重慶軌道交通6號(hào)線一期工程深埋隧道活塞通風(fēng)設(shè)計(jì)分析

張　鯤

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安　710043)

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重慶軌道交通6號(hào)線一期工程深埋隧道活塞通風(fēng)設(shè)計(jì)分析

張?chǎng)H

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安710043)

摘要：以重慶軌道交通6號(hào)線一期工程深埋的一段地下區(qū)間和車站為研究對(duì)象,其線路和車站埋深均在50 m以上。而目前國(guó)內(nèi)地鐵線路埋深多為30 m以下,多個(gè)車站連續(xù)埋深大于50 m的長(zhǎng)區(qū)段較少見,由于其活塞風(fēng)道長(zhǎng),阻力大,對(duì)于活塞通風(fēng)效果能否滿足規(guī)范要求,國(guó)內(nèi)缺少類似工程可供借鑒的資料。由于工程中地面風(fēng)亭設(shè)置難度大,深埋風(fēng)井投資大以及長(zhǎng)風(fēng)井活塞效應(yīng)減弱等因素,僅增加活塞風(fēng)井并不是解決問題的最好方案,因此,設(shè)計(jì)應(yīng)該在滿足活塞通風(fēng)效果的前提下,盡量?jī)?yōu)化通風(fēng)配置,減少土建投資和規(guī)劃協(xié)調(diào)的難度。對(duì)此段隧道的通風(fēng)配置進(jìn)行分析研究,通過模擬計(jì)算,分析活塞通風(fēng)的效果,驗(yàn)證通風(fēng)配置的合理性。

關(guān)鍵詞：軌道交通；深埋隧道；模擬計(jì)算；活塞通風(fēng)

1概述

重慶軌道交通6號(hào)線一期工程為東南至西北方向的地鐵線，跨越長(zhǎng)江、嘉陵江及3個(gè)行政區(qū)[1]，由于重慶地勢(shì)起伏較大，全線由多段不連續(xù)的高架和地下區(qū)段組成。有部分區(qū)段線路埋深大，其中車站多數(shù)埋深達(dá)50 m以上。由于線路穿越主城區(qū)，地面風(fēng)亭設(shè)置難度大，且深埋線路使風(fēng)井的土建投資也相應(yīng)加大。本設(shè)計(jì)隧道通風(fēng)采用以單活塞為主，在長(zhǎng)區(qū)間和配線復(fù)雜處設(shè)置雙活塞風(fēng)井的方案，并以此配置方案建模進(jìn)行模擬計(jì)算。根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，分析其正常和事故工況下是否滿足規(guī)范要求，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。若風(fēng)井、風(fēng)道的設(shè)置能夠滿足列車在正常工況下運(yùn)行時(shí)區(qū)間隧道的溫度要求，則事故工況下通過機(jī)械通風(fēng)配置即可實(shí)現(xiàn)事故工況下的煙控或通風(fēng)流速要求[2]。本文限于篇幅要求，僅對(duì)正常工況下的隧道通風(fēng)的效果進(jìn)行分析研究，選取地下線路最長(zhǎng)，埋深最大的江北城—光電園段進(jìn)行分析研究，不考慮事故工況下的通風(fēng)配置。

此段地下區(qū)間隧道為6號(hào)線一期工程最長(zhǎng)的地下區(qū)間，正線長(zhǎng)度為13.86 km，出入段線長(zhǎng)度為1.1 km，含有地下車站9座，其中江北城車站大里程端設(shè)有與9號(hào)線聯(lián)絡(luò)線1處，紅土地站—黃泥滂站區(qū)間設(shè)有弧形存車折返線1處，花卉園站—大龍山站區(qū)間設(shè)有上下行單渡線1處，以及光電園站后接大竹林車輛段出入段線1處。最大站間距為冉家壩站—光電園站區(qū)間，長(zhǎng)1.963 km；最小站間距為大龍山站—冉家壩站區(qū)間，長(zhǎng)1.006 km，小里程端洞口—江北城站區(qū)間長(zhǎng)0.81 km，光電園—大里程端洞口區(qū)間長(zhǎng)1.757 km。本區(qū)段線路隧道通風(fēng)配置如圖1～圖3所示。

圖1　洞口—紅土地站后配線段隧道通風(fēng)配置

圖2　紅土地—大龍山段隧道通風(fēng)配置

圖3　冉家壩—洞口段隧道通風(fēng)配置

2隧道斷面形式

小里程端洞口—五里店區(qū)段站為暗挖鉆爆法施工，隧道斷面以馬蹄形單線單洞為主，進(jìn)江北城車站時(shí)線路上下行重疊，斷面形式為暗挖馬蹄形單洞雙線上下層布置的形式。出江北城車站時(shí)由于有聯(lián)絡(luò)線，斷面形式為馬蹄形單洞3線上下層布置的大斷面，五里店車站—大里程端洞口以TBM圓形斷面為主，同時(shí)在配線處采用暗挖鉆爆施工工法，斷面形式為馬蹄形單洞單線、單洞雙線或單洞3線，在紅土地站后存車折返線端頭以及光電園站后接車輛段出入段處為馬蹄形單洞四線的大斷面形式[3]。

3活塞風(fēng)井設(shè)置[4]

江北城車站后端有與9號(hào)線的聯(lián)絡(luò)線，在江北城上行線出站端設(shè)置活塞風(fēng)井1處，由于活塞風(fēng)井在聯(lián)絡(luò)線之前，進(jìn)入9號(hào)線隧道的風(fēng)量有限，同時(shí)在9號(hào)線進(jìn)站端預(yù)留活塞風(fēng)井1處，減少9號(hào)線進(jìn)入6號(hào)線的風(fēng)量。

紅土地車站站后存車折返線為曲線形式，配線長(zhǎng)度約為290 m，斷面多，上、下行線多處串通，由于配線端頭設(shè)置活塞風(fēng)井條件困難，因此將上行線活塞風(fēng)設(shè)置于紅土地車站出站端，同時(shí)在黃泥滂車站進(jìn)站端設(shè)置活塞風(fēng)井1處，下行線在黃泥滂出站端設(shè)置風(fēng)井1處，紅土地進(jìn)站端設(shè)置活塞風(fēng)井1處，以增強(qiáng)紅土地—黃泥滂區(qū)間的通風(fēng)換氣效果。

花卉園—大龍山區(qū)間設(shè)有上行、下行單渡線1處，單渡線與列車前進(jìn)方向一致，上行列車出花卉園站時(shí)有活塞風(fēng)從上行線隧道進(jìn)入下行線隧道，下行列車出大龍山站時(shí)有活塞風(fēng)從下行線進(jìn)隧道入上行線隧道。列車行車間隔較短，上、下行不斷有空氣熱質(zhì)交換，而出地面的活塞風(fēng)大大減少，導(dǎo)致區(qū)間熱量聚集，因此在花卉園站大里程端、大龍山站小里程端上下行線各設(shè)置活塞風(fēng)井1處，增強(qiáng)隧道內(nèi)與隧道外的空氣交換量。

冉家壩至光電園區(qū)間長(zhǎng)度為1.963 km，為一期工程中最長(zhǎng)地下區(qū)間，冉家壩為三線換乘地下六層車站，活塞風(fēng)道出地面距離較長(zhǎng)，區(qū)間活塞通風(fēng)效果較差，因此在冉家壩大里程端、光電園小里程端均設(shè)置了雙活塞風(fēng)道。光電園站站后設(shè)置有接車輛段出入段線，列車行駛時(shí)氣流組織紊亂，在光電園車站大里程端設(shè)置雙活塞風(fēng)道，增強(qiáng)隧道內(nèi)外的通風(fēng)換氣效果。

下面對(duì)江北城—光電園段隧道采用SES軟件進(jìn)行建模和模擬計(jì)算分析，將計(jì)算結(jié)果以圖表的形式直觀表現(xiàn)出來(lái)[5-8]。

4正常工況模擬

4.1　初期晚高峰

設(shè)計(jì)年限為2015年7月下午18時(shí)，行車對(duì)數(shù)為10對(duì)/h，排熱風(fēng)機(jī)打開，風(fēng)量為18 m3/s，客流為2015年晚高峰客流。模擬曲線如圖4所示。

圖4　K15+285.37～K29+150.468地下段初期晚高峰正常模擬曲線

由于行車間隔能達(dá)到360 s[9]，排熱風(fēng)機(jī)一直打開，且客流較少，因此曲線波幅并不很大，冉家壩—光電園區(qū)間較長(zhǎng)，隧道內(nèi)空氣與隧道壁面熱交換時(shí)間也相對(duì)較長(zhǎng)，因此隧道內(nèi)溫度較其他隧道略低。整個(gè)地下區(qū)間隧道內(nèi)溫度低于室外溫度，說(shuō)明排熱風(fēng)機(jī)能完全將列車空調(diào)冷凝器的熱量帶走，不會(huì)產(chǎn)生熱量積聚現(xiàn)象。因此在運(yùn)營(yíng)初期，可間歇性地打開排熱風(fēng)機(jī)排風(fēng)即可滿足隧道內(nèi)的溫度要求。

4.2　近期晚高峰

設(shè)計(jì)年限為2022年7月，時(shí)間為下午18時(shí)，行車對(duì)數(shù)18對(duì)/h，排熱風(fēng)機(jī)打開，風(fēng)量24 m3/s，客流為2022年晚高峰客流，模擬曲線如圖5所示。

圖5　K15+285.37～K29+150.468地下段近期晚高峰正常模擬曲線

溫度曲線沿著行車方向逐漸提升，下行線溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在江北城車站，說(shuō)明在模擬過程中，下行隧道中風(fēng)向始終與行車方向一致，上行線溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在冉家壩軌行區(qū)，由于光電園車站后有上、下行隧道連通的斷面，上下行隧道內(nèi)有空氣熱質(zhì)交換現(xiàn)象，下行隧道內(nèi)空氣溫度低，上行隧道溫度高，因此上行隧道內(nèi)空氣溫度會(huì)突降，下行隧道溫度也會(huì)產(chǎn)生突升的現(xiàn)象。紅土地車站站端配線復(fù)雜，導(dǎo)致上、下行隧道也多處串通，因此溫度曲線在此有波動(dòng)現(xiàn)象。整個(gè)地下隧道段最高溫度為38 ℃左右，但由于行車間隔為200 s，隧道內(nèi)有熱量積聚現(xiàn)象，可依據(jù)隧道內(nèi)溫度，啟停排熱風(fēng)機(jī)滿足溫控要求。

4.3　遠(yuǎn)期早高峰

遠(yuǎn)期早高峰設(shè)計(jì)年限為2037年7月，上午09時(shí)，行車對(duì)數(shù)30對(duì)/h，排熱風(fēng)機(jī)一直打開，風(fēng)量為30 m3/s，客流為2037年早高峰客流，模擬曲線如圖6所示。

圖6　K15+285.37～K29+150.468地下段遠(yuǎn)期早高峰正常模擬曲線

由于行車間隔為120 s，早高峰客流較大，因此列車在車站?？款l繁，軌行區(qū)熱量積聚較為明顯，曲線波峰較高，波幅較大，大致上溫度隨著列車前進(jìn)方向逐漸升高，上行線紅土地車站—黃泥滂車站區(qū)間溫度突升，說(shuō)明上、下行隧道在紅土地端頭配線有熱質(zhì)交換，即活塞風(fēng)仍有迂回現(xiàn)象。

4.4　遠(yuǎn)期晚高峰

遠(yuǎn)期晚高峰模擬設(shè)計(jì)年限為2037年7月，下午18時(shí)，行車對(duì)數(shù)24對(duì)/h，排熱風(fēng)機(jī)在模擬過程中一直打開，風(fēng)量30 m3/s，客流為2037年晚高峰客流，如圖7所示。

圖7　K15+285.37～K29+150.468地下段遠(yuǎn)期晚高峰正常模擬曲線

雖然遠(yuǎn)期客流與行車對(duì)數(shù)比近期大，但由于列車對(duì)數(shù)增加，隧道內(nèi)活塞風(fēng)效應(yīng)也增強(qiáng)，同時(shí)車站排熱風(fēng)機(jī)風(fēng)量也比近期大。因此遠(yuǎn)期晚高峰溫度曲線與近期晚高峰曲線較為相似。曲線無(wú)超過40 ℃的顯現(xiàn)，溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在上行線冉家壩車站軌行區(qū)，為37.9 ℃?？赏ㄟ^監(jiān)控車站軌行區(qū)溫度，間歇性地開啟排熱風(fēng)機(jī)。

4組溫度曲線均呈現(xiàn)峰谷值相間隔的特點(diǎn)，在車站中心里程處溫度達(dá)到峰值，是由于列車停站時(shí)，無(wú)活塞風(fēng)效應(yīng)且列車?yán)淠魃嵋拙奂m然開啟了排熱風(fēng)機(jī)進(jìn)行排熱，但車站中心里程處為軌道排熱系統(tǒng)的末端，排熱風(fēng)量小，熱量易在此處聚集，使得溫度急劇升高達(dá)到峰值；在車站活塞風(fēng)井以外沒有配線的區(qū)間部分，溫度趨于平穩(wěn)，這表明，在沒有配線的區(qū)間，活塞通風(fēng)使得隧道溫度較為均勻?？諝鉀]有和其他隧道進(jìn)行熱質(zhì)交換[10]。而在配線區(qū)間，則顯示在配線處有溫度最低點(diǎn)，在該處空氣存在熱質(zhì)交換，使得溫度達(dá)到谷值。

4組曲線顯示初、近、遠(yuǎn)期隧道溫度呈現(xiàn)逐步升高的趨勢(shì)，這是由于隧道的蓄熱能力隨著運(yùn)營(yíng)年限的增加逐步降低。上、下行線的變化趨勢(shì)大致相同，但溫度曲線還是有所差異。初期隧道蓄熱能力較強(qiáng)，隧道壁面溫度低，隧道處于吸熱狀態(tài)，上、下行線隧道溫度受隧道壁面溫差傳熱影響較大，兩個(gè)溫度曲線重合度較高；隨著運(yùn)營(yíng)年限的增加，隧道壁面溫度趨于穩(wěn)定，吸熱能力變差，空氣對(duì)流換熱成為影響隧道溫度的主要因素，兩個(gè)溫度曲線僅局部重合，一般在上、下行線配線處等存在氣流熱質(zhì)交換的位置，具體在紅土地站—紅旗河溝站區(qū)段內(nèi)重合度較高，由于該區(qū)段內(nèi)存在多處配線且紅旗河溝站為側(cè)式站臺(tái)，上下行線存在多處氣流熱質(zhì)交換。使得溫度趨于一致。

5結(jié)論

由模擬計(jì)算結(jié)果分析可知，設(shè)計(jì)采用的隧道通風(fēng)配置在初、近、遠(yuǎn)期均滿足規(guī)范對(duì)正常運(yùn)行工況下隧道溫度不超過40 ℃的要求。且其通風(fēng)換氣量遠(yuǎn)大于規(guī)范要求的3次/h的標(biāo)準(zhǔn)[11-13]。設(shè)計(jì)采用的以單活塞風(fēng)井為主，長(zhǎng)區(qū)間和帶配線區(qū)間設(shè)置雙活塞的方案滿足重慶軌道交通6號(hào)線一期工程深埋隧道的正常工況通風(fēng)要求，為今后重慶軌道交通深埋線路的通風(fēng)設(shè)計(jì)提供了良好的借鑒。

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Design Analysis of Deep Buried Tunnel Piston Ventilation of Chongqing Metro Line 6 First PhaseZHANG Kun

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Xi’an 710043, China)

Abstract：In this paper, the research is based on one deep buried section of the first phase of Chongqing Rail transit Line 6. The tunnels and stations are more than 50 meters deep underground. Most domestic metro lines are less than 30 meters underground, and it is rare to have several stations continuously more than 50 meter underground. As the piston air duct of the project is long and ventilation resistance is big, few information of this kind of piston ventilation is available at home. It is not the best solution to add piston air duct because of the difficulty in setting up wind pavilion in planning area, the large investment and the weak effect of long air duct and piston ventilation. So the design should ensure the effectiveness of piston ventilation, optimize ventilation configuration, reduce investment and difficulty of planning and coordination. This paper analyzes ventilation configuration and effectiveness of this tunnel and verifies the rationality of the design by means of analog and calculation.

Key words：Rail transit; Deep buried tunnel; Analog and calculation; Piston ventilation

中圖分類號(hào)：U231+.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.031

文章編號(hào)：1004-2954(2016)02-0149-04

作者簡(jiǎn)介：張?chǎng)H(1974—)，男，高級(jí)工程師，E-mail:zk0331@126.com。

收稿日期：2015-07-31； 修回日期：2015-08-27