黃俊杰

中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的快速推進(jìn)，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(jì)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(yùn)營，很多地區(qū)也都在規(guī)劃和建設(shè)市域鐵路。市域鐵路目前基本按照地鐵方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，國內(nèi)外很多學(xué)者對地下空間內(nèi)的隧道通風(fēng)也進(jìn)行了大量的研究。賀娜介紹了地鐵隧道通風(fēng)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(yīng)用建議[1]。姜尊仁介紹了南昌2 號線陽明公園站隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案[2]。周孝清等人對地鐵隧道火災(zāi)中一種最復(fù)雜的模式進(jìn)行了數(shù)值分析，對隧道內(nèi)氣流的速度值進(jìn)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(fēng)系統(tǒng)對確定大盾構(gòu)斷面的影響，得出隧道通風(fēng)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(fēng)井的設(shè)置對隧道熱環(huán)境的影響，得出活塞風(fēng)井設(shè)于車站站臺(tái)與交叉渡線之間，且適當(dāng)增大活塞風(fēng)井面積可滿足溫度和通風(fēng)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(zāi)時(shí)的通風(fēng)排煙系統(tǒng)進(jìn)行了模擬分析，火災(zāi)發(fā)生的位置不同，相應(yīng)的最優(yōu)通風(fēng)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(fēng)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(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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(yùn)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(jì)算模型，計(jì)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(jì)算分析阻塞和火災(zāi)工況下，地下區(qū)間隧道內(nèi)通過設(shè)置有效的通風(fēng)排煙設(shè)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(fēng)系統(tǒng)的模擬計(jì)算分析，為地下區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。

1 隧道通風(fēng)系統(tǒng)SES 模型建立

隧道通風(fēng)系統(tǒng)包括區(qū)間隧道通風(fēng)和車站隧道通風(fēng)，當(dāng)采用自然通風(fēng)無法滿足隧道內(nèi)環(huán)控要求時(shí)，必須采用機(jī)械通風(fēng)方式將隧道內(nèi)的氣流有效的組織起來。區(qū)間隧道通風(fēng)和車站隧道通風(fēng)在功能上相互補(bǔ)充，共同維護(hù)隧道內(nèi)的溫濕度等參數(shù)滿足運(yùn)行需求，并且在阻塞和火災(zāi)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(zāi)時(shí)人員的安全疏散。

1.1 區(qū)間隧道通風(fēng)

地下隧道由隧道出入口、地下車站、中間風(fēng)井劃分為不同的地下區(qū)間，區(qū)間隧道通風(fēng)一般采用縱向式通風(fēng)，在隧道進(jìn)出口、車站大小里程端頭或者中間風(fēng)井位置處設(shè)置機(jī)械通風(fēng)設(shè)施，同時(shí)利用列車在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)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(jìn)行有效的換氣，其通風(fēng)原理圖如圖1：

圖1 區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)原理圖

1.2 車站隧道通風(fēng)

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(shí)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(jìn)行隔斷，將隧道與車站主體建筑進(jìn)行分割。當(dāng)列車需要?？吭诘叵萝囌緯r(shí)，剎車等因素會(huì)產(chǎn)生大量的散熱，如不及時(shí)將此部分熱量排出去，會(huì)在車站頂部積聚大量的熱量，進(jìn)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(shè)置軌頂或者軌底排風(fēng)道，利用排熱風(fēng)機(jī)將熱量及時(shí)的排出去，其通風(fēng)原理圖如圖2：

圖2 車站隧道通風(fēng)系統(tǒng)原理圖

1.3 隧道通風(fēng)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(jī)械風(fēng)機(jī)，在隧道出入口設(shè)置可逆射流風(fēng)機(jī)，中間工作井位置處設(shè)置隧道軸流風(fēng)機(jī)，車站大小里程位置處同時(shí)設(shè)置隧道軸流風(fēng)機(jī)，相互作用共同保證隧道內(nèi)環(huán)控參數(shù)滿足設(shè)計(jì)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(fēng)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(diǎn)模型，利用SES 程序建立地下隧道的物理計(jì)算模型，輸入運(yùn)行相關(guān)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(yùn)行狀況進(jìn)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(yuǎn)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(yuǎn)期規(guī)劃的發(fā)車密度，而隧道通風(fēng)系統(tǒng)是一次性建成的，因此，隧道通風(fēng)必須滿足遠(yuǎn)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(yuǎn)期高峰小時(shí)為下午17 點(diǎn)，隧道1 的左右線溫度分布圖具體如圖3：

圖3 隧道1 遠(yuǎn)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(jìn)口位置高1.9 ℃，右線列車出口位置空氣溫度比進(jìn)口位置高1.0 ℃。

圖4 為隧道2 遠(yuǎn)期運(yùn)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(shè)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(dá)到47 人，導(dǎo)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(yuǎn)期正常工況下左右線溫度分布

3 事故工況下隧道通風(fēng)模擬分析

列車在隧道內(nèi)運(yùn)行，事故工況分為阻塞工況和火災(zāi)工況。當(dāng)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(dāng)列車在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，列車應(yīng)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(shí)，只能在隧道內(nèi)疏散乘客，此時(shí)必須根據(jù)列車所在位置和火災(zāi)位置啟動(dòng)相應(yīng)的隧道防排煙設(shè)備，即為火災(zāi)工況。

3.1 區(qū)間阻塞工況

當(dāng)列車在區(qū)間發(fā)生阻塞時(shí)，根據(jù)列車所在位置處，開啟相應(yīng)區(qū)間上下行線的射流風(fēng)機(jī)或者隧道風(fēng)機(jī)，并且隧道外的車輛不再進(jìn)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(fēng)示意圖

根據(jù)阻塞工況風(fēng)機(jī)運(yùn)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(fēng)機(jī)，車站1 大小里程端部的隧道風(fēng)機(jī)同時(shí)開啟排風(fēng)，排熱風(fēng)機(jī)維持正常開啟狀態(tài)，利用SES 模擬軟件計(jì)算出阻塞段內(nèi)風(fēng)量達(dá)到183.9 m3/h，風(fēng)速4.8 m/s，列車周圍溫度33.3 ℃，滿足《地鐵設(shè)計(jì)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(fēng)機(jī)送風(fēng)，排熱風(fēng)機(jī)關(guān)閉，開啟車站4 大小里程端部的隧道風(fēng)機(jī)排風(fēng)，排熱風(fēng)機(jī)維持正常開啟狀態(tài)，利用SES 模擬軟件計(jì)算出阻塞段內(nèi)風(fēng)量達(dá)到129.8 m3/h，風(fēng)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(zāi)工況

當(dāng)列車在區(qū)間發(fā)生火災(zāi)時(shí)，必須立即啟動(dòng)相應(yīng)的火災(zāi)運(yùn)行模式，開啟隧道內(nèi)的射流風(fēng)機(jī)和隧道風(fēng)機(jī)，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(fēng)方向進(jìn)行疏散，并保證火災(zāi)煙氣不進(jìn)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(zāi)工況送排風(fēng)示意圖

列車在區(qū)間內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，乘客迎著新風(fēng)方向進(jìn)行疏散，并且從最近的聯(lián)絡(luò)通道進(jìn)入非火災(zāi)隧道內(nèi)進(jìn)行疏散，全線同一時(shí)間考慮發(fā)生一次火災(zāi)，火災(zāi)規(guī)模按照20 MW 進(jìn)行計(jì)算。隧道1 和隧道2 考慮在阻塞工況位置處發(fā)生火災(zāi)，利用SES 模擬軟件計(jì)算出阻塞段內(nèi)風(fēng)量分別達(dá)到了168.1 m3/h 和116.3 m3/h，風(fēng)速分別達(dá)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(fēng)在隧道進(jìn)出口、車站大小里程端部和中間工作井位置處設(shè)置機(jī)械排風(fēng)設(shè)施，車站隧道通風(fēng)在隧道內(nèi)設(shè)置軌頂或者軌底排風(fēng)道，相互作用將隧道內(nèi)熱量及時(shí)排出去。

2）市域鐵路地下隧道按照遠(yuǎn)期運(yùn)營能力進(jìn)行SES 建模計(jì)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(shè)置有效的機(jī)械排熱系統(tǒng)。

3）區(qū)間發(fā)生阻塞時(shí)，開啟相應(yīng)區(qū)間上下行線的隧道風(fēng)機(jī)，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(zāi)時(shí)，通過設(shè)置隧道通風(fēng)排煙系統(tǒng)，可以有效的保證乘客的安全疏散。