王遠(yuǎn)

中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司

0 引言

近年來，國內(nèi)各種制式的新型軌道交通快速發(fā)展，現(xiàn)代有軌電車（以下簡稱有軌電車）是在傳統(tǒng)有軌電車基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型快速交通系統(tǒng)，現(xiàn)代有軌電車發(fā)展比較完善，賦予一定的路權(quán)，運(yùn)量比公共汽車大，路權(quán)可以共用[1]。

目前有軌電車地下區(qū)間通風(fēng)排煙研究較少，沒有相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)作為依據(jù)，設(shè)計(jì)一般參考地鐵區(qū)間通風(fēng)排煙方案。地鐵區(qū)間以縱向機(jī)械通風(fēng)排煙方案為主，部分學(xué)者對地鐵自然通風(fēng)方案進(jìn)行了研究，陳中[2-5]等對地鐵自然通風(fēng)方案進(jìn)行研究，認(rèn)為自然通風(fēng)可以滿足地鐵通風(fēng)和排煙要求，可以節(jié)省初期投資，設(shè)備投資和運(yùn)營費(fèi)用。曾柯皓[6]研究了流風(fēng)機(jī)和通風(fēng)豎井相結(jié)合的隧道通風(fēng)排煙方案。

有軌電車地下區(qū)間的通風(fēng)排煙采用隧道風(fēng)機(jī)方案對車站規(guī)模影響大，初投資高，運(yùn)維費(fèi)用高。區(qū)間自然通風(fēng)方案需永久占用市政道路，對道路寬度及景觀影響大。為解決上述問題，本文對有軌電車地下區(qū)間自然通風(fēng)排煙和隧道風(fēng)機(jī)通風(fēng)排煙方案分析研究，并對不同方案的土建規(guī)模、投資、道路景觀、后期運(yùn)營費(fèi)用等進(jìn)行對比。提出有軌電車地下區(qū)間射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)排煙方案，對不同方案提出其適用范圍，為新建有軌電車地下區(qū)間隧道通風(fēng)排煙設(shè)計(jì)提供參考。

1 地下區(qū)間通風(fēng)排煙方案

根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50157-2013 和《城市軌道交通通風(fēng)空氣調(diào)節(jié)與供暖設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 51357-2019 要求：地鐵及城市軌道交通地下區(qū)間機(jī)械通風(fēng)方案需滿足以下要求：正常運(yùn)行時(shí)，應(yīng)將車站及區(qū)間隧道內(nèi)部空氣環(huán)境控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。列車阻塞在區(qū)間隧道時(shí)，應(yīng)對阻塞區(qū)間進(jìn)行有效通風(fēng)，應(yīng)按照控制列車最不利點(diǎn)的隧道空氣溫度低于45 ℃校核，風(fēng)速不小于2 m/s 且不大于11 m/s。列車在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)事故時(shí)，應(yīng)滿足防煙排煙以及事故通風(fēng)功能要求。根據(jù)規(guī)范要求，自然通風(fēng)和隧道風(fēng)機(jī)機(jī)械通風(fēng)排煙均能滿足要求。

1.1 自然通風(fēng)方案

自然通風(fēng)方案是指在區(qū)間隧道的頂部每隔一定距離，開設(shè)與外界大氣直接接觸的通風(fēng)豎井，利用外界的空氣與隧道內(nèi)的空氣進(jìn)行交換，以達(dá)到對地下空間的空氣溫度，濕度，空氣流速和空氣品質(zhì)進(jìn)行控制的目的。參考《地鐵設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》GB51298-2018，排煙口應(yīng)設(shè)于區(qū)間外墻上方或頂板上，有效面積不應(yīng)小于該區(qū)間水平投影面積的5%。如圖1 所示：

圖1 區(qū)間自然通風(fēng)示意圖

正常運(yùn)行時(shí)，利用列車運(yùn)行的活塞效應(yīng)，通過區(qū)間頂部自然通風(fēng)口與外界通風(fēng)換氣，維持區(qū)間隧道溫度和人員新風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)。行車阻塞時(shí)，利用頂部通風(fēng)口自然通風(fēng)，排出列車產(chǎn)生的熱量，控制隧道內(nèi)最不利點(diǎn)溫度不超過45 ℃，以維持列車空調(diào)器的正常運(yùn)行，并為人員提供新風(fēng)。隧道火災(zāi)時(shí)，煙氣通過就近的自然通風(fēng)口排出，新風(fēng)由相鄰的通風(fēng)口引入。

1.2 隧道風(fēng)機(jī)機(jī)械通風(fēng)

隧道風(fēng)機(jī)機(jī)械通風(fēng)與常規(guī)地鐵地下區(qū)間隧道通風(fēng)排煙系統(tǒng)相同，該方案在車站兩端設(shè)置活塞風(fēng)道，并在風(fēng)道內(nèi)設(shè)置隧道風(fēng)機(jī)，通過風(fēng)機(jī)的機(jī)械通風(fēng)滿足隧道內(nèi)的溫濕度及正常，阻塞和火災(zāi)工況要求。

區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)由軸流式隧道風(fēng)機(jī)，風(fēng)閥，消聲器，風(fēng)室和風(fēng)道組成。服務(wù)于區(qū)間的隧道風(fēng)機(jī)布置在每個(gè)車站兩端風(fēng)道內(nèi)，每端設(shè)置兩臺(tái)隧道風(fēng)機(jī)，并在風(fēng)機(jī)前后設(shè)消聲器?；钊L(fēng)道要求布置順暢以減小阻力，長度一般不大于40 m?；钊L(fēng)道一般不單獨(dú)設(shè)置，與機(jī)械通風(fēng)共用。車站兩端各設(shè)置兩臺(tái)并聯(lián)的隧道風(fēng)機(jī)和相應(yīng)風(fēng)閥，以保證一端的兩臺(tái)隧道風(fēng)機(jī)相互備用，提高防災(zāi)的安全性。如圖2 所示：

圖2 隧道風(fēng)機(jī)通風(fēng)排煙方案平面示意圖

1.3 射流風(fēng)機(jī)機(jī)械通風(fēng)

射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)排煙方案是在區(qū)間隧道兩端近車站處設(shè)置射流風(fēng)機(jī)，由于車站有乘客候車，因此煙氣不能穿過車站繼續(xù)向前蔓延，因此在車站端頭需設(shè)置約100 m2左右的通風(fēng)口。

區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)由射流風(fēng)機(jī)+車站兩端通風(fēng)口組成。在區(qū)間隧道內(nèi)設(shè)置可逆射流風(fēng)機(jī)，采用側(cè)墻安裝方式，左右線各需設(shè)置2 組（每組2 臺(tái)，共4 臺(tái)）射流風(fēng)機(jī)，在車站兩端分別設(shè)置100 m2的通風(fēng)口，正常運(yùn)營時(shí)作為活塞通風(fēng)口，事故及火災(zāi)時(shí)，作為區(qū)間射流風(fēng)機(jī)機(jī)械通風(fēng)時(shí)的進(jìn)風(fēng)口或排煙口，可避免煙氣進(jìn)入車站區(qū)域。如圖3 所示：

圖3 射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)排煙方案平面示意圖

2 三種方案特點(diǎn)分析

2.1 區(qū)間自然通風(fēng)方案特點(diǎn)

區(qū)間自然通風(fēng)方案具有以下特點(diǎn)：

1）車站無需設(shè)置隧道風(fēng)機(jī)房，活塞風(fēng)道和隧道風(fēng)機(jī)，只在區(qū)間隧道頂部設(shè)置通風(fēng)口，節(jié)省機(jī)房面積，減少設(shè)備和土建投資，簡化系統(tǒng)控制，降低運(yùn)行耗電量，節(jié)約了運(yùn)營費(fèi)用。

2）正常運(yùn)行時(shí)，區(qū)間隧道直接與外界大氣相連，行車引起的活塞換氣量大，可以明顯改善區(qū)間的空氣質(zhì)量。

4）火災(zāi)工況時(shí)，煙氣就可近排出，排煙效果好，乘客就可以向隧道兩邊進(jìn)行疏散，加快疏散速度。

5）FAS、BAS 專業(yè)減少了監(jiān)控點(diǎn)數(shù)，簡化控制程序，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性高，節(jié)約了硬件和軟件的投資。

6）區(qū)間頂部通風(fēng)口容易進(jìn)入雨水，需增加給排水專業(yè)投資和運(yùn)維。若通風(fēng)口設(shè)置為側(cè)出，則無排水問題，但需增加風(fēng)亭高度，增加景觀處理難度。

7）列車的噪聲會(huì)通過通風(fēng)豎井傳至地面，需要進(jìn)行降噪處理（如栽種灌木等）。根據(jù)蘇州有軌電車2 號線經(jīng)過實(shí)地測量發(fā)現(xiàn)，距離地面風(fēng)井10 m 處背景噪聲為48～50dB (A)，有軌電車通過時(shí)噪聲為68～70 dB(A)，汽車通過時(shí)噪聲為66～69 dB(A)。

8）區(qū)間隧道頂部開設(shè)通風(fēng)口，增加了區(qū)間土建投資，需永久占用道路空間。

2.2 隧道風(fēng)機(jī)機(jī)械通風(fēng)

車站設(shè)置隧道風(fēng)機(jī)通風(fēng)排煙具有以下特點(diǎn)：

1）區(qū)間隧道為全封閉的地下空間，僅依靠少數(shù)活塞風(fēng)井與外界連通，與外界的互擾性小。市政道路地面灰塵及室外空氣質(zhì)量對隧道內(nèi)空氣質(zhì)量影響很小，傳至道路兩邊的噪聲幾乎可忽略不計(jì)。

2）阻塞工況和火災(zāi)工況時(shí)，依靠隧道風(fēng)機(jī)通風(fēng)排煙，風(fēng)速和風(fēng)量能夠得到保證。

3）區(qū)間無需地面開孔，對市政道路和景觀無影響，市政積水倒灌風(fēng)險(xiǎn)小，安全性高。

4）隧道風(fēng)機(jī)通風(fēng)排煙方案在地鐵隧道通風(fēng)排煙工程中應(yīng)用廣泛，安全可靠，得到了實(shí)踐的證明，是一種成熟的地鐵區(qū)間隧道通風(fēng)排煙方案。

5）車站內(nèi)需設(shè)置專用隧道通風(fēng)機(jī)房和風(fēng)道，土建和設(shè)備的投資增大。

6）依靠車輛活塞通風(fēng)不能滿足區(qū)間溫度和新風(fēng)量要求時(shí)，需開啟機(jī)械通風(fēng)設(shè)施，區(qū)間阻塞，事故及早晚通風(fēng)工況均需采用機(jī)械通風(fēng)方式，增加能耗和運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用。增加了FAS、BAS、電力等配套專業(yè)的投資和運(yùn)維費(fèi)用。

7）區(qū)間事故時(shí)需聯(lián)動(dòng)相鄰車站的隧道通風(fēng)設(shè)備，動(dòng)作設(shè)備數(shù)量多，控制復(fù)雜。

2.3 射流風(fēng)機(jī)機(jī)械通風(fēng)

區(qū)間射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)排煙具有以下特點(diǎn)：

1）區(qū)間隧道為全封閉的地下空間，僅依靠少數(shù)活塞風(fēng)井與外界連通，與外界的互擾性小。市政道路地面灰塵及室外空氣質(zhì)量對隧道內(nèi)空氣質(zhì)量影響很小，傳至道路兩邊的噪聲幾乎可忽略不計(jì)。

2）阻塞工況和火災(zāi)工況時(shí)，依靠隧道風(fēng)機(jī)通風(fēng)排煙，風(fēng)速和風(fēng)量能夠得到保證。

3）區(qū)間射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)排煙方案無需設(shè)置專用的機(jī)房風(fēng)道，對車站規(guī)模影響小。

4）在隧道內(nèi)需要設(shè)置隧道通風(fēng)機(jī)處有局部土建外擴(kuò)及配電等設(shè)備，區(qū)間土建和設(shè)備的投資略有增加，夜間通風(fēng)時(shí)開啟射流風(fēng)機(jī)，增加了運(yùn)營維護(hù)成本。

5）在依靠車輛活塞通風(fēng)不能滿足區(qū)間溫度和新風(fēng)量要求時(shí)，需開啟射流風(fēng)機(jī)，區(qū)間阻塞，事故及早晚通風(fēng)工況均需采用機(jī)械通風(fēng)方式，增加了后期運(yùn)營費(fèi)用。

6）增加了FAS，BAS 及電力專業(yè)的初投資及運(yùn)營費(fèi)用。

7）區(qū)間事故時(shí)需聯(lián)動(dòng)相鄰車站的隧道通風(fēng)設(shè)備，動(dòng)作設(shè)備數(shù)量多，控制復(fù)雜。

射流風(fēng)機(jī)方案在國內(nèi)有軌電車及地鐵隧道通風(fēng)工程中目前尚無案例，但在市政隧道有所應(yīng)用。

以上三種區(qū)間通風(fēng)方案特點(diǎn)對比分析見表1。

表1 區(qū)間隧道通風(fēng)排煙方案對比表

3 工程投資分析

本投資概算以一站一區(qū)間為研究對象，區(qū)間長度為2 km，每個(gè)通風(fēng)豎井20 m2。每隔60 m 設(shè)一個(gè)長約30 m2的通風(fēng)豎井，共設(shè)33 個(gè)自然通風(fēng)豎井。

3.1 自然通風(fēng)方案

設(shè)備投資：自然通風(fēng)方案取消車站兩端的隧道風(fēng)機(jī)，機(jī)房和活塞風(fēng)井，也無需設(shè)置射流風(fēng)機(jī)，因此無此部分概算。土建投資：每個(gè)通風(fēng)豎井增加投資約10 萬元，共計(jì)330 萬元。其它專業(yè)投資：若設(shè)置側(cè)風(fēng)口，防雨百葉則排水投資及運(yùn)維費(fèi)用均無增加。若設(shè)置頂出風(fēng)口則因開孔增多，水泵功率提升，增加給排水設(shè)備投資2 萬元，土建投資5 萬元，共計(jì)7 萬元。區(qū)間排水泵房每臺(tái)水泵功率增加4 kW，2 臺(tái)水泵共計(jì)增加8 kW，按每臺(tái)水泵每年開啟時(shí)間為90 天，每天4 個(gè)小時(shí)計(jì)，車站增加運(yùn)營費(fèi)用約0.2 萬元（本文所有電價(jià)按0.67元/度計(jì)）。

3.2 機(jī)械通風(fēng)方案

3.2.1 車站隧道風(fēng)機(jī)方案

設(shè)備投資：每座車站設(shè)置隧道風(fēng)機(jī)4 臺(tái)，8 套土建式消聲器，10 套電動(dòng)風(fēng)閥，設(shè)備與安裝費(fèi)用共計(jì)約240萬[7]。土建投資：每座車站需要4 條活塞風(fēng)道和4座活塞風(fēng)井（按100 萬元1 座計(jì)），共400 萬元。隧道風(fēng)機(jī)房按400 m2（按7000 元/m2計(jì)），共280 萬元。共計(jì)680萬。其它專業(yè)投資：配電專業(yè)每站設(shè)置用電負(fù)荷360 kW（一級），變壓器50 萬、電纜、開關(guān)等設(shè)備投資為50 萬，共100 萬元，土建投資15 m2（按7500 元/m2計(jì)），土建投資為11.25 萬元，共計(jì)111.25 萬元。運(yùn)營費(fèi)用：隧道風(fēng)機(jī)按90 kW/臺(tái)，每天早晚通風(fēng)時(shí)間按1 小時(shí)計(jì)算，則設(shè)備的運(yùn)營費(fèi)用為2.2 萬元/年臺(tái)，共計(jì)8.8萬元。

3.2.2 區(qū)間射流風(fēng)機(jī)方案

設(shè)備投資：每座車站設(shè)置射流風(fēng)機(jī)8 臺(tái)，共計(jì)設(shè)備投資為40 萬元。土建投資：每臺(tái)射流風(fēng)機(jī)需設(shè)置局部外擴(kuò)，每個(gè)增加土建投資約3 萬元，每個(gè)車站4 個(gè)區(qū)間外擴(kuò)，共12 萬元。其他專業(yè)投資：配電專業(yè)每站設(shè)置用電負(fù)荷240 kW（一級），電纜、開關(guān)等設(shè)備投資為70萬元，土建投資15 m2（按7000 元/m2計(jì)），土建投資為10.5 萬元，共計(jì)85.5 萬元。運(yùn)營費(fèi)用：射流風(fēng)機(jī)按30 kW/臺(tái)，每天早晚通風(fēng)時(shí)間按1 小時(shí)計(jì)算，則設(shè)備的運(yùn)營費(fèi)用為0.73 萬元/年臺(tái)，共計(jì)5.84 萬元。

以上三種通風(fēng)排煙方案經(jīng)濟(jì)性對比詳見表2（注：本計(jì)算自然通風(fēng)按照增加排水量考慮）。

表2 區(qū)間通風(fēng)排煙方案經(jīng)濟(jì)比較表

4 結(jié)論與建議

通過上述分析比較，從以下幾方面確定有軌電車工程的隧道通風(fēng)模式：

1）具體方案應(yīng)根據(jù)線路走向和地面情況，有軌電車地下區(qū)間設(shè)置機(jī)械通風(fēng)和自然通風(fēng)方案都可行。

2）自然通風(fēng)方案的通風(fēng)及排煙效果最好，土建投資與后期運(yùn)營費(fèi)用最少，但市政道路的寬度、景觀、城市內(nèi)澇對區(qū)間的影響較大，如果市政道路本身有或規(guī)劃有滿足寬度的綠化帶時(shí)則建議優(yōu)先選擇自然通風(fēng)排煙方案，可顯著降低后期運(yùn)維費(fèi)。

3）隧道風(fēng)機(jī)機(jī)械通風(fēng)排煙方案是在原有車站長度約60 m（三模塊有軌電車）的基礎(chǔ)上需增加約40 m 的車站風(fēng)道，對車站土建影響過大，初投資和運(yùn)行費(fèi)用最高，僅當(dāng)自然通風(fēng)和射流風(fēng)機(jī)方案無設(shè)置條件時(shí)考慮采用。

4）射流風(fēng)機(jī)機(jī)械通風(fēng)排煙方案初投資、運(yùn)行費(fèi)用低，對地面道路景觀影響小，通風(fēng)排煙效果好，具備了自然通風(fēng)方案的車站規(guī)模小和隧道風(fēng)機(jī)機(jī)械通風(fēng)方案對地面道路影響小等諸多優(yōu)點(diǎn)，后期有軌電車設(shè)計(jì)中可以優(yōu)先考慮。

車站隧道風(fēng)機(jī)和自然通風(fēng)方案在地鐵中均有應(yīng)用，但是均有一定的局限性，因此本文提出采用射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)排煙的方案，既可降低車站的投資，又可以減少區(qū)間自然通風(fēng)井?dāng)?shù)量，兼具兩者優(yōu)勢。但該方案在國內(nèi)軌道交通設(shè)計(jì)中尚屬首次，為有軌電車區(qū)間通風(fēng)系統(tǒng)提供了一種全新的設(shè)計(jì)理念，與此同時(shí)帶來諸多新的課題，例如射流風(fēng)機(jī)大小、通風(fēng)口的大小、間距如何設(shè)置才能保證最佳的通風(fēng)排煙效果以及阻滯和火災(zāi)工況下的通風(fēng)排煙效果將是下一步研究的方向。