基于行车模拟牵引计算的地铁区间风井设置

强士盎

（1.中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043；2. 陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院)，西安 710043）

1 研究背景

地铁通常由若干个车站以及与车站相连的区间构成，上、下行区间通过车站、区间之间的联络通道或区间配线互相连通，构成一个复杂的气流流通网络[1]。地铁系统的通风，目前通常的设计是在车站(区间)的两端设置隧道风机系统，为区间隧道事故或正常通风时服务。

为了满足隧道通风要求和便于运营管理，隧道通风机房一般都布置在车站的两端。由于地下区间隧道较长，所以有可能需要在区间中部设置区间风井。在什么情况下需要设置区间风井，目前相关的地铁设计规范及设计标准均没有明确的规定。

《地铁设计规范》第13.2.10 条规定：“当需要设置区间风道时，通风道应设于区间隧道长度的1/2 处，在困难情况下，其距车站站台端部的距离可移至不小于该区间隧道长度的1/3 处，但不宜小于400 m。”第28.4.7 条第1 款规定：“当区间隧道发生火灾时，应背着乘客主要疏散方向排烟，迎着乘客疏散方向送新风。”[2]

《地铁设计防火标准》第8.3.4 条规定：“两座车站之间正常同时存在两列或两列以上列车同向运行的地下区间，排烟时应能使非着火列车处于无烟区。”[3]

《地铁设计规范》在第13.2.10 条的条文解释中提出：“是否设置区间通风道，应根据每条线路的具体情况决定”[2]。有些设计者认为，当两个车站之间距离(区间长度)超过2 km 或2.4 km 时，需考虑设置区间风井；有些人认为，区间两端(靠近车站端部)的活塞风孔之间的列车走行时间大于2 min 时，需设置区间风井；还有些人认为，相邻的两个车站之间(站中心至站中心)列车走行时间大于2 min 时，需设置区间风井。可见，关于区间风井的设置与否争议较多。

本研究提供一种基于行车模拟牵引计算、在一定研究前提条件下确定较长地下区间是否设置中间风井的理论研究方法，并明确设置区间风井的最小站间距临界值，为相关领域内的设计者、决策者及地铁运营单位提供参考。

2 研究重点确定

地铁内发生火灾，通常认为列车在区间隧道内着火比在车站着火要危险得多[4]。区间火灾发生后，疏散方式分为两种：继续运行疏散和停车疏散。根据高速铁路隧道防灾的基本原则、地铁设计规范等要求，凡是能继续运行的，应尽量将着火列车驶入前方站台(或者驶出隧道)进行人员疏散。只有在列车由于动力系统失效或其他原因不得不停车时，才需要停车疏散。因此，在单侧区间隧道内有两列车运行且有一列车起火停车疏散时为不利情况，属于研究重点[5-9]。按照火灾发生的位置，分为前车车尾着火、前车车头着火、后车车尾着火、后车车头着火等情况，如图1 所示。

后车着火疏散时，对前车影响较小，前车尽快远离后车即可；前车着火疏散时，尤其是前车车尾着火停车疏散时，后车距离着火列车最近，为最不利情况。

图1 火灾发生位置示意Fig. 1 Location of the fire

本研究利用行车模拟牵引计算软件，在给定一些前提的条件下，通过分析最不利情况下(即前车车尾着火)单侧隧道内两列车的相对位置关系，以确定该区间是否需要设置区间风井。

3 风井设置研究

3.1 研究的前提条件

1) 车辆选型及列车编组：钢轮钢轨B 型车，初、近、远期均为6 辆编组，动力配置为4 动2 拖，列车长度120 m。

2) 列车运行速度：最大速度按80 km/h 考虑，列车正常速度按75 km/h 考虑[10]。

3) 最小行车间隔：按2 min 考虑。

4) 列车信息系统更新间隔时间：3～5 s，本次按3 s 系统刷新时间核算，即3 s 后后车才能收到前车故障信息。

5) 车辆启制动参数：平均加速度(0～80 km/h)约0.6 m/s2，平均加速度(0～40 km/h)约1.0 m/s2，常用制动平均减速度(80～0 km/h)为1.0 m/s2。

根据《地铁设计规范》(GB50157—2013)中第3.3.6条：“正常情况下，计算启动加速度、制动减速度不宜大于最大加速度、常用减速度的90%，且计算列车启、制动加速度均不大于0.9 m/s2”[2]，本次模拟牵引计算列车参数取值：平均加速度(0～80 km/h)约0.6 m/s2，平均加速度(0～40 km/h)约0.9 m/s2，常用制动平均减速度(80～0 km/h)为0.9 m/s2。

6) 区间两端(站端)活塞风孔位置：站端活塞风孔位置按B 型车6 辆编组标准站考虑，一般小端距离站中心60～70 m，大端距离站中心90～100 m。本次研究设定区间两端均为大端，风孔中心距离站中心均为100 m，设定风孔大小为边长4 m 的正方形。

7) 线路平纵条件：线路平面，设定线路平面条件较好、无限速小半径曲线；线路纵断面，设定站坪坡为2‰，出站为20‰的300 m下坡，进站为20‰的300 m上坡，中间为10‰的上、下坡，长度均分。站间距设定为2.5 km，活塞风孔位置及线路纵断面如图2 所示。

图2 活塞风孔位置及线路纵断面Fig. 2 Piston wind hole position and line profile

3.2 区间风井设置

3.2.1 是否设置区间风井的判定标准

当列车因火灾失去动力停在地下区间时，需利用隧道通风系统对火灾区间送风和排烟。通风系统要确保烟气排除方向与多数乘客的疏散方向相反。车尾着火的前车在区间停车疏散时，乘客向列车运行方向疏散，需利用前车运行前方的站端风孔迎着乘客疏散方向送风，即向后车所在区间方向送风，同时利用后车车头前方邻近的车站活塞风风孔排烟；若后车车头侵入或越过后车车头前方邻近的车站活塞风风孔，则后车将处于有烟区，会给后车乘客带来危险。车尾着火的前车刚好尾部越过站端风孔停车疏散时，为该种送风排烟模式的最极端情况，也是最不利情况。

本研究采用的模拟牵引计算软件为北京交通大学研发的城市列车运行计算系统，在给定的研究前提条件及站间距条件下，依托牵引计算软件及CAD 画图软件，按照车尾着火的前车刚好尾部越过站端风孔停车疏散时的最不利条件，检算后车车头位置，若后车车头侵入或越过后车车头前方邻近的车站活塞风风孔，则认为需要设置区间风井。

3.2.2 区间风井设置的研究方法及结果

按照既定的研究前提条件，利用城市列车运行计算系统进行两次模拟牵引计算，一次为两站间列车正常运营，一次为前车故障运营，将两次模拟计算输出的速度-距离-时间曲线叠加在同一个CAD 图中(见图3)。

图3 火灾状态下列车与风孔的相对位置关系(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 图中，首先利用时间曲线，找出前车故障停车后后车的位置(位置2)，然后再找出3 s 后后车的位置(位置3)及速度，此位置及速度为后车接收到前车故障信息后开始制动停车的位置及速度，最后根据既定的相关制动参数，计算出后车的停车位置(位置4)。根据后车停车位置进行区间风井设置与否的分析。

以给定站间距2.5 km 为例，分析如下：若前行列车发生火灾后，列车尾部运行至乙站风孔(CK2+050)位置1 停车，此时后行列车中心在位置2(CK0+278)，速度为49.00 km/h。根据信号专业提供的列车信息，系统更新间隔时间为3～5 s，本次按3 s 系统刷新时间核算(即3 s 后才能收到前车故障信息)，3 s 后后行列车中心运行至位置3(CK0+322)，速度为55.51 km/h，在该处后行列车检测到隧道区间阻塞后制动停车，实施常用制动停车后，后车中心停在位置4(CK0+454)，位置4 列车位于两个风孔之间，列车头部(CK0+514)已越过甲站风孔(CK0+250)约264 m，两站活塞风孔之间存在两列车，甲、乙两站间需设置区间风井。

3.2.3 设置区间风井的站间距临界值

按照上述方法，计算不同站间距、不同最高限速条件下列车与风孔的相对位置关系，结果如表1 所示。

表1 火灾状态下列车与风孔的相对位置关系Tab. 1 Relative position relationship between trains and wind holes in the state of fire

由表1 可见，在给定的研究前提条件下，最高限速为80 km/h、站间距为2.2 km，车尾着火的前车刚好尾部越过乙站站端风孔停车疏散时，后车已启动，且后车车头刚好越过甲站站端风孔，需设置区间风井；最高限速为75 km/h、站间距为2.1 km，车尾着火的前车刚好尾部越过乙站站端风孔停车疏散时，后车已启动，但后车车头刚好未侵入甲站站端风孔，无需设置区间风井。2.2、2.1 km 站间距为设置区间风井的最小站间距临界值，速度越低，设置区间风井对应的站间距的临界值就越小。

4 有关问题探讨

目前，相当一部分地铁设计者认为，当一个区间两端风孔之间的列车走行时间大于2 min 时，需考虑设置区间风井，根据本研究区间风井设置的理论及方法，在本次给定的研究前提条件下，不同站间距对应的区间(站中心至站中心)走行时间及区间两端风孔间走行时间如表2 所示。

表2 区间走行时分及站端风孔间走行时分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 可见，在给定的研究前提条件及需设置区间风井的判定标准下，当最高限速为80 km/h、站间距大于等于2.2 km 时，需考虑设置区间风井，但2.2～2.5 km 站间距条件下，区间两端风孔间列车走行时间均未大于120 s；最高限速为75 km/h、站间距大于2.1 km 时，需考虑设置区间风井，但2.1～2.5 km 站间距条件下区间两端风孔间列车走行时间也均未大于120 s。故笔者认为，“当一个区间两端的风孔之间的列车走行时间大于2 min 时需设置区间风井”的观点不尽合理。这种观点将列车看成了一个质点，忽略了列车长度，忽略了火灾状态下区间追踪列车之间的动态关系，放大了设置区间风井的最小站间距临界值。

还有一部分地铁设计者认为，当一个区间两端车站站中心间的列车走行时分大于2 min 时，需考虑设置区间风井。根据表2，笔者认为此说法相对可靠，比“风孔论”误差要小，但忽略了站端风孔位置与站中心的相对位置关系，有可能缩小了设置区间风井的最小站间距临界值。

5 结语

1) 本研究提出一种新的方法，利用行车模拟牵引计算的输出结果，对地铁隧道区间风井的设置进行理论计算与分析，但地铁线路地下区间中间风井的设置与否，与列车参数、火灾救援处理方式、区间列车最高运行速度以及运行时间、最小行车间隔、区间线路平纵断面条件、区间两端(站端)风孔位置、列车信息系统更新间隔时间等因素密切相关，尤其是列车信息系统更新间隔时间对研究结论影响较大，本次暂定为3 s，可能偏小，后续将持续追踪确认该参数的合理取值范围。

2) 本研究考虑的最不利工况，即前车尾部着火，后行列车采用制动后停车，未考虑后车停车后的后退，原因如下：前行列车司机通过监控器或火灾探测器发现火灾后上报行调，行调确认火灾后向车站及后车发出指令，若后车要倒退则需转换列车驾驶模式[11]，且司机需要从列车前端司机室通过车厢走到后端司机室来进行换端作业，待排好进路后司机人工驾驶列车后退，且后车的后退速度不会太高。在此过程中，后车司机接到指令后，需制动停车，转换列车驾驶模式，并需从前端司机室步行至后端司机室，穿过整个车厢；若处于高峰期时，车厢内较为拥挤，耗时较长，办理进路、换端作业仍需一定的时间。因此，即使后车可以后退，也耗时较长，前行列车尾部烟气将给后车乘客造成危险。故本研究不考虑前车尾部着火后车后退的火灾处理方式，以保证后车的绝对安全。

3) 在实际运营中，行车调度员、司机等人为安全作业可靠度影响因素较多[12]，尤其在火灾状况下，相关人员的行为方式更难预测。因此，应针对地下区间尤其是地下长区间建立健全火灾应急预案，对司机及工作人员进行理论培训和实训，确保火灾发生时能够迅速启动应急预案，组织人员有序疏散。