市域鐵路地下隧道通風系統(tǒng)模擬分析

黃俊杰

中鐵第四勘察設計院集團有限公司

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化進程的快速推進，原有的城市規(guī)模和單區(qū)域城市類型已無法滿足發(fā)展需求，越來越多的城市逐漸將之前的半城市地區(qū)或者周邊村鎮(zhèn)納入到城市發(fā)展的行列中，或者結(jié)合周邊城市的發(fā)展，逐漸形成城市經(jīng)濟圈，這就要求交通形式必須滿足人們的快速出行需求。市域鐵路是介于城際鐵路和軌道交通之間的一種新型交通形式，其與城際鐵路相比，區(qū)間長度較短，發(fā)車間隔更小，與軌道交通相比，其區(qū)間長度和發(fā)車間隔都要較長一些。

國內(nèi)首條市域鐵路是2010 年通車的成都至都江堰的市域鐵路，溫州市域鐵路S1 線也于2019 年開通運營，很多地區(qū)也都在規(guī)劃和建設市域鐵路。市域鐵路目前基本按照地鐵方式進行設計，國內(nèi)外很多學者對地下空間內(nèi)的隧道通風也進行了大量的研究。賀娜介紹了地鐵隧道通風系統(tǒng)單、雙活塞兩種系統(tǒng)的工作原理，給出了單、雙活塞系統(tǒng)各自適用區(qū)域的應用建議[1]。姜尊仁介紹了南昌2 號線陽明公園站隧道通風系統(tǒng)設計方案[2]。周孝清等人對地鐵隧道火災中一種最復雜的模式進行了數(shù)值分析，對隧道內(nèi)氣流的速度值進行了分析，得出保證乘客安全疏散的有效氣流速度[3]。梅寧研究了過江隧道中隧道通風系統(tǒng)對確定大盾構(gòu)斷面的影響，得出隧道通風不是影響盾構(gòu)斷面確定的主要因素[4]。高宏研究了地鐵隧道內(nèi)交叉渡線處活塞風井的設置對隧道熱環(huán)境的影響，得出活塞風井設于車站站臺與交叉渡線之間，且適當增大活塞風井面積可滿足溫度和通風要求[5]。劉立爭等人采用理論分析、CFD 數(shù)值模擬對北京某地鐵單隧道發(fā)生火災時的通風排煙系統(tǒng)進行了模擬分析，火災發(fā)生的位置不同，相應的最優(yōu)通風排煙模式也不同[6]。市域鐵路在中心城區(qū)基本利用地下空間，車站和區(qū)間隧道都是狹長的地下建筑，除了地下車站的出入口以及車站和區(qū)間的通風口外，其與地面幾乎不連通，因此，市域鐵路的地下空間部分必須做好隧道通風系統(tǒng)設計，控制車站和區(qū)間內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，保證乘客的舒適性和列車運行的安全性。

本文采用SES 程序建立某市域鐵路地下區(qū)間隧道的計算模型，計算得出正常工況下地下區(qū)間隧道內(nèi)的溫度變化情況和影響因素，并通過模型計算分析阻塞和火災工況下，地下區(qū)間隧道內(nèi)通過設置有效的通風排煙設施可以保證隧道內(nèi)的排熱安全和乘客的安全疏散。通過本文的研究，提供了不同工況下市域鐵路地下隧道通風系統(tǒng)的模擬計算分析，為地下區(qū)間隧道通風系統(tǒng)的設計提供了指導。

1 隧道通風系統(tǒng)SES 模型建立

隧道通風系統(tǒng)包括區(qū)間隧道通風和車站隧道通風，當采用自然通風無法滿足隧道內(nèi)環(huán)控要求時，必須采用機械通風方式將隧道內(nèi)的氣流有效的組織起來。區(qū)間隧道通風和車站隧道通風在功能上相互補充，共同維護隧道內(nèi)的溫濕度等參數(shù)滿足運行需求，并且在阻塞和火災事故工況下，能夠保證隧道內(nèi)的溫度不超過限值要求，以及火災時人員的安全疏散。

1.1 區(qū)間隧道通風

地下隧道由隧道出入口、地下車站、中間風井劃分為不同的地下區(qū)間，區(qū)間隧道通風一般采用縱向式通風，在隧道進出口、車站大小里程端頭或者中間風井位置處設置機械通風設施，同時利用列車在隧道內(nèi)運行時產(chǎn)生的活塞作用，使得區(qū)間隧道內(nèi)的空氣能夠與外界環(huán)境進行有效的換氣，其通風原理圖如圖1：

圖1 區(qū)間隧道通風系統(tǒng)原理圖

1.2 車站隧道通風

地下車站是乘客上下車的主要通道，位于城市的中心地段，且具有短時候車的功能，必須保證車站內(nèi)的溫濕度滿足舒適候車的需求。目前，地下車站與隧道之間基本通過屏蔽門進行隔斷，將隧道與車站主體建筑進行分割。當列車需要停靠在地下車站時，剎車等因素會產(chǎn)生大量的散熱，如不及時將此部分熱量排出去，會在車站頂部積聚大量的熱量，進而影響到列車和車站內(nèi)的熱濕環(huán)境，造成乘客的不舒適性，因此，地下車站隧道內(nèi)需要設置軌頂或者軌底排風道，利用排熱風機將熱量及時的排出去，其通風原理圖如圖2：

圖2 車站隧道通風系統(tǒng)原理圖

1.3 隧道通風SES 模型

地下隧道由區(qū)間隧道和車站隧道兩部分組成，分別在區(qū)間和車站位置布置機械風機，在隧道出入口設置可逆射流風機，中間工作井位置處設置隧道軸流風機，車站大小里程位置處同時設置隧道軸流風機，相互作用共同保證隧道內(nèi)環(huán)控參數(shù)滿足設計要求。

選取某市域鐵路規(guī)劃線，其包括兩段地下隧道，第一段隧道長6478 m，包含兩座地下車站和一處中間工作井，車站間距4436 m，第二段隧道長4266 m，包含了兩座地下車站，車站間距2310 m。隧道區(qū)間結(jié)構(gòu)的形式主要為明挖，盾構(gòu)和礦山法，斷面的面積分別為36.82 m2，37.81 m2和41.52 m2，區(qū)間隧道采用雙活塞風道，車站隧道內(nèi)只考慮采用軌頂排熱方式。根據(jù)兩段地下隧道的結(jié)構(gòu)形式、車站形式等，建立隧道的簡化節(jié)點模型，利用SES 程序建立地下隧道的物理計算模型，輸入運行相關的環(huán)境參數(shù)，土壤參數(shù)，線路參數(shù)，列車參數(shù)和客流參數(shù)等，對兩段隧道內(nèi)的列車運行狀況進行模擬分析。

2 正常工況下隧道溫度模擬分析

市域鐵路根據(jù)初期，近期和遠期的客流量合理的安排車輛數(shù)和行車間隔，初期和近期發(fā)車密度低于遠期規(guī)劃的發(fā)車密度，而隧道通風系統(tǒng)是一次性建成的，因此，隧道通風必須滿足遠期條件下的環(huán)控要求。依據(jù)建立的SES 模型，列車間隔取2 min，考慮遠期高峰小時為下午17 點，隧道1 的左右線溫度分布圖具體如圖3：

圖3 隧道1 遠期正常工況下左右線溫度分布

從圖3 可以看出，左線在車站2 位置處出現(xiàn)最高溫度33.5 ℃，右線在車站1 位置處出現(xiàn)最高溫度33.6 ℃。對于左線來說，溫度隨著隧道里程的增加逐漸降低，隧道壁面溫度低于隧道內(nèi)空氣溫度，因此壁面對隧道內(nèi)的空氣具有降溫作用。在車站1 和車站2 位置處，由于列車的剎車散熱和車站內(nèi)的人體散熱等熱繞因素，造成車站隧道區(qū)域溫度逐漸上升。右線從大里程到小里程的變化趨勢與左線一致，與左線在車站位置處相交，左線列車出口位置空氣溫度比進口位置高1.9 ℃，右線列車出口位置空氣溫度比進口位置高1.0 ℃。

圖4 為隧道2 遠期運營能力下左線和右線的溫度隨線路里程的變化分布，左線在車站3 位置處出現(xiàn)最高溫度33.6 ℃，右線在車站3 位置處出現(xiàn)最高溫度35.7 ℃，比左線高出2.1 ℃。隧道左右線的溫度隨里程的變化趨勢與隧道1 基本一致，車站3 大里程端設置存車線，且左線和右線的隧道合并，因此此處溫度相互重疊。右線溫度在車站3 快速上升，主要原因是車站3 位置上車人數(shù)達到47 人，導致此區(qū)域溫度比左線高出2.8 ℃，因此，車站上下車人數(shù)對隧道內(nèi)溫度的影響比較大。

圖4 隧道2 遠期正常工況下左右線溫度分布

3 事故工況下隧道通風模擬分析

列車在隧道內(nèi)運行，事故工況分為阻塞工況和火災工況。當列車因故障停留在區(qū)間隧道，即隧道內(nèi)發(fā)生阻塞工況。當列車在隧道內(nèi)發(fā)生火災時，列車應盡可能的駛向前方車站或者駛離地下隧道，在車站或者隧道外疏散乘客，排煙和滅火，在列車無法駛出地下隧道時，只能在隧道內(nèi)疏散乘客，此時必須根據(jù)列車所在位置和火災位置啟動相應的隧道防排煙設備，即為火災工況。

3.1 區(qū)間阻塞工況

當列車在區(qū)間發(fā)生阻塞時，根據(jù)列車所在位置處，開啟相應區(qū)間上下行線的射流風機或者隧道風機，并且隧道外的車輛不再進入隧道，其控制原理圖如圖5所示：

圖5 區(qū)間阻塞工況送排風示意圖

根據(jù)阻塞工況風機運行規(guī)律，隧道1 考慮左線入口至車站1 區(qū)間內(nèi)發(fā)生阻塞，開啟隧道入口的射流風機，車站1 大小里程端部的隧道風機同時開啟排風，排熱風機維持正常開啟狀態(tài)，利用SES 模擬軟件計算出阻塞段內(nèi)風量達到183.9 m3/h，風速4.8 m/s，列車周圍溫度33.3 ℃，滿足《地鐵設計規(guī)范》（GB50157-2003）中阻塞工況下低于40 ℃限值的要求。

隧道2 考慮左線車站3 和車站4 區(qū)間內(nèi)發(fā)生阻塞，開啟車站3 大小里程端部的隧道風機送風，排熱風機關閉，開啟車站4 大小里程端部的隧道風機排風，排熱風機維持正常開啟狀態(tài)，利用SES 模擬軟件計算出阻塞段內(nèi)風量達到129.8 m3/h，風速3.4 m/s，列車周圍溫度33.3 ℃，滿足阻塞工況下低于40 ℃限值的要求。

3.2 區(qū)間火災工況

當列車在區(qū)間發(fā)生火災時，必須立即啟動相應的火災運行模式，開啟隧道內(nèi)的射流風機和隧道風機，控制著火區(qū)間的氣流方向與乘客的疏散方向相反，乘客迎著新風方向進行疏散，并保證火災煙氣不進入疏散通道內(nèi)，另一側(cè)隧道內(nèi)停止行車，其控制原理圖如圖6：

圖6 區(qū)間火災工況送排風示意圖

列車在區(qū)間內(nèi)發(fā)生火災時，乘客迎著新風方向進行疏散，并且從最近的聯(lián)絡通道進入非火災隧道內(nèi)進行疏散，全線同一時間考慮發(fā)生一次火災，火災規(guī)模按照20 MW 進行計算。隧道1 和隧道2 考慮在阻塞工況位置處發(fā)生火災，利用SES 模擬軟件計算出阻塞段內(nèi)風量分別達到了168.1 m3/h 和116.3 m3/h，風速分別達到了4.4 m/s 和3.1 m/s，大于煙氣的回流速度，能夠保證乘客的安全疏散。

4 結(jié)論

1）區(qū)間隧道通風在隧道進出口、車站大小里程端部和中間工作井位置處設置機械排風設施，車站隧道通風在隧道內(nèi)設置軌頂或者軌底排風道，相互作用將隧道內(nèi)熱量及時排出去。

2）市域鐵路地下隧道按照遠期運營能力進行SES 建模計算，隧道壁面對隧道內(nèi)空氣具有降溫作用，在車站位置由于剎車產(chǎn)生的熱量和人體散熱使得隧道內(nèi)溫度升高。地下車站的上下車人數(shù)對車站隧道內(nèi)溫度的影響比較大，車站內(nèi)需要設置有效的機械排熱系統(tǒng)。

3）區(qū)間發(fā)生阻塞時，開啟相應區(qū)間上下行線的隧道風機，可以保證阻塞位置處溫度不超過限值要求。區(qū)間發(fā)生火災時，通過設置隧道通風排煙系統(tǒng)，可以有效的保證乘客的安全疏散。