黃俊杰
中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司
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,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,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(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)的模擬計算分析,為地下區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計提供了指導(dǎo)。
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,必須采用機械通風(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)在功能上相互補充,共同維護(hù)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(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)時人員的安全疏散。
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)置機械通風(fēng)設(shè)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(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
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(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,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(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)機將熱量及時的排出去,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
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(fēng)機,在隧道出入口設(shè)置可逆射流風(fēng)機,中間工作井位置處設(shè)置隧道軸流風(fēng)機,車站大小里程位置處同時設(shè)置隧道軸流風(fēng)機,相互作用共同保證隧道內(nèi)環(huán)控參數(shù)滿足設(shè)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(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(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)的列車運行狀況進(jìn)行模擬分析。
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(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
列車在隧道內(nèi)運行,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,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,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(zāi)位置啟動相應(yīng)的隧道防排煙設(shè)備,即為火災(zāi)工況。
當(dāng)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(yīng)區(qū)間上下行線的射流風(fēng)機或者隧道風(fēng)機,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(fēng)機,車站1 大小里程端部的隧道風(fēng)機同時開啟排風(fēng),排熱風(fēng)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(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)機送風(fēng),排熱風(fēng)機關(guān)閉,開啟車站4 大小里程端部的隧道風(fēng)機排風(fēng),排熱風(fēng)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(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。
當(dāng)列車在區(qū)間發(fā)生火災(zāi)時,必須立即啟動相應(yīng)的火災(zāi)運行模式,開啟隧道內(nèi)的射流風(fēng)機和隧道風(fēng)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(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,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。
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)熱量及時排出去。
2)市域鐵路地下隧道按照遠(yuǎn)期運營能力進(jìn)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(shè)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(yīng)區(qū)間上下行線的隧道風(fēng)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(zāi)時,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。