模式恰好与列车头部着火时相反。列车中部的车厢着火：关闭着火区间两端车站迂回风道内迂回门，开启进站方向车站全高安全门，关闭出站方向车站全高安全门，乘客由车头和车尾同时进入隧道，从车头下车的乘客迎着新风迅速向车站撤离，从车尾下来的乘客要顺着烟气流动的方向迅速撤到联通两孔隧道的联络通道处，由联络通道进入另一孔隧道，迎着送风方向撤离。排烟运行方式为：进站方向的隧道风机送风，出站方向的隧道风机排烟。4 模拟计算及分析本文仅对列车位于下行区间车头着火工况进行阐述，其他着火工况计算结果同列车车头着火工况。如图1为达官营站、广安门内站及其
10、之间区间的SES节点图，此时达官营站四台隧道风机进行排风，靠近达广区间侧两台风机并联对下行区间排风，另两台风机分别对上下行区间排风；广安门内站四台隧道风机进行送风，靠近达广区间侧两台风机并联对下行区间送风，另两台风机分别对上下行区间送风。图1 达广区间SES节点图1图2 达广区间通风计算结果1图2为其计算结果，可以看出只开启该区间相邻车站隧道风机时着火区间风速为1.5m/s，不满足规范要求的2.0m/s。由于达广区间较长，且该区间内存在渡线，部分上行区间内的空气通过渡线流入下行区间，从而不能有效提高着火区间内风速。图3 达广区间SES节点图2图4 达广区间通风计算结果2为了能提高着火区间内风速
11、，阻止上行区间内的空气通过渡线流入下行区间，在下行区间内并联设置了两台射流风机。图3为改进后通风方案SES节点图，图4为其计算结果，通过计算结果可以看出射流风机可以适当提高着火区间内风速，但仍不能满足规范要求。图5 达广区间SES节点图3图6 达广区间通风计算结果3图5为渡线内增设两台射流风机后的SES节点图，图6为其计算结果，可以看出在渡线内设置射流风机后可以有效提高着火区间内风速，但同样仍没有达到2m/s的风速要求。图7 达广区间SES节点图4图8 达广区间通风计算结果4为避免通风设备过多，增加通风空调系统控制难度，降低通风空调系统运行的稳定性，放弃了继续增设射流风机的方案。通过与土建专业
12、配合保留了达广区间结构施工竖井并在后期改造为区间风井。图7为设置了区间风井后的SES节点图，图8为其计算结果，可以看出区间风速为2.6m/s，满足规范要求。5 结论地铁系统较为复杂，而区间火灾工况通风系统设置又是地铁设计的重点、难点问题，火灾工况下区间内空气流动受区间结构特点、线路特点、火源强度等因素影响，常规计算方法难以预测通风系统合理的合理性。本文通过SES仿真软件对北京地铁7号线达官营站广安门内站长区间火灾工况下不同通风方案进行了分析比较，通过以上计算结果可以看出对于达广区间，只依靠区间相邻车站开启隧道风机或者在区间内增设射流风机难以满足火灾工况下的通风排烟需求，通过将区间结构施工竖井改为通风竖井后，区间排烟风速为2.6m/s，可以有效控制烟气流动、引导乘客撤离。6 参考文献1 崔泽艳.城市地铁火灾的特点及防护措施J. 公共安全,2007,9(03):18202 任明亮,陈超.地铁活塞风的分析计算与有效利用J. 上海交通大学学报,2008,8:1376-13913 GB50157-2003地铁设计规范S4 SES Users Manual V4.1CP，20015 史聪灵,钟茂华.深埋地铁车站火灾试验与数值分析M. 北京:科学出版社,20096 SUBWAY ENVIRONMENTAL DESIGN HANDBOOK VolumeCP，1997:2-27- 5 -
249 北京地铁7号线长区间事故工况通风模拟分析
