余 濤，雷 波

(西南交通大學機械工程學院，四川成都 610031)

莞惠城際鐵路隧道通風系統(tǒng)性能研究

余 濤，雷 波

(西南交通大學機械工程學院，四川成都 610031)

針對莞惠城際鐵路松山湖隧道的通風初步設計方案，建立隧道通風系統(tǒng)的網(wǎng)絡模型，并對該隧道通風系統(tǒng)進行一維數(shù)值模擬計算分析。研究了取消車站軌道排熱系統(tǒng)的可行性，得出取消車站軌道排熱系統(tǒng)前后隧道內(nèi)熱環(huán)境都能滿足設計要求，軌道排熱系統(tǒng)的取消不但可以縮短工程周期，還能節(jié)省初投資和風機運行能耗;針對正常運行時部分活塞風井內(nèi)風速超過工程限制，從而影響系統(tǒng)安全的情況，提出采用在活塞風道內(nèi)增加局部阻力的措施，可使最高風速降到工程允許的范圍內(nèi)，系統(tǒng)的安全性提高。

城際鐵路 隧道熱環(huán)境 通風系統(tǒng) 數(shù)值模擬

近年來，我國城際鐵路建設的發(fā)展勢頭迅猛。鑒于地理條件的限制，城際鐵路設計中出現(xiàn)越來越多的地下車站，且站與站之間的區(qū)間隧道較長。列車的制動過程和空調(diào)系統(tǒng)的運行，都會向隧道內(nèi)排放大量的熱，隨著列車的運行，隧道內(nèi)的空氣溫度將會逐漸升高，需要設置合理的通風系統(tǒng)排除隧道內(nèi)積累的熱量。按照城市軌道交通工程項目建設標準的要求，城際鐵路區(qū)間隧道夏季最熱日的日平均溫度不得超過40℃[1]，并且基于工程安全性的考慮，活塞風井內(nèi)的風速不得高于11 m/s。在實際隧道建設中，為了節(jié)約風機能耗、方便施工，在滿足隧道熱環(huán)境的條件下，可考慮取消車站軌道排熱系統(tǒng)。因此需要對城際鐵路隧道通風系統(tǒng)進行必要的深入研究。

國內(nèi)外有大量關于地鐵隧道通風系統(tǒng)的研究，包括軌道排熱系統(tǒng)對地鐵溫度場的影響和通風井的面積對通風量的影響[2]，地鐵區(qū)間熱環(huán)境主要影響因素的分析和熱環(huán)境的優(yōu)化[3]，地鐵區(qū)間隧道速度場和溫度場特性的研究[4]等，但缺乏對城際鐵路隧道熱環(huán)境和通風系統(tǒng)的研究。

本文對莞惠城際鐵路松山湖隧道的熱環(huán)境進行模擬計算，研究取消軌道排熱系統(tǒng)的可行性和改進活塞風井的設計，以期優(yōu)化隧道通風系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的節(jié)能性和安全性。

1 計算模型和計算條件

1.1 工程概況

莞惠城際鐵路是珠三角城際軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃的放射線之一，該線路起于廣東省東莞市洪梅站，止于惠州市惠州大道站，線路全長約97 km。沿線分別穿越松山湖隧道和東江隧道，區(qū)間隧道為雙洞單線形式，地下區(qū)間主要采用單圓盾構(gòu)，明挖、暗挖區(qū)間隧道等形式。線路沿途共開設17個車站，其中高架站臺6座，地面站臺1座，地下站臺10座，本文僅對較長的松山湖隧道進行研究。

根據(jù)初步設計方案，松山湖隧道全長41.225 km，共設有6座地下島式站臺車站，分別為新城中心站、東城南站、寮步站、松山湖北站、大朗站和常平站，最大站間距8.536 km，為東城南站至寮步站之間的區(qū)間隧道。地下車站設置屏蔽門系統(tǒng)，每個車站站臺有效長度為120 m，車站進站端和出站端分別設有兩個活塞風井，區(qū)間隧道根據(jù)站間距長度每隔一段距離也設有中間活塞風井，活塞風井橫截面積均為32 m2，分別連接到地面的活塞風亭。車站軌行區(qū)設有軌道排熱系統(tǒng)，排熱風井橫截面積均為25 m2，風井分別連接至地面排熱風亭。地下車站隧道通風系統(tǒng)如圖1所示。

1.2 計算模型

針對松山湖隧道的物理模型，本文采用一維數(shù)值模擬的方法來研究隧道內(nèi)的通風和熱環(huán)境，一維數(shù)值模型的網(wǎng)絡節(jié)點如圖2所示。

1.3 計算條件

隧道通風室外空氣計算溫度采用夏季近20年最熱月月平均溫度的平均值，東莞惠州地區(qū)室外空氣計算溫度為28.5℃。

圖1 地下車站隧道通風系統(tǒng)

根據(jù)初步設計方案，莞惠城際鐵路采用CRH6型動車組，最高運行速度200 km/h，列車阻塞比為0.24，開設大站停和站站停兩種運行模式。運行初期晚高峰列車開行9對，大站停和站站停模式的發(fā)車間隔分別為1 800 s和514 s;遠期晚高峰列車開行12對，大站停和站站停模式的發(fā)車間隔分別為1 200 s和400 s。正常運營時，列車停站時間按45 s進行計算。初步設計方案中車站設有軌道排熱系統(tǒng)，排熱風機風量為67 m3/s。

根據(jù)工程設計要求，隧道內(nèi)空氣溫度不得超過40℃，并且通風井內(nèi)最高風速不得超過11 m/s。列車運行過程中，晚高峰客流量相對較大，外界大氣溫度也相對較高，列車運行時間也較長，正常運營工況時隧道內(nèi)溫度最高時刻一般出現(xiàn)在晚高峰[5-6]，且遠期運營工況為最不利工況。因此，本文僅對列車遠期晚高峰正常運行工況進行研究。

圖2 網(wǎng)絡節(jié)點

2 結(jié)果及討論

2.1 隧道熱環(huán)境的模擬計算[7]

本研究的模擬時間為17∶00的晚高峰時刻，模擬持續(xù)14 400 s，取最后3 600 s的平均值進行分析。圖3給出了松山湖隧道遠期正常運行時，下行線晚高峰時刻隧道內(nèi)的溫度分布模擬結(jié)果。

從圖3可以看出，車站軌道排熱風機開啟時，隧道內(nèi)空氣平均溫度最高為32.8℃，出現(xiàn)在常平車站隧道區(qū)域。由于環(huán)控系統(tǒng)采用屏蔽門系統(tǒng)，列車停站過程中，列車的制動和空調(diào)冷凝器的運行向周圍隧道大量散熱，軌道排熱系統(tǒng)不能完全排除這部分熱量，導致車站隧道溫度比區(qū)間隧道溫度高。隨著熱量的積累和活塞風的作用，隧道內(nèi)空氣平均溫度沿縱向逐漸升高。圖3中，隧道內(nèi)空氣平均溫度均＜40℃，滿足設計溫度要求。隧道出口空氣溫度比入口空氣溫度高1.8℃，這是由于列車運行中的散熱被隧道內(nèi)空氣吸收，使空氣流經(jīng)隧道后溫度有明顯的升高。

圖3 隧道內(nèi)空氣平均溫度分布

為了節(jié)約風機能耗和方便施工，實際工程中開始關注取消軌道排熱系統(tǒng)的問題。但排熱系統(tǒng)的取消會造成列車停站過程中散發(fā)的熱量不能及時排走，熱量的累積會導致隧道空氣溫度持續(xù)升高。

在其他條件保持不變的情況下，模擬取消車站軌道排熱系統(tǒng)后隧道的熱環(huán)境。從圖3可以看出，取消車站軌道排熱系統(tǒng)后，隧道空氣平均溫度最高值仍然出現(xiàn)在常平車站隧道區(qū)域，達到34.5℃，比開啟軌道排熱系統(tǒng)時高1.7℃。這是由于列車停站時散發(fā)的大量熱量不能被及時排走，更多的熱量會累積到隧道內(nèi)。隧道內(nèi)空氣溫度仍然沿縱向逐漸升高，出口空氣溫度比入口空氣溫度升高3.9℃。隧道內(nèi)空氣平均溫度均＜40℃，仍然滿足溫度設計要求，說明莞惠城際鐵路地下車站取消軌道排熱系統(tǒng)是可行的。

2.2 活塞通風井的優(yōu)化

活塞風是隨時間變化的，它與列車速度、車流密度、隧道結(jié)構(gòu)、阻塞比等因素有關[8]。莞惠城際列車運行速度達到200 km/h，會在活塞風井內(nèi)引起較高的瞬時風速。出于對人員和設備安全性的考慮，設計中規(guī)定活塞風井內(nèi)風速不得超過11 m/s。根據(jù)對初步設計方案的模擬計算，晚高峰時刻下行線隧道各活塞風井內(nèi)最大瞬時風速如圖4所示。從圖4可以看出，初步設計方案的計算結(jié)果中有6個車站出站端的活塞風井內(nèi)最大瞬時風速超過11 m/s，尤其95號風井內(nèi)的瞬時風速已經(jīng)達到14.2 m/s。

圖4 下行線隧道各活塞風井最大瞬時風速

圖5給出了瞬時風速最高的95號活塞風井晚高峰時段某1 h內(nèi)風速隨時間的變化情況。圖5表明，活塞風井內(nèi)風速隨時間變化是一個復雜的過程，風速的變化具有周期性，其變化周期為1 200 s，正好與列車大站停模式發(fā)車間隔一致。當城際列車車頭到達風井位置時，風井內(nèi)壓力有一個突然升高的過程，車尾經(jīng)過風井時，風井內(nèi)出現(xiàn)負壓，風井內(nèi)壓力的突變過程造成風速的突變。圖5中活塞風井內(nèi)風速大部分時刻都低于11 m/s的限制，只有在大站停列車到達風井位置時，出現(xiàn)最大值，瞬時最高風速達到14.2 m/s，超過該工程的限制。由于95號風井為出站端的活塞風井，當站站停列車經(jīng)過風井位置時，列車正處于加速過程，此時風井內(nèi)的風速較小，只有2.0 m/s。

圖5 95號活塞風井內(nèi)風速

為了降低活塞風井內(nèi)風速，可以采取增大風井斷面積或增加風道內(nèi)阻力的措施。增大風井斷面積，會增大初投資，而且受結(jié)構(gòu)等因素的影響大;增加風道內(nèi)的阻力，可以通過增大壁面粗糙度來增大沿程阻力，或者通過在風道內(nèi)增加局部阻力實現(xiàn)，后者是一種較為方便的工程措施。

莞惠線設計考慮采用在活塞風道內(nèi)加十字梁增加局部阻力的方案。通過在下行線6個風速超過限制的活塞風井內(nèi)加十字梁，其余活塞風井結(jié)構(gòu)不變。通過計算分析比較，當十字梁位置的空氣流通面積比為30%時，活塞風井內(nèi)的最大風速才能達到工程要求。此時，風井內(nèi)總局部阻力系數(shù)由10增加到30，增加阻力優(yōu)化后風井內(nèi)最大瞬時風速如圖4所示。

從圖4可以看出，通過在活塞風道內(nèi)加十字梁增大局部阻力的措施對隧道通風系統(tǒng)進行優(yōu)化改善，6個超過風速限制的活塞風井內(nèi)的最大瞬時風速都下降到11 m/s的范圍內(nèi)，其他風井內(nèi)最大瞬時風速變化不大，系統(tǒng)的安全性大大提高。

3 結(jié)論

本文針對莞惠城際鐵路松山湖隧道的通風初步設計方案，采用一維數(shù)值模擬的方法，對正常運營工況隧道熱環(huán)境和通風做了模擬計算分析，得到以下結(jié)論:

1)初步設計方案開啟軌道排熱系統(tǒng)，隧道內(nèi)空氣平均溫度最高為32.8℃，出現(xiàn)在常平車站隧道區(qū)域，滿足隧道熱環(huán)境控制的要求。

2)取消軌道排熱系統(tǒng)后，隧道內(nèi)各段空氣平均溫度相比開啟軌道排熱系統(tǒng)時都有所升高，隧道內(nèi)空氣平均溫度最高達到34.5℃，滿足熱環(huán)境控制的要求，因此取消軌道排熱系統(tǒng)是可行的。

3)針對初步設計方案有6個活塞風井內(nèi)瞬時風速超過允許的11 m/s，提出采用在活塞風道內(nèi)加十字梁的措施，增大風井內(nèi)的局部阻力，可以將風速控制在允許的范圍內(nèi)。

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Study on Performance of Ventilation System in Tunnel of Dongguan-Huizhou Intercity Railway

YU Tao，LEI Bo
(Mechanical Engineering School，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)

Based on the preliminary design scheme of the ventilation system in the Song-shan Lake tunnel of Guan-Hui intercity railway，this paper introduced the network model of this tunnel ventilation system and established one-dimensional numerical method to simulate the tunnel ventilation.This paper also studied the feasibility of removing the track exhaust system under the platform，which can not only shorten the project cycle but also save the initial investment and fan energy consumption，and concluded that the thermal environment in the tunnel can satisfy the design requirement.For the air velocity in some piston ventilation shafts exceeding the project limitation during normal operation and affecting the system security，this paper presented the method of increasing the local resistance in the piston ventilation shaft，the results of which show that the maximum velocity can decrease to the project requirement value and the system safety can be improved.

Intercity railway;Tunnel thermal environment;Ventilation system;Numerical simulation

U453.5

A

1003-1995(2012)06-0070-04

2011-12-22;

2012-04-03

余濤(1987— )，男，四川樂山人，博士研究生。

(責任審編 王天威)