南方某地鐵線路活塞風(fēng)亭及活塞風(fēng)道面積的取值優(yōu)化研究

龔保偉

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司,廣東 廣州 510000）

0 引言

車站按通風(fēng)、空調(diào)工藝要求設(shè)置新風(fēng)亭、排風(fēng)亭和活塞風(fēng)亭及相應(yīng)的風(fēng)道，地鐵車站新風(fēng)亭（道）、排風(fēng)亭（道）的面積可分別根據(jù)車站所需要的新風(fēng)量、排風(fēng)量除以規(guī)范規(guī)定的風(fēng)速而確定，進(jìn)一步優(yōu)化的空間不大?；钊L(fēng)亭（道）的面積目前國內(nèi)沒有規(guī)范規(guī)定具體的面積取值，需要根據(jù)隧道斷面、車輛數(shù)據(jù)、行車對數(shù)、客流量等指標(biāo)，通過SES軟件建模計(jì)算來確定[1]。該文以南方某城市地鐵7號線二期工程為例，分別選取活塞風(fēng)亭（道）的面積為20 m2、16 m2、12 m2，通過計(jì)算分析對比三種情況下地鐵區(qū)間系統(tǒng)運(yùn)行情況，從而確認(rèn)該工程的活塞風(fēng)亭（道）最優(yōu)取值。

1 風(fēng)亭面積的優(yōu)化意義

選取一個(gè)典型標(biāo)準(zhǔn)車站分析，車站采用雙活塞系統(tǒng)，在兩端分別設(shè)置一組風(fēng)亭，均為低矮敞口風(fēng)亭，每組風(fēng)亭包括1個(gè)新風(fēng)亭、1個(gè)排風(fēng)亭、2個(gè)活塞風(fēng)亭。根據(jù)地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，當(dāng)采用低矮敞口風(fēng)亭時(shí)，應(yīng)符合下列規(guī)定：1）新風(fēng)與排風(fēng)、新風(fēng)與活塞風(fēng)亭口部之間的水平凈距不應(yīng)小于10 m；2）活塞風(fēng)亭口部之間、活塞風(fēng)亭與排風(fēng)亭口部之間水平凈距不應(yīng)小于5 m；3）風(fēng)亭四周應(yīng)有寬度不小于3 m寬的綠籬。

車站土建風(fēng)道的風(fēng)速≤6 m/s，該站右端新風(fēng)量為226 300 m3/h（大系統(tǒng)新風(fēng)138 000 m3/h+小系統(tǒng)新風(fēng)78 300 m3/h），右端排風(fēng)量為334 300 m3/h（大系統(tǒng)排風(fēng)138 000 m3/h+小系統(tǒng)排風(fēng)78 300 m3/h+軌頂排熱風(fēng)108 000 m3/h），則該站右端新風(fēng)亭、排風(fēng)亭的面積應(yīng)分別大于10.5 m2、15.5 m2（226 300/3 600/6=10.5、334 300/3 600/6=15.5），考慮安全余量，新風(fēng)亭、排風(fēng)亭的面積取值分別定為12 m2、16 m2。根據(jù)隧道通風(fēng)系統(tǒng)工藝要求，活塞風(fēng)亭面積暫定≥16 m2。風(fēng)亭與車站安全疏散口合建，該端的風(fēng)亭組平面布置見圖1。

圖1 某典型標(biāo)準(zhǔn)車站風(fēng)亭組

風(fēng)亭組采用新風(fēng)亭、排風(fēng)亭、活塞風(fēng)亭、活塞風(fēng)亭一字并列布置，該風(fēng)亭組占地面積約為418 m2，四個(gè)風(fēng)亭的面積總和約為60 m2，其余占地均因?yàn)闈M足規(guī)范規(guī)定的間距要求和綠籬要求，單純地減少風(fēng)亭尺寸不會(huì)對整個(gè)風(fēng)亭組的占地造成多大影響，所以對活塞風(fēng)亭面積進(jìn)行取值優(yōu)化意義并不大。

2 風(fēng)道面積的優(yōu)化意義

仍選取上述典型標(biāo)準(zhǔn)車站進(jìn)行分析，隧道風(fēng)機(jī)設(shè)置在活塞風(fēng)道內(nèi)，活塞風(fēng)機(jī)并聯(lián)風(fēng)路上的人防門、風(fēng)閥有效過風(fēng)面積按不小于活塞風(fēng)亭的面積設(shè)計(jì)，考慮活塞風(fēng)閥過風(fēng)面積有效系數(shù)為0.8，活塞風(fēng)閥面積應(yīng)等于風(fēng)亭面積/0.8；為滿足周邊環(huán)境環(huán)評噪聲要求，在活塞風(fēng)道出室外端需要設(shè)置風(fēng)道消聲器。在排風(fēng)道設(shè)置軌頂排風(fēng)機(jī)，利用軌頂排風(fēng)道及時(shí)排走列車空調(diào)器發(fā)熱，排風(fēng)道兼用車站大小系統(tǒng)的排風(fēng)。

若能優(yōu)化活塞風(fēng)道的面積，不僅能減小土建規(guī)模，同時(shí)能減小人防門、風(fēng)道消聲器、風(fēng)閥等設(shè)備尺寸。如果隧道通風(fēng)系統(tǒng)要求的活塞風(fēng)道面積能優(yōu)化4 m2，風(fēng)道長度按40 m考慮，兩條活塞風(fēng)道能減小的土建規(guī)模至少為4*40*2=320 m3，一個(gè)車站能減小的土建規(guī)模至少為640 m3，加上人防門、風(fēng)道消聲器、風(fēng)閥等設(shè)備減少的費(fèi)用，一個(gè)車站相應(yīng)優(yōu)化的總投資額相當(dāng)可觀。另外，降低附屬建筑土建規(guī)模也可減少對周邊環(huán)境的影響和征地難度，帶來一定的社會(huì)效益?？梢?，對活塞風(fēng)道面積進(jìn)行取值優(yōu)化，意義重大。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 計(jì)算內(nèi)容

區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)兩個(gè)車站之間的區(qū)間隧道通風(fēng)與排煙，包括自然通風(fēng)（夜間停運(yùn)時(shí)）、活塞通風(fēng)與機(jī)械通風(fēng)三種方式。在區(qū)間隧道的兩端，即每個(gè)車站的兩端，對應(yīng)每條隧道或只對應(yīng)出站端隧道設(shè)置了直通地面的活塞風(fēng)道，正常運(yùn)行時(shí)，利用列車行駛產(chǎn)生的活塞效應(yīng)，通過活塞風(fēng)道實(shí)現(xiàn)隧道與地面的換氣，即活塞通風(fēng)。

該次計(jì)算內(nèi)容僅為正常工況下的活塞通風(fēng)，按遠(yuǎn)期2048年早高峰運(yùn)營條件設(shè)計(jì)，分別選取活塞風(fēng)亭（道）的面積為20 m2、16 m2、12 m2通過計(jì)算分析對比區(qū)間溫度、風(fēng)亭風(fēng)量和人員新風(fēng)量，從而確認(rèn)該工程的活塞風(fēng)亭（道）最優(yōu)取值。

3.2 工程概況及基礎(chǔ)資料

該地鐵線路起于大學(xué)城南站并向北延伸，終點(diǎn)站為水西北站，線路長約21.9 km，共設(shè)11座車站，均為地下車站，平均站間距約2.0 km，最大站間距3.263 km，全線采用全封閉站臺(tái)門系統(tǒng)。在大學(xué)城南~深井區(qū)間、大沙東~姬堂區(qū)間、科豐路~蘿崗區(qū)間分別設(shè)置一座中間風(fēng)井。區(qū)間隧道均采用盾構(gòu)暗挖工法，盾構(gòu)內(nèi)徑為5.4 m。列車采用6輛編組B型車，正線最高運(yùn)行速度為80 km/h，剎車返饋效率80%，表面摩擦阻力系數(shù)0.023，列車長度120 m。行車系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力行車對數(shù)為30對。運(yùn)載能力按遠(yuǎn)期2048年早高峰運(yùn)營條件設(shè)計(jì)，遠(yuǎn)期早高峰上行最大斷面客流出現(xiàn)在洪圣沙～裕豐圍區(qū)間，為22 704人/h，下行最大斷面客流出現(xiàn)在大沙東～姬堂區(qū)間，為17 110人/h，上行斷面客流高于下行。隧道壁土壤導(dǎo)熱系數(shù)為1.3 W/m·℃，地層溫度為25 ℃。

3.3 區(qū)間溫度對比

區(qū)間隧道內(nèi)的地鐵列車和各種機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行產(chǎn)生大量的熱量。據(jù)統(tǒng)計(jì)當(dāng)列車最大通過能力為30對/h和列車編組為6節(jié)時(shí)，1千米的區(qū)間隧道內(nèi)平均熱量為1 200 kW以上。同時(shí)，密集的乘客以及連續(xù)的照明在區(qū)間隧道內(nèi)也產(chǎn)生大量熱量，為消除這些熱量，需要通過隧道通風(fēng)系統(tǒng)不斷從室外引風(fēng)換氣降溫[2]?？赏ㄟ^SES軟件建模計(jì)算確認(rèn)區(qū)間隧道內(nèi)的節(jié)點(diǎn)溫度。

根據(jù)地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，車站設(shè)置全封閉站臺(tái)門時(shí)，區(qū)間隧道內(nèi)夏季的最高溫度不得高于40 ℃，為預(yù)留安全余量，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中按不高于38.5 ℃考慮。由于遠(yuǎn)期早高峰上行斷面客流高于下行，該次計(jì)算僅分析遠(yuǎn)期上行區(qū)間節(jié)點(diǎn)溫度，同時(shí)為簡化直觀地顯示區(qū)間參數(shù)，該文截取斷面客流較大的長洲~大沙東區(qū)間（四站三區(qū)間）進(jìn)行對比分析節(jié)點(diǎn)溫度?；钊L(fēng)亭（道）的面積為20 m2、16 m2、12 m2三種情況下該段區(qū)間（上行）的節(jié)點(diǎn)溫度圖見圖2。

圖2 不同面積情況下區(qū)間（上行）的節(jié)點(diǎn)溫度圖

由上可見，隨著活塞風(fēng)亭（道）的面積的減小，隧道節(jié)點(diǎn)溫度上升，活塞風(fēng)亭（道）為20 m2、16 m2、12 m2時(shí)區(qū)間隧道節(jié)點(diǎn)溫度最高溫度分別38.1 ℃、38.5 ℃、39.0 ℃，活塞風(fēng)亭（道）為12 m2時(shí)已不符合設(shè)計(jì)要求。

3.4 風(fēng)亭風(fēng)量對比

隧道通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)包括活塞風(fēng)亭的進(jìn)風(fēng)、排風(fēng)以及車站排風(fēng)亭的排風(fēng)，也包括地鐵車站通過站臺(tái)門滲漏的少量滲漏風(fēng)，為簡化計(jì)算，該次計(jì)算全線隧道的通風(fēng)量按活塞風(fēng)亭的進(jìn)風(fēng)量之和確定。

根據(jù)《城市軌道交通工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，隧道通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)量應(yīng)保證隧道內(nèi)換氣次數(shù)每小時(shí)不應(yīng)少于3次供應(yīng)人員的新鮮空氣量要求。分別計(jì)算活塞風(fēng)亭（道）的面積為20 m2、16 m2、12 m2三種情況下區(qū)間隧道遠(yuǎn)期風(fēng)量，計(jì)算結(jié)果如表1。

表1 不同面積情況下的隧道內(nèi)換氣次數(shù)對比

由表1可見，由于軌排風(fēng)機(jī)作用，活塞風(fēng)亭大部分時(shí)間都處于進(jìn)風(fēng)狀態(tài)，有效地對隧道進(jìn)行了通風(fēng)換氣及降溫。隨著活塞風(fēng)亭（道）的面積的減小，隧道內(nèi)通風(fēng)量降低，活塞風(fēng)亭（道）為20 m2、16 m2、12 m2時(shí)的隧道換氣次數(shù)均滿足規(guī)范要求。

3.5 人員新風(fēng)量對比

根據(jù)《城市軌道交通工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，區(qū)間隧道內(nèi)每個(gè)乘客每小時(shí)供應(yīng)的新鮮空氣量不應(yīng)少于12.6 m3。區(qū)間隧道內(nèi)人員新風(fēng)量可按區(qū)間斷面平均風(fēng)量除以斷面客流確定，選取斷面客流最大的洪圣沙～裕豐圍區(qū)間進(jìn)行人員新風(fēng)量校核驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 不同面積情況下的隧道新風(fēng)量對比

從表2可以看出，活塞風(fēng)亭（道）面積變化時(shí)，區(qū)間隧道內(nèi)平均風(fēng)量相差不大，說明區(qū)間隧道內(nèi)風(fēng)量主要由列車在隧道內(nèi)行駛過程中形成的活塞風(fēng)效應(yīng)決定，活塞風(fēng)亭（道）的面積對此影響較小[3]?；钊L(fēng)亭（道）為20 m2、16 m2、12 m2時(shí)的隧道乘客新風(fēng)量均滿足規(guī)范要求。

3.6 面積取值確定

通過上述計(jì)算可知，活塞風(fēng)亭（道）面積分別為20 m2、16 m2、12 m2時(shí)，區(qū)間隧道的溫度、風(fēng)量等參數(shù)也發(fā)生變化。隨著風(fēng)亭（道）面積減小，隧道內(nèi)節(jié)點(diǎn)溫度、隧道通風(fēng)量、乘客新風(fēng)量減小，區(qū)間隧道的環(huán)境越惡劣?；钊L(fēng)亭（道）面積為12 m2時(shí)，隧道換氣次數(shù)、道乘客新風(fēng)量均滿足規(guī)范要求，但隧道節(jié)點(diǎn)溫度不滿足要求，不應(yīng)采納此方案；活塞風(fēng)亭（道）面積為20 m2、16 m2時(shí)，隧道節(jié)點(diǎn)溫度、換氣次數(shù)、乘客新風(fēng)量均滿足規(guī)范要求，但從車站建設(shè)費(fèi)用及社會(huì)效益來考慮，并不是說活塞風(fēng)亭（道）面積越大越好；綜合考慮該工程活塞風(fēng)亭（道）面積取值確定為16 m2。目前國內(nèi)地鐵線路活塞風(fēng)亭（道）面積均按不小于16 m2設(shè)計(jì)，該次計(jì)算結(jié)果也符合國內(nèi)地鐵設(shè)計(jì)常規(guī)做法。

需要指出的是，該次計(jì)算基于6節(jié)編組非中心城區(qū)的線路為案例，且假設(shè)全線車站均為雙活塞系統(tǒng)的理想模型。有研究表明，雙活塞系統(tǒng)相對單活塞系統(tǒng)通風(fēng)效果好，隧道內(nèi)換氣次數(shù)高，且節(jié)能方面具有一定優(yōu)勢[4]，如果線路某些車站采用單活塞系統(tǒng)，隧道內(nèi)環(huán)境應(yīng)比該文計(jì)算結(jié)果惡劣。另一方面，采用不同編組的線路需要的活塞風(fēng)亭（道）也不同，有研究表明，8節(jié)編組的線路比6節(jié)編組的線路需要的活塞風(fēng)亭（道）擴(kuò)大30%以上[5]。所以不能簡單推導(dǎo)相似條件下的地鐵線路的活塞風(fēng)亭（道）面積就取16 m2即可，也不可單純地從減費(fèi)降造的角度考慮盡可能壓縮風(fēng)亭（道）面積，考慮地鐵為百年工程，應(yīng)對地鐵內(nèi)通風(fēng)條件做出適當(dāng)預(yù)留。

4 結(jié)束語

在地下車站土建規(guī)模中，隧道通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)亭風(fēng)道占比通常超過20%，從隧道通風(fēng)功能角度講，風(fēng)亭風(fēng)道面積越大隧道內(nèi)環(huán)境越好，但從建設(shè)費(fèi)用及社會(huì)效益方面來考慮，又希望土建規(guī)模越小越好，所以確定合理的風(fēng)亭風(fēng)道面積尤為重要。由上文分析可知，單純地為減少地面風(fēng)亭規(guī)模，從而要求減小風(fēng)亭尺寸的意義并不大。但在滿足系統(tǒng)功能、運(yùn)營環(huán)境需求的條件下優(yōu)化風(fēng)道尺寸，則意義重大。

綜上所述，地鐵線路活塞風(fēng)亭及活塞風(fēng)道面積的取值確認(rèn)需要綜合考慮隧道斷面、車輛數(shù)據(jù)、行車對數(shù)、客流量等多項(xiàng)指標(biāo)，同時(shí)考慮遠(yuǎn)期預(yù)留，需要通過準(zhǔn)確計(jì)算尋求一個(gè)合理經(jīng)濟(jì)的取值。