1同济大学 上海 200092；2上海市隧道工程轨道交通设计研究院 200235
摘要：常规地铁区间长度常规为2~3Km，超长区间长度可达10km，由此带来了消防设计的难度。为了提高地铁隧道区间消防的安全性，通常在区间联络通道处设置消防连通管，用于连通上、下行线路的消防管网。为了分析超长区间连通管在事故工况下设置的必要性及合理性，首先构建了事故工况下超长区间隧道消火栓系统的水力模型；模拟连通管不同的配置形式，分析特定节点压力变化情况。根据模拟结果，证明区间设置连通管有助于平衡区间节点水压，虽然连通管区间消防安全有一定意义，但连通管并非越多越好。通过文本的研究结果，可以为超长区间消防管网连通管配置方案提出性合理建议。
关键词：水力模型；连通管；超长区间
地铁地下区间消防给水系统按全线同一时间发生一次火灾考虑，火灾延续时间为 2 小时，消防用水量按 10L/s 计[1]。消防给水系统水源由车站提供，车站工点提供的供水压力须满足区间消防系统最不利点处消火栓所需的压力需求。从车站的环状消防给水管网上分别接出两路DN150 消防管进入左右线区间隧道，管线沿行车方向的右侧布置，使车站和区间形成环状消防供水系统[2]。
随着地铁区间消防给水系统互连互通，区间给水网规模不断变大，使其成为一个分布不规律、复杂多变的系统[3]。为了方便优化设计，应先将其抽象为简单的，只包括节点和管段这两类信息的模型，并赋予工程属性[4]。
在管网水力计算时，管线的水头损失不可避免，其中包含沿程水头损失和局部水头损失。水头损失指流体克服流动阻力损耗的一定量机械能。管网的沿程水头损失因使用的管材不同，计算公式也不尽相同。在实际工程中，需要根据实际情况，根据选用的管材，选择合适的系数，依照相关技术要求，合理选用计算公式。本课题结合消防给水管网优化的实际情况，依据管网材质，采用适合给水管网水力计算的海曾-威廉公式进行水头损失计算[6]。
上海市崇明线大盾构区间线路全长25063.3m，其中长兴岛南港区间长12108.3m，长兴岛北港区间长12955m。为实现超长区间消防供水安全可靠的目标，本段区间采用DN200区间消防管，每隔一段距离设置区间连通管。
崇明线区间及相邻站体消防水泵设计参数如下：
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为了优化区间连通管设置方案，在事故工况下通过EPANETH2[7]建立模型，模拟区间连通管设置与否，通过对比相关节点水压变化情况，选择连通管最优的配置方案。
一、区间消防事故工况模型
1）不设置连通管拓扑模型结构形式如图1-1。
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图1-1 不设置连通管拓扑模型结构形式
2）按1000m间距设置DN150连通管拓扑模型结构形式如图1-2。
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图1-2 按1000m间距设置DN150连通管拓扑模型结构形式
3）按2000m间距设置DN150连通管拓扑模型结构形式如图1-3。
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图1-3 按2000m间距设置DN150连通管拓扑模型结构形式
4）按3000m间距设置DN150连通管拓扑模型结构形式如图1-4。
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图1-4 按3000m间距设置DN150连通管拓扑模型结构形式
5）按4000m间距设置DN150连通管拓扑模型结构形式如图1-5。
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图1-5 按4000m间距设置DN150连通管拓扑模型结构形式
6）按6000m间距设置DN150连通管拓扑模型结构形式如图1-6。
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图1-6 按6000m间距设置DN150连通管拓扑模型结构形式
二、区间消防事故工况压力数据
通过EPANETH2进行相应工况模拟，得出如下试验参数：
1）不设置连通管区间任意节点17、31、39及47压力数据详见表1-1。
表1-1 不设置连通管区间任意节点17、31、39及47压力数据
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2）按1000m间距设置连通管区间任意节点17、31、39及47压力数据详见表1-2。
表1-2 按1000m间距设置连通管区间任意节点17、31、39及47压力数据
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3）按2000m间距设置连通管区间任意节点17、31、39及47压力数据详见表1-3。
表1-3 按2000m间距设置连通管区间任意节点17、31、39及47压力数据
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4）按3000m间距设置连通管区间任意节点17、31、39及47压力数据详见表1-4。
表1-4 按3000m间距设置连通管区间任意节点17、31、39及47压力数据
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5）按4000m间距设置连通管区间任意节点17、31、39及47压力数据详见表1-5。
表1-5 按4000m间距设置连通管区间任意节点17、31、39及47压力数据
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6）按6000m间距设置连通管区间任意节点17、31、39及47压力数据详见表1-6。
表1-6 按8000m间距设置连通管区间任意节点17、31、39及47压力数据
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三、分析崇明线大盾构区间模型事故工况
分析方法及结论：在不同的连通管设置方案下，提取特定节点（节点17、31、39或47）在特定时刻压力值，通过分析数据组波动情况，判断连通管设置方案对区间系统的影响。当同一节点构成的数据组，方差越大表明数据波动越大，连通管设置与否影响较大；方差越小说明连通管设置与否影响较小。
1）事故工况下节点17模拟压力数据详见表1-7。
表1-7 事故工况下节点17模拟压力数据
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2）事故工况下节点31模拟压力数据详见表1-8。
表1-8 事故工况下节点31模拟压力数据
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3）事故工况下节点39模拟压力数据详见表1-9。
表1-9 事故工况下节点39模拟压力数据
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4）事故工况下节点47模拟压力数据详见表1-10。
表1-10 事故工况下节点47模拟压力数据
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结论：通过分析节点17、31、39或47在0：24~0：42之间的压力值，可以直观的看出，设置连通管后的相同节点压力值更加集中，不设置连通管的压力值离散度差异较大，从侧面上可以证明设置连通管具有现实意义。通过分析设置连通管后的压力值变化情况，不难看出，连通管设置数量越多，区间节点压力值越稳定，但考虑到成本的增加，以间距3km设置连通管的方案经济上更加合理。
四、结论
通过分析崇明线大盾构区间事故工况多种组网形式，对于连通管设置效果有如下结论：
1）区间连通管设置与否，当区间内出现部分管路阀门关闭或故障状态时，设置连通管可以提高区间消防系统的安全系数。
2）在超长区间内设置连通管，在事故工况下对管网系统优化效果显著。适当设置连通管可有效提高地铁区间消防管网的安全性能。
参考文献：
[1] GB 50974-2014，消防给水及消火栓系统技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2014-10
[2]柯小芳.地铁地下区间的消防及排水系统设计[J].建筑工程技术与设计，2018：1056.
[3]Goldberg，David E.， Kuo，Chie Hsiung.Genetic Algorithms in Pipeline Optimization[J].Journal of Computing in Civil Engineering，1987：128-141.
[4]魏静.基于改进NSGA2算法的给水管网多目标优化设计[D].北京工业大学，2016.
[5]基于改进型SPEA2算法的给水管网多目标优化设计[D].北京工业大学，2017.
[6]赵洪宾.给水管网系统理论与分析[M].中国建筑工业出版社，2003
[7]Lewis A.Rossman.EPANETH2 用户手册.李树平 译.2011