鄭州地鐵17號(hào)線(xiàn)長(zhǎng)大區(qū)間隧道中間風(fēng)井通風(fēng)方案研究

張　雄

(中鐵四院集團(tuán)西南勘察設(shè)計(jì)有限公司， 云南 昆明　650220)

0　引言

國(guó)內(nèi)部分城市地鐵工程有長(zhǎng)大區(qū)間隧道，此類(lèi)區(qū)間行車(chē)密度大，區(qū)間較長(zhǎng)，存在多輛列車(chē)同時(shí)運(yùn)行的可能。一旦區(qū)間內(nèi)發(fā)生火災(zāi)等事故，通風(fēng)下游側(cè)的非事故列車(chē)將會(huì)受到影響[1]。目前業(yè)內(nèi)普遍采用設(shè)置中間風(fēng)井等方式將長(zhǎng)大區(qū)間分成多個(gè)通風(fēng)區(qū)段，保證每個(gè)通風(fēng)區(qū)段內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)列車(chē)同向追蹤運(yùn)行的情況[2]。郝世杰[3]結(jié)合青島地鐵1號(hào)線(xiàn)，通過(guò)風(fēng)井和集中排煙口將瓦屋莊站—貴州路站區(qū)間分成5個(gè)通風(fēng)區(qū)段。 夏繼豪[4]通過(guò)SES與FDS軟件計(jì)算研究了某地鐵跨海超長(zhǎng)區(qū)間隧道通風(fēng)排煙方案，采取在岸邊設(shè)置中間風(fēng)井和海域中部設(shè)置集中排煙口的形式，將跨海區(qū)間分成4個(gè)通風(fēng)區(qū)段。張之啟[5]基于南京地鐵過(guò)江隧道，研究得到對(duì)于同時(shí)存在多列車(chē)同向運(yùn)行的長(zhǎng)大區(qū)間隧道，當(dāng)區(qū)間隧道采用大洞方案時(shí)，設(shè)置頂部風(fēng)道、風(fēng)口來(lái)組織隧道內(nèi)的通風(fēng)排煙； 當(dāng)區(qū)間隧道采用小洞方案時(shí)，在區(qū)間隧道上設(shè)置中間風(fēng)井，利用中間風(fēng)井進(jìn)行通風(fēng)排煙。

對(duì)于部分地鐵工程，由于正常運(yùn)營(yíng)時(shí)中間風(fēng)井活塞通風(fēng)作用對(duì)地鐵環(huán)境優(yōu)化效果不明顯，因此相關(guān)學(xué)者對(duì)中間風(fēng)井活塞風(fēng)功能的必要性提出了質(zhì)疑。何劍鋒[6]通過(guò)SES軟件計(jì)算分析了不同風(fēng)井設(shè)置方案下，成都7號(hào)線(xiàn)琉璃場(chǎng)站與科華路站區(qū)間隧道內(nèi)的溫度分布與空氣流量，認(rèn)為可取消中間風(fēng)井的活塞通風(fēng)作用； 林放等[7]基于成都某地鐵線(xiàn)路，以溫度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，從地鐵環(huán)控通風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能角度認(rèn)為取消中間風(fēng)井活塞通風(fēng)作用利大于弊。為了保證事故工況時(shí)的通風(fēng)要求，部分地鐵工程對(duì)中間風(fēng)井進(jìn)行了改進(jìn)，采用取消活塞風(fēng)功能、保留機(jī)械通風(fēng)功能的通風(fēng)方案。孫勛考[8]通過(guò)計(jì)算，得到某跨海中間風(fēng)井不設(shè)置活塞通風(fēng)功能時(shí)，區(qū)間內(nèi)溫度和新風(fēng)量也可滿(mǎn)足規(guī)范要求，因此中間風(fēng)井只設(shè)機(jī)械通風(fēng)功能； González等[9]基于典型區(qū)間和車(chē)站，通過(guò)Fluent軟件計(jì)算得到區(qū)間中部機(jī)械通風(fēng)能夠有利于運(yùn)行列車(chē)產(chǎn)生活塞效應(yīng)。

以往關(guān)于中間風(fēng)井通風(fēng)方案的研究主要集中在取消活塞風(fēng)功能方面，但基本只針對(duì)非長(zhǎng)大地鐵區(qū)間隧道，且主要通過(guò)分析隧道環(huán)境來(lái)進(jìn)行研究，并未依據(jù)隧道環(huán)境與工程經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)對(duì)地鐵長(zhǎng)大區(qū)間隧道中間風(fēng)井的通風(fēng)方案進(jìn)行綜合分析。本文采用SES軟件計(jì)算，對(duì)鄭州地鐵17號(hào)線(xiàn)長(zhǎng)大區(qū)間隧道(機(jī)場(chǎng)站—新港八路站)中間風(fēng)井通風(fēng)方案進(jìn)行研究。

1　工程概況

1.1　區(qū)間概況

鄭州地鐵17號(hào)線(xiàn)長(zhǎng)大區(qū)間隧道(機(jī)場(chǎng)站—新港八路站)長(zhǎng)度約為6.7 km，主體為雙洞單線(xiàn)盾構(gòu)隧道。結(jié)合車(chē)輛追蹤能力，設(shè)置2座中間風(fēng)井，與小里程端車(chē)站的中心距離分別為2 322、4 572 m。工程概況如圖1所示。

圖1　工程概況圖(單位： m)

1.2　通風(fēng)方案

中間風(fēng)井與車(chē)站隧道風(fēng)機(jī)風(fēng)量為60 m3/s，車(chē)站排熱風(fēng)機(jī)風(fēng)量為35 m3/s。根據(jù)中間風(fēng)井保留與取消活塞風(fēng)功能，即根據(jù)活塞風(fēng)道數(shù)量的不同情況，將通風(fēng)方案分為取消活塞風(fēng)功能(僅保留機(jī)械通風(fēng)功能)、單活塞通風(fēng)模式和雙活塞通風(fēng)模式，分別簡(jiǎn)稱(chēng)為方案A、B、C。圖2示出不同中間風(fēng)井通風(fēng)方案原理，考慮到新風(fēng)換氣效果，設(shè)置方案B為保留中間風(fēng)井1左線(xiàn)與中間風(fēng)井2右線(xiàn)的活塞風(fēng)功能[10]。

(a) 方案A (b) 方案B(c) 方案C

圖2通風(fēng)方案原理圖

Fig. 2Sketch of ventilation schemes

2　計(jì)算模型與條件

2.1　計(jì)算模型

本文主要采用SES軟件對(duì)正常運(yùn)行工況下該區(qū)間隧道的新風(fēng)量、溫度和牽引能耗進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)線(xiàn)路、隧道、車(chē)輛和行車(chē)等多個(gè)專(zhuān)業(yè)提供的資料，對(duì)全線(xiàn)地鐵線(xiàn)路進(jìn)行建模，包括該長(zhǎng)大區(qū)間隧道在內(nèi)的2站1區(qū)間節(jié)點(diǎn)，如圖3所示。

圖中編號(hào)代表區(qū)間或風(fēng)井段。

圖3計(jì)算節(jié)點(diǎn)圖

Fig. 3Sketch of calculation nodes

2.2　計(jì)算條件

隧道夏季通風(fēng)計(jì)算干球溫度為26.5 ℃，地層恒溫層溫度為17 ℃。依據(jù)地質(zhì)專(zhuān)業(yè)提供的資料，計(jì)算得到土壤平均導(dǎo)熱系數(shù)為1.67 W/(m·K)，平均熱擴(kuò)散率為2×10-3m2/h； 混凝土導(dǎo)熱系數(shù)為1.3 W/(m·K)，熱擴(kuò)散率為2.3×10-3m2/h。

采用B型車(chē)6輛編組，最高運(yùn)行速度為100 km/h。初、近、遠(yuǎn)期高峰小時(shí)行車(chē)對(duì)數(shù)為15、24、27對(duì)/h。列車(chē)采用架空接觸網(wǎng)供電，電壓為DC 1 500 V。車(chē)站隧道僅設(shè)置軌頂排熱風(fēng)道[11]。

3　計(jì)算結(jié)果及分析

3.1　隧道環(huán)境

3.1.1新風(fēng)量

地鐵運(yùn)營(yíng)一般采用等時(shí)距發(fā)車(chē)，因此隧道內(nèi)的風(fēng)量分布基本呈周期變化。計(jì)算得到正常運(yùn)行工況下遠(yuǎn)期高峰小時(shí)右線(xiàn)平均風(fēng)量分布如圖4所示。A方案區(qū)間隧道風(fēng)向與車(chē)行方向相同，外界新風(fēng)只能通過(guò)機(jī)場(chǎng)站的活塞風(fēng)道抽吸進(jìn)入該區(qū)間隧道，隧道內(nèi)平均新風(fēng)量?jī)H為(21.9+58.7) m3/s=80.6 m3/s。保留活塞風(fēng)功能的風(fēng)井兼顧自然進(jìn)、排風(fēng)功能，因此隨著活塞風(fēng)道數(shù)量的增加，通過(guò)中間風(fēng)井抽吸進(jìn)入隧道的新風(fēng)量顯著增加，B、C方案隧道內(nèi)平均新風(fēng)量分別增大至97.4、128 m3/s。

(a) 方案A

(b) 方案B

(c) 方案C

圖中“+”、“-”分別表示排風(fēng)和進(jìn)風(fēng)。

圖4遠(yuǎn)期高峰小時(shí)右線(xiàn)平均風(fēng)量分布

Fig. 4Average air volume distribution at right route in long-term peak hours

圖5示出正常運(yùn)行工況下高峰小時(shí)該區(qū)間隧道新風(fēng)換氣次數(shù)。中間風(fēng)井取消活塞風(fēng)功能時(shí)，新風(fēng)只能通過(guò)機(jī)場(chǎng)站的活塞風(fēng)道進(jìn)入該區(qū)間隧道，計(jì)算得到A方案新風(fēng)換氣次數(shù)小于2 次/h，不滿(mǎn)足《城市軌道交通工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》[12]中所規(guī)定的換氣次數(shù)不得小于3 次/h的要求。隨著活塞風(fēng)道數(shù)量的增加，中間風(fēng)井換氣能力增強(qiáng)，B方案新風(fēng)換氣次數(shù)增大至2～3 次/h； C方案新風(fēng)換氣次數(shù)最大，除行車(chē)對(duì)數(shù)為15對(duì)/h且排熱風(fēng)機(jī)關(guān)閉時(shí)換氣次數(shù)略低于3 次/h外，其他工況下?lián)Q氣次數(shù)均大于3 次/h，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

(a) 隧道左線(xiàn)

(b) 隧道右線(xiàn)

圖中K和G分別表示車(chē)站排熱風(fēng)機(jī)開(kāi)啟和關(guān)閉。

圖5高峰小時(shí)隧道新風(fēng)換氣次數(shù)

Fig. 5Air changing times of tunnel in peak hours

3.1.2隧道溫度

正常運(yùn)行工況下遠(yuǎn)期高峰小時(shí)該區(qū)間隧道內(nèi)溫度分布如圖6所示。A方案的隧道左、右線(xiàn)平均溫度分別為31.9、32.0 ℃，且不同縱向位置處的溫度差距較小。隨著活塞風(fēng)道數(shù)量的增加，通過(guò)中間風(fēng)井抽吸進(jìn)入隧道的新風(fēng)量顯著增加，新風(fēng)隨著隧道風(fēng)向風(fēng)井下游側(cè)流動(dòng)，下游側(cè)的空氣溫度逐漸降低。相較于A方案，B、C方案的隧道內(nèi)平均溫度分別降低0.2、0.4 ℃。由圖6可知，不同通風(fēng)方案的隧道內(nèi)最高溫度都小于35 ℃，滿(mǎn)足《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]等相關(guān)規(guī)范的要求。

(a) 隧道左線(xiàn)

(b) 隧道右線(xiàn)

3.2　工程經(jīng)濟(jì)性

3.2.1初投資

初投資主要分為土建投資與設(shè)備投資兩部分。隨著活塞風(fēng)道數(shù)量的增加，需增加額外的土建面積、電動(dòng)組合風(fēng)閥等。中間風(fēng)井地下部分共3層，不同通風(fēng)方案的土建與設(shè)備差別主要集中在地下一層附屬部分，如圖7所示，其中每組電動(dòng)組合風(fēng)閥配1臺(tái)低壓就地控制箱。

(a) 方案A(b) 方案B (c) 方案C

圖7地下一層平面圖(單位： mm)

Fig. 7Plan of basement 1(unit: mm)

不同中間風(fēng)井通風(fēng)方案初投資比較見(jiàn)表1，表中投資節(jié)省以A方案為基準(zhǔn)。相較于A方案，B、C方案單個(gè)中間風(fēng)井土建面積分別增加100、170 m2，且主要為附屬部分，計(jì)算后可知土建總投資分別增加200、340萬(wàn)元。相較于A方案，B方案單個(gè)中間風(fēng)井增加1組活塞風(fēng)閥，C方案增加2組活塞風(fēng)閥和1組機(jī)械風(fēng)閥，B、C方案單個(gè)中間風(fēng)井電動(dòng)組合風(fēng)閥總面積分別增加20、52 m2，計(jì)算得到設(shè)備總投資分別增加10、26萬(wàn)元。

表1　不同通風(fēng)方案初投資比較

注： “+”、“-”分別表示投資附加和節(jié)?。?風(fēng)閥、低壓就地控制箱及相關(guān)回路合計(jì)總價(jià)按0.25 萬(wàn)元/ m2風(fēng)閥面積計(jì)算。

3.2.2牽引能耗費(fèi)用

保留活塞風(fēng)功能的風(fēng)井兼顧自然進(jìn)、排風(fēng)功能，能夠起到泄壓補(bǔ)風(fēng)的作用。隨著活塞風(fēng)道數(shù)量的增加，隧道內(nèi)壓力降低、行車(chē)阻力減小、列車(chē)牽引能耗降低。以車(chē)輛、行車(chē)、經(jīng)調(diào)及線(xiàn)路等多個(gè)專(zhuān)業(yè)提供的資料為基礎(chǔ)邊界條件，通過(guò)SES軟件計(jì)算得到左、右線(xiàn)單輛列車(chē)牽引能耗。將A方案通過(guò)SES計(jì)算得到的能耗數(shù)據(jù)與供電專(zhuān)業(yè)的計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，誤差在15%以?xún)?nèi)，因此所有通風(fēng)方案的牽引能耗均采用SES軟件進(jìn)行計(jì)算。

不同通風(fēng)方案牽引能耗費(fèi)用比較見(jiàn)表2，表中牽引能耗費(fèi)用以A方案為基準(zhǔn)。A方案左、右線(xiàn)單輛列車(chē)牽引能耗分別為40.45、43.13 kW·h。隨著活塞風(fēng)道數(shù)量的增加，B方案左、右線(xiàn)單輛列車(chē)牽引能耗分別降低至39.01、41.70 kW·h，C方案分別降低至37.89、40.68 kW·h。根據(jù)行車(chē)資料，初、近、遠(yuǎn)期日行車(chē)對(duì)數(shù)分別為180、276、292對(duì)，計(jì)算得到初、近、遠(yuǎn)期B方案比A方案分別節(jié)省能耗費(fèi)用15.5、23.7、25.1 萬(wàn)元/年； C方案比A方案分別節(jié)省27.0、41.4、43.8萬(wàn)元/年。

表2　不同通風(fēng)方案牽引能耗費(fèi)用比較

注： “+”、“-”分別表示費(fèi)用附加和節(jié)省。

3.2.3經(jīng)濟(jì)性比較

不同中間風(fēng)井通風(fēng)方案經(jīng)濟(jì)性差別主要集中在初投資和牽引能耗費(fèi)用。不同通風(fēng)方案投資費(fèi)用比較見(jiàn)表3，費(fèi)用以A方案為基準(zhǔn)。由表3可知： A方案初投資最低，牽引能耗費(fèi)用最高； C方案初投資最高，牽引能耗費(fèi)用最低。

表3　不同通風(fēng)方案投資費(fèi)用比較

注： “+”、“-”分別表示費(fèi)用附加和節(jié)省。

地鐵工程土建設(shè)計(jì)使用年限約為100年[14]，設(shè)備20年更換一次，設(shè)備年維護(hù)費(fèi)用[15]取設(shè)備總值的3%。按復(fù)利法[16]計(jì)算貸款利息，貸款年利率取5%。工程建設(shè)期為5年，近、遠(yuǎn)期分別按建成通車(chē)后10、25年確定。以A方案為基準(zhǔn)，計(jì)算得到建成通車(chē)后，B、C方案總節(jié)省牽引能耗費(fèi)用抵消額外投資分別需要23、24年；以B方案為基準(zhǔn)，C方案抵消額外投資需要26年，見(jiàn)圖8。綜合比較可知，C方案的經(jīng)濟(jì)性最好。

圖8　不同通風(fēng)方案經(jīng)濟(jì)性比較

4　結(jié)論與建議

通過(guò)分析對(duì)比鄭州地鐵17號(hào)線(xiàn)長(zhǎng)大區(qū)間隧道(機(jī)場(chǎng)站—新港八路站)不同中間風(fēng)井活塞通風(fēng)模式下，區(qū)間隧道的新風(fēng)量、溫度、初投資和牽引能耗費(fèi)用等，得到以下結(jié)論。

1)雙活塞通風(fēng)模式下，該區(qū)間隧道新風(fēng)換氣次數(shù)最大且大于3 次/h； 遠(yuǎn)期高峰小時(shí)隧道內(nèi)平均溫度最低，比取消活塞風(fēng)功能時(shí)低0.4 ℃，隧道環(huán)境優(yōu)于其他通風(fēng)方案。

2)雙活塞通風(fēng)模式的初投資最高，牽引能耗費(fèi)用最低，相較于其他通風(fēng)方案，建成通車(chē)后26年的總節(jié)省牽引能耗費(fèi)用可抵消額外投資，經(jīng)濟(jì)性最好。

3)本文在前人研究的基礎(chǔ)上，依據(jù)隧道環(huán)境和工程經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，推薦采用雙活塞通風(fēng)模式。研究成果可為地鐵隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

4)本文主要通過(guò)數(shù)值模擬和理論計(jì)算進(jìn)行研究，實(shí)際工程中隧道環(huán)境需通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)進(jìn)行核實(shí)，工程經(jīng)濟(jì)性也需根據(jù)實(shí)際建設(shè)、運(yùn)營(yíng)情況進(jìn)行確定。同時(shí)，地鐵設(shè)計(jì)需滿(mǎn)足正常運(yùn)行、阻塞、火災(zāi)等多種工況的設(shè)計(jì)原則與標(biāo)準(zhǔn)，本文僅對(duì)正常運(yùn)行工況進(jìn)行了分析，下一步將對(duì)阻塞與火災(zāi)工況時(shí)各中間風(fēng)井通風(fēng)方案的通風(fēng)排煙效果進(jìn)行研究。