廣深港客運(yùn)專線福田站及相鄰區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)研究

陳玉遠(yuǎn)

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 湖北 武漢 430063)

廣深港客運(yùn)專線福田站及相鄰區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)研究

陳玉遠(yuǎn)

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 湖北 武漢 430063)

廣深港客運(yùn)專線福田站及相鄰區(qū)間隧道為單洞雙線隧道，具有時速高、斷面大、阻塞比小、活塞效應(yīng)弱和散熱量大的特點(diǎn)。為保證隧道內(nèi)人員舒適性要求，必須解決隧道內(nèi)溫度和新風(fēng)量控制等關(guān)鍵技術(shù)問題。從區(qū)間和車站活塞風(fēng)井設(shè)置、風(fēng)井面積及車站排熱風(fēng)量3個方面進(jìn)行研究，主要結(jié)論如下： 1)隧道內(nèi)共需設(shè)5處活塞風(fēng)井，分別為益田路1#風(fēng)井和2#風(fēng)井、福田車站兩端活塞風(fēng)井、皇崗公園風(fēng)井； 2)福田車站兩端活塞風(fēng)井面積均為60 m2，其余3處活塞風(fēng)井面積均為40 m2； 3)福田車站排熱風(fēng)量為540 m3/s； 4)優(yōu)化后隧道最高溫度為39.3 ℃，人均新風(fēng)量為76 m3/h，均滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

客運(yùn)專線地下車站； 區(qū)間隧道； 運(yùn)營通風(fēng)系統(tǒng)； 優(yōu)化

0 引言

隨著城市用地的日趨緊張，鐵路引入城市中心變得越來越困難，修建地下車站和區(qū)間隧道逐漸成為各國研究的課題。郝娜[1]介紹了地鐵隧道通風(fēng)系統(tǒng)中單、雙活塞2種系統(tǒng)的工作原理，給出了單、雙活塞系統(tǒng)各自適用區(qū)域的應(yīng)用建議； 匡江紅等[2]通過數(shù)值分析，對地鐵隧道通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，從改變進(jìn)氣溫度的角度研究了風(fēng)井合并問題，提出室外合并風(fēng)井的方案，減少了風(fēng)井?dāng)?shù)量和地鐵投資； 王峰等[3]對地鐵不同運(yùn)營期、不同排熱風(fēng)量的熱環(huán)境進(jìn)行了研究，得到了不同工況下的排熱風(fēng)量，并對活塞風(fēng)井的風(fēng)量和進(jìn)出風(fēng)情況進(jìn)行了研究； 吳妍等[4]采用CFD方法對活塞風(fēng)井的通風(fēng)性能進(jìn)行了研究，分析了實(shí)際列車運(yùn)營情況下，地鐵車站風(fēng)量不同數(shù)量和位置對風(fēng)井通風(fēng)性能的影響； 劉江[5]針對地鐵單雙活塞風(fēng)井，通過軟件模擬了兩者在通風(fēng)效果上的差異，分析了不同行車密度、不同排熱風(fēng)機(jī)風(fēng)量對區(qū)間通風(fēng)效果的影響； 余濤等[6]以莞惠城際鐵路為研究對象，得到了取消車站軌道排熱系統(tǒng)可以滿足隧道內(nèi)熱環(huán)境的結(jié)論；趙望達(dá)等[7-8]、姜學(xué)鵬等[9]、趙紅莉等[10]對高鐵隧道火災(zāi)時煙氣擴(kuò)散、氣流組織進(jìn)行了研究。目前的研究多集中在地鐵、城際鐵路隧道運(yùn)營通風(fēng)以及鐵路隧道火災(zāi)煙氣控制方面，針對包含地下車站的高鐵隧道運(yùn)營通風(fēng)系統(tǒng)的研究較少。

福田站為國內(nèi)首座全地下高鐵站，兩端均與地下隧道相連，關(guān)于地下區(qū)間的通風(fēng)設(shè)計(jì)無相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和案例可供參考，本文將介紹隧道運(yùn)營通風(fēng)系統(tǒng)方案和研究過程。

1 工程概況

廣深港客運(yùn)專線是國家《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》中的一條重要線路，主要承擔(dān)深圳、香港與北京方向長途客運(yùn)功能及廣、深、港城市中心之間的高速城際客運(yùn)功能。福田站及相關(guān)工程線路全長11.14 km，由益田路隧道、福田站和深港連接隧道組成，3段長度分別為6 236、1 021、3 886 m，深港連接隧道段往南為香港段，全長 25.9 km，由隧道和地下車站組成。益田路隧道和深港隧道(深圳段)(里程為DK111+987～DK114+017)為單洞雙線隧道，隧道斷面尺寸為89 m2；DK114+017以南區(qū)段為雙洞單線隧道，隧道斷面尺寸為50 m2。福田站為國內(nèi)首座全地下客運(yùn)站，車站設(shè)4條島式站臺和8條到發(fā)線[11-12]。線路示意如圖1所示。設(shè)計(jì)行車速度為200 km/h，車輛采用CRH動車組。

圖1 線路平面示意圖(單位： m)

2 福田站及相關(guān)工程隧道通風(fēng)特點(diǎn)

2.1列車速度高、重量大、散熱量大

地鐵列車運(yùn)行速度一般為80～100 km/h，本工程列車最高速度高達(dá)200 km/h，為地鐵列車的2～2.5倍。地鐵列車單節(jié)車廂質(zhì)量為30～35 t，CRH動車組每節(jié)車廂質(zhì)量約50 t，為地鐵的1.4～1.7倍。在列車制動過程中，列車的動能大部分將轉(zhuǎn)化為熱量散發(fā)到隧道內(nèi)，故本工程單節(jié)車廂的制動散熱量遠(yuǎn)高于地鐵列車，為地鐵的2.8～4.3倍。

2.2制動距離長、高溫區(qū)段大

列車時速高，在加減速度相同的情況下，列車加減速的時間和距離均較地鐵列車長，以0.55 m/s2的減速度計(jì)算，列車從200 km/h到完全停止的制動距離為2 800 m，列車的產(chǎn)熱主要是在制動過程中產(chǎn)生的，故在減速的區(qū)段內(nèi)，列車的散熱量較多。由于軌道排風(fēng)系統(tǒng)只在車站隧道內(nèi)設(shè)置，對區(qū)間隧道的作用較弱，故在列車制動的區(qū)段內(nèi)溫度較高。

2.3斷面大、阻塞比小、活塞效應(yīng)弱

地鐵多為雙洞單線，隧道斷面在20 m2左右，列車阻塞比為0.4～0.5，列車活塞效應(yīng)較強(qiáng)。本工程為單洞雙線，隧道斷面積為89 m2，列車阻塞比僅為 0.15，活塞效應(yīng)較弱，并且列車為雙向行駛，活塞效應(yīng)會進(jìn)一步減弱，導(dǎo)致隧道內(nèi)的散熱量不能夠及時排出，勢必會造成隧道溫度升高。

由以上分析可以得出如下結(jié)論： 本工程隧道具有散熱量大、斷面大、阻塞比小等特點(diǎn)，與常規(guī)的地鐵設(shè)計(jì)不同，故需對隧道通風(fēng)系統(tǒng)的配置進(jìn)行研究，以確保隧道內(nèi)的溫度和新風(fēng)量滿足設(shè)計(jì)的要求。

3 隧道運(yùn)營通風(fēng)系統(tǒng)研究

3.1設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

文獻(xiàn)[13]規(guī)定隧道內(nèi)設(shè)計(jì)溫度不高于28 ℃，由于本工程包含有地下車站，列車制動、停車和啟動過程中會散發(fā)大量的熱量。若按28 ℃進(jìn)行設(shè)計(jì)，會導(dǎo)致運(yùn)營通風(fēng)系統(tǒng)配置和后期運(yùn)營費(fèi)用過大，故本工程的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)按《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]執(zhí)行。主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)如下。

1)室外設(shè)計(jì)參數(shù)。隧道通風(fēng)夏季室外計(jì)算干球溫度為32.0 ℃； 隧道通風(fēng)夏季室外計(jì)算濕球溫度為28.0 ℃。

2)隧道溫度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。正常運(yùn)行時區(qū)間隧道小時平均溫度不超過40 ℃。

3)新風(fēng)量設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。隧道內(nèi)乘客新風(fēng)量不小于12.6 m3/(h·人)。

3.2隧道運(yùn)營通風(fēng)系統(tǒng)配置

隧道內(nèi)共設(shè)置5處活塞風(fēng)井，其中益田路隧道2處、福田車站2處、深港隧道(深圳段)1處。益田路隧道利用1#豎井和2#豎井作為活塞風(fēng)井，福田車站在車站進(jìn)出站端各設(shè)1處活塞風(fēng)井，深港隧道(深圳段)利用皇崗公園工作井做為活塞風(fēng)井，風(fēng)井間距分別為 1 498、1 576、1 021、1 620 m，風(fēng)井內(nèi)均設(shè)置事故隧道風(fēng)機(jī)。在香港段利用米浦豎井設(shè)置活塞風(fēng)井，設(shè)置里程為DK117+363。

為了及時排出列車停站時制動系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)的散熱量，在福田車站隧道內(nèi)設(shè)置軌道排熱系統(tǒng)。隧道通風(fēng)系統(tǒng)原理圖見圖2。

圖2 隧道通風(fēng)系統(tǒng)原理圖

3.3計(jì)算邊界條件

福田車站按車站站臺設(shè)置屏蔽門設(shè)計(jì)。

車輛采用CRH型動車組，8輛編組，車輛長度為214 m，平均加速度為0.406 m/s2，平均減速度為0.55 m/s2，列車最高速度為200 km/h，高峰小時列車對數(shù)為20對。

3.4活塞風(fēng)井設(shè)置研究

在列車正常運(yùn)營時，應(yīng)充分利用列車產(chǎn)生的活塞風(fēng)進(jìn)行通風(fēng)換氣，從而達(dá)到對隧道降溫除濕的目的，在確保隧道內(nèi)新風(fēng)量、人員舒適性與溫度的同時，盡可能減少風(fēng)機(jī)的運(yùn)行時間，降低系統(tǒng)的運(yùn)行能耗。為了對不同通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)置進(jìn)行對比分析，研究中提出了多種通風(fēng)方案，以對正常運(yùn)營時的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

3.4.1 區(qū)間隧道活塞風(fēng)井設(shè)置研究

對益田路和深港隧道(深圳段)3種活塞風(fēng)井設(shè)置面積(見表1)進(jìn)行研究。采用SES4.1模擬軟件對隧道內(nèi)新風(fēng)量和溫度進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見圖3和表2。

表1 區(qū)間隧道活塞風(fēng)井比選方案

圖3 不同區(qū)間風(fēng)井面積下隧道內(nèi)空氣溫度分布Fig. 3 Temperature distributions in tunnel with different interval shaft areas

表2不同區(qū)間風(fēng)井面積下隧道通風(fēng)模擬結(jié)果
Table 2 Simulation results of tunnel ventilation with different interval shaft areas

方案新風(fēng)量/(m3/s)人均新風(fēng)量/(m3/(人·h))隧道最高溫度/℃14365940．525237139．935857939．5

由圖3的溫度分布結(jié)果可以得出如下結(jié)論：

口譯釋意中的解釋表明譯員做口譯時并不拘泥于源語的語言形式，而是充分考慮到源語發(fā)布的情境并融入自己的相關(guān)知識，透徹理解源語的信息意義，擯棄字詞對應(yīng)的翻譯方式，集中精力搜覓合適的詞語在規(guī)定時間內(nèi)傳達(dá)語境中的特定信息意義[3]。例如社科院農(nóng)村發(fā)展研究所的吳國寶教授在中國減貧工作經(jīng)驗(yàn)講座中談道：“越來越多農(nóng)村青壯年選擇去城里打工來提高收入，給城市發(fā)展增加了勞動力，卻也造成了空心村現(xiàn)象?！痹谔幚怼翱招拇濉币辉~時，筆者為促進(jìn)外賓的現(xiàn)場理解，采取了解釋的方式，將其譯為Without young people living in their hometown,villagesbecomeempty.

1)隧道溫度呈現(xiàn)兩端低、車站高的趨勢，有3個溫度最高點(diǎn)，分別為福田車站、靠近車站左端和右端活塞風(fēng)井處，其中最高溫度出現(xiàn)在靠近車站左端的活塞風(fēng)井處。

2)車站兩端高溫區(qū)段長度多達(dá)4 000 m，均分布在車站和靠近車站兩側(cè)的區(qū)間隧道，說明散熱量主要集中在該段區(qū)域。

3)車站兩端活塞風(fēng)井降溫效果明顯，經(jīng)過活塞風(fēng)井后最高溫度降低3.5～5 ℃。

由表2可知： 1)隨著活塞風(fēng)井面積的增加，進(jìn)入隧道的新風(fēng)量也隨之增加。風(fēng)井面積每增加20 m2，新風(fēng)量增加60～80 m3/s。3種方案隧道內(nèi)人員新風(fēng)量均大于30 m3/(人·h)，能滿足規(guī)范要求。2)風(fēng)井面積增加會降低隧道內(nèi)的溫度，風(fēng)井面積每增加20 m2，平均溫度降低1～1.5 ℃。3)隨著風(fēng)井面積的增加，新風(fēng)量增加幅度和溫度降低幅度逐漸減小，且會造成土建投資加大。

綜合經(jīng)濟(jì)性和實(shí)施效果2方面考慮，推薦采用方案2，即區(qū)間活塞風(fēng)井面積取40 m2，隧道內(nèi)的最高溫度為39.9 ℃。

3.4.2 福田車站活塞風(fēng)井設(shè)置研究

采用SES4.1模擬軟件對福田車站兩端不同活塞風(fēng)井面積進(jìn)行計(jì)算，共選取以下3種方案(見表3)。新風(fēng)量與溫度計(jì)算結(jié)果見圖4和表4。

表3 福田車站活塞風(fēng)井比選方案

圖4 不同車站風(fēng)井面積下隧道內(nèi)空氣溫度分布Fig. 4 Temperature distributions in tunnel with different station shaft areas

表4 不同車站風(fēng)井面積下隧道通風(fēng)模擬結(jié)果Table 4 Simulation results of tunnel ventilation with different station shaft areas

綜合經(jīng)濟(jì)性和實(shí)施效果考慮，福田站兩端的活塞風(fēng)井面積按60 m2進(jìn)行選取。

3.5車站隧道排熱風(fēng)量研究

采用SES4.1軟件對不同排熱風(fēng)量進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算邊界條件見表5，計(jì)算結(jié)果見圖5和表6。

表5 福田車站排熱風(fēng)量比選方案

圖5 不同排熱風(fēng)量下隧道內(nèi)空氣溫度分布Fig. 5 Temperature distributions in tunnel under different air exhausting volumes

表6不同排熱風(fēng)量下隧道通風(fēng)模擬結(jié)果
Table 6 Simulation results of tunnel ventilation under different air exhausting volumes

方案新風(fēng)量/(m3/s)人均新風(fēng)量/(m3/(人·h))隧道最高溫度/℃15237139．925617639．336118239．1

隨著排熱風(fēng)量的增加，新風(fēng)量逐漸增加，隧道溫度逐漸降低，并且隨著排熱風(fēng)量的增加，空氣的降溫幅度逐漸減小。當(dāng)排熱風(fēng)量高于450 m3/s時，人均新風(fēng)量和隧道最高溫度均滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求?？紤]到一定的安全余量和經(jīng)濟(jì)性，排熱風(fēng)量取540 m3/s，隧道最高溫度為39.3 ℃，新風(fēng)量為76 m3/(人·h)。

4 結(jié)論與討論

對于設(shè)有地下車站的高速鐵路隧道，與常規(guī)地鐵隧道相比，具有列車時速高、隧道斷面大、列車阻塞比小、散熱量大等特點(diǎn)，隧道通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與地鐵不同。根據(jù)以上模擬研究，得到了如下結(jié)論。

1)隧道內(nèi)共設(shè)5處活塞風(fēng)井，分別為益田路1#風(fēng)井和2#風(fēng)井、福田站小里程和大里程端風(fēng)井以及皇崗公園風(fēng)井，風(fēng)井間距分別為1 498、1 576、1 021、1 620 m。

2)福田車站兩端活塞風(fēng)井面積均為60 m2，其余3處活塞風(fēng)井面積均為40 m2。

3)福田車站內(nèi)設(shè)置軌道排風(fēng)系統(tǒng)，排熱風(fēng)量為540 m3/s。

4)優(yōu)化后人均新風(fēng)量為76 m3/(人·h)，隧道最高溫度為39.3 ℃，均滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

本文對運(yùn)營通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，而阻塞和火災(zāi)通風(fēng)系統(tǒng)將是本課題下一步的研究方向。

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StudyofVentilationSystemofFutianStationandAdjacentIntervalTunnelsonGuangzhou-Shenzhen-HongkongPassenger-dedicatedLine

CHEN Yuyuan

(ChinaRailwaySiyuanSurveyandDesignGroupCo.,Ltd.,Wuhan430063,Hubei,China)

The Futian Station and adjacent interval tunnels on Guangzhou-Shenzhen-Hongkong Passenger-dedicated Line are single-tube double-line tunnels characterized by high speed, large cross-section, small blocking ratio, low piston effect and large heat dissipation. In order to ensure the personnel comfortable requirements inside the tunnel, the key technologies of controlling the temperature and fresh air inside the tunnel should be solved. The setting of piston shafts of intervals and station, shaft area and volume of exhaust air are studied. Some conclusions are drawn as follows: 1) Five piston shafts should be set inside the tunnel in total, namely shaft No. 1 and No. 2 on Yitian Road, one on both ends of Futian Station and one in Huanggang Park. 2) The shaft area on both ends of Futian station is 60 m2respectively; and the other three are 40 m2respectively. 3) The air exhausting volume of Futian Station is 540 m3/s. 4) The optimized highest temperature inside the tunnel is 39.3 ℃; and the per-person ventilation rates is 76 m3/h, which coincides with the design standards.

underground station of passenger-dedicated line; interval tunnel; ventilation system; optimization

2017-01-10;

2017-04-20

陳玉遠(yuǎn)(1982—)，男，安徽蕭縣人，2007年畢業(yè)于重慶大學(xué)，暖通專業(yè)，碩士，高級工程師，主要從事于地鐵和市政隧道通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究工作。 E-mail： 28158604@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.10.016

U 45

A

1672-741X(2017)10-1317-05