地鐵開閉式隧道通風(fēng)系統(tǒng)區(qū)間兩端噴嘴設(shè)置研究

郭永楨

（中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，710043，西安∥高級工程師）

地鐵開閉式隧道通風(fēng)系統(tǒng)區(qū)間兩端噴嘴設(shè)置研究

郭永楨

（中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，710043，西安∥高級工程師）

基于地鐵開閉式隧道通風(fēng)系統(tǒng)的特點，在站臺設(shè)置安全門和不設(shè)安全門兩種情況下，通過不同容量隧道風(fēng)機的模擬計算，確定了噴嘴在開閉式區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)置原則：無安全門的開閉式系統(tǒng)，區(qū)間隧道兩端應(yīng)設(shè)置噴嘴；設(shè)安全門的開閉式系統(tǒng)，典型區(qū)間兩端可不設(shè)噴嘴，以縮短車站長度，減小土建規(guī)模；配線區(qū)間兩端應(yīng)設(shè)置噴嘴，可降低隧道風(fēng)機容量和配電負(fù)荷，提高系統(tǒng)安全性。

地鐵；開閉式系統(tǒng)；區(qū)間隧道；噴嘴設(shè)置

Author's addressChina Railway First Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，710043，Xi'an，China

我國幅員遼闊，各地氣候差異較大，屏蔽門系統(tǒng)、開閉式系統(tǒng)在地鐵工程中均有應(yīng)用。其中屏蔽門系統(tǒng)應(yīng)用較廣泛。目前，我國北方城市如烏魯木齊、蘭州、哈爾濱、大連、沈陽、包頭、呼和浩特等的地鐵均采用了開閉式系統(tǒng)，即：車站公共區(qū)采用通風(fēng)系統(tǒng)或蒸發(fā)冷卻降溫通風(fēng)系統(tǒng)，區(qū)間隧道利用列車活塞通風(fēng)和機械通風(fēng)。且為了有效防止乘客有意或無意跌入軌道，改善候車環(huán)境，新建開閉式系統(tǒng)地鐵基本都在站臺邊沿設(shè)置了全高或半高安全門。該系統(tǒng)雖然比傳統(tǒng)開閉式系統(tǒng)減小了活塞風(fēng)對車站公共區(qū)氣流的影響，但無法起到屏蔽門隔斷車站和區(qū)間氣流的作用。傳統(tǒng)開閉式系統(tǒng)一般在區(qū)間兩端設(shè)置噴嘴加強通風(fēng)效果。本文主要研究設(shè)安全門的開閉式系統(tǒng)隧道通風(fēng)各種工況的氣流組織和防排煙模式，確定該系統(tǒng)區(qū)間兩端噴嘴優(yōu)化設(shè)置的原則，以指導(dǎo)工程設(shè)計，實現(xiàn)安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟合理的地鐵工程建設(shè)目標(biāo)。

1 開閉式隧道通風(fēng)系統(tǒng)

開閉式隧道通風(fēng)系統(tǒng)在車站站臺與區(qū)間隧道之間不設(shè)門或設(shè)置安全門，車站均與區(qū)間隧道連通，因此，無論是否設(shè)置安全門，區(qū)間隧道與車站空間的環(huán)境控制都必須作為統(tǒng)一的整體來考慮。設(shè)置安全門只是更能保障乘客安全和列車運營。該系統(tǒng)一般用于空調(diào)季節(jié)較短或不需空調(diào)的地區(qū)，通常分為車站公共區(qū)設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)兩種情況。設(shè)置空調(diào)時，負(fù)荷計算需考慮列車運行散熱負(fù)荷。其特點是在過渡季節(jié)時可關(guān)停空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)，能有效利用活塞風(fēng)對車站公共區(qū)進(jìn)行通風(fēng)換氣，減小通風(fēng)空調(diào)設(shè)備運行能耗。

由于傳統(tǒng)開閉式系統(tǒng)站臺邊緣完全開敞，區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)運行時，站臺、樓扶梯、站廳、出入口等形成與室外連通的氣流通過路徑，導(dǎo)致一部分氣流流失，難以保證區(qū)間斷面風(fēng)速，所以采取加大風(fēng)機容量或設(shè)置噴嘴的方式解決區(qū)間斷面風(fēng)速問題。加大隧道風(fēng)機風(fēng)量，則增加了通風(fēng)設(shè)備、配電設(shè)備的初投資和運營費用。利用噴嘴射流，在適當(dāng)增加隧道風(fēng)機風(fēng)量的情況下可滿足要求。一般設(shè)置噴嘴時隧道風(fēng)機風(fēng)量配置為70 m3/s，可滿足復(fù)雜區(qū)間的事故工況斷面流速大于2 m/s的要求。

對于設(shè)置安全門的開閉式系統(tǒng)（見圖1），雖然

安全門上方的風(fēng)帶連通車站和區(qū)間，但全高的門體增加了站臺和區(qū)間的通風(fēng)阻力。通過研究安全門對區(qū)間與車站通風(fēng)量的影響，可以優(yōu)化隧道通風(fēng)風(fēng)機容量和噴嘴設(shè)置獲得最優(yōu)組合方式；甚至取消噴嘴（即取消車站噴嘴房間，縮短車站長度，減小車站土建規(guī)模，節(jié)省工程投資），也能滿足隧道通風(fēng)系統(tǒng)事故工況氣流組織。

圖1 某安全門開閉式系統(tǒng)地鐵車站站臺

2 噴嘴及其應(yīng)用情況

2.1 噴嘴的功能特性

噴嘴是一種增加通風(fēng)流速和動壓，并誘導(dǎo)氣流流向隧道區(qū)間的一種地鐵隧道通風(fēng)設(shè)備。按照其出口的幾何形狀，可分為矩形噴嘴、圓臺噴嘴、橢圓噴嘴三種。圓臺噴嘴局部阻力系數(shù)相對較小，但同一工況下矩形噴嘴送風(fēng)風(fēng)量最大［1］。風(fēng)量是滿足區(qū)間隧道事故通風(fēng)斷面風(fēng)速要求的重要保證，所以工程中采用矩形噴嘴的較多。本文以矩形噴嘴為例研究噴嘴的設(shè)置。圖2所示為矩形噴嘴在站端的布置。其中：噴嘴入口設(shè)計為3 500 mm×3 500 mm，出口設(shè)計為3 000 mm×1 500 mm，噴射角度為30°，長度為7 500 mm；入口風(fēng)量為單臺隧道風(fēng)機60 m3/s或70 m3/s；噴嘴出口下沿安裝高度距軌面不小于2 m，以免噴嘴送風(fēng)擴散區(qū)域下部風(fēng)速過大影響乘客疏散。

2.2 噴嘴應(yīng)用情況

目前，國內(nèi)地鐵工程噴嘴設(shè)置層次不齊，各地設(shè)置原則不盡相同。表1列出了國內(nèi)部分地鐵工程噴嘴設(shè)置情況，既有全線都設(shè)噴嘴的，也有全線都不設(shè)置噴嘴的。設(shè)置噴嘴需要加長車站，增加車站土建工程投資，但系統(tǒng)運行可靠性較高；不設(shè)置噴嘴可節(jié)省土建投資，但需增加通風(fēng)設(shè)備、配電設(shè)備容量和投資，且由于系統(tǒng)控制復(fù)雜而導(dǎo)致運行可靠性下降。目前在建的烏魯木齊、蘭州、太原、呼和浩特、包頭等城市的地鐵工程遇到了同樣的選擇。因此，有必要研究安全門開閉式系統(tǒng)，確定在合適的系統(tǒng)設(shè)備容量配置下，采取較簡單的控制模式，既能保證系統(tǒng)運行的可靠性、又能節(jié)省工程投資的一種噴嘴設(shè)置原則，以便合理設(shè)置噴嘴、優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)備容量、減小車站土建規(guī)模。

圖2 站端噴嘴布置圖

表1 國內(nèi)部分地鐵工程噴嘴設(shè)置情況

3 模擬計算

根據(jù)某安全門開閉式系統(tǒng)工程特點和邊界條件，通過與傳統(tǒng)開閉式系統(tǒng)模型節(jié)點圖的對比優(yōu)化，建立了安全門開閉式系統(tǒng)的模型節(jié)點圖，并對阻塞工況和火災(zāi)工況下典型區(qū)間和配線區(qū)間通風(fēng)防排煙進(jìn)行模擬計算。

3.1 SES模型節(jié)點圖的區(qū)別

不設(shè)安全門的開閉式隧道通風(fēng)系統(tǒng)，站臺與車站軌行區(qū)連通，在SES模型節(jié)點圖［2］中為同一隧道段，如圖3所示。設(shè)置安全門的開閉式通風(fēng)系統(tǒng)SES模型節(jié)點圖如圖4所示，安全門上部500 mm高度空間設(shè)置風(fēng)帶，連通站臺與軌行區(qū)；模型節(jié)點圖中站臺和隧道分為不同的隧道段，之間通過風(fēng)井節(jié)連接，為了簡化模型，等效為每側(cè)多個風(fēng)井節(jié)，通過安全門及風(fēng)帶的幾何物理特性確定該風(fēng)井節(jié)的K-factor（風(fēng)阻系數(shù)）［3］。可利用SES模擬各種事故工況時事故隧道斷面氣流流速，以確定噴嘴的設(shè)置原則。

圖3 不設(shè)安全門開閉式隧道通風(fēng)系統(tǒng)SES模型節(jié)點圖

圖4 設(shè)安全門開閉式隧道通風(fēng)系統(tǒng)SES模型節(jié)點圖

3.2 模擬計算結(jié)果

3.2.1 典型區(qū)間事故工況模擬計算

設(shè)定區(qū)間兩端車站不設(shè)置配線，區(qū)間隧道斷面為單圓盾構(gòu)，區(qū)間長度約1 km，對站臺不設(shè)安全門和設(shè)置安全門、區(qū)間端部有無噴嘴、隧道風(fēng)機容量為60 m3/s和70 m3/s的各種組合工況進(jìn)行模擬計算。事故隧道斷面風(fēng)速要求不小于2 m/s［4-5］。模擬計算結(jié)果如表2所示。

由表2可知，站臺不設(shè)置安全門和噴嘴時，風(fēng)機風(fēng)量為70 m3/s，即使區(qū)間兩端車站隧道風(fēng)機全部開啟，也不能滿足典型區(qū)間事故隧道斷面風(fēng)速不小于2 m/s的要求。因此，只有加大風(fēng)機容量或設(shè)置噴嘴。但是，風(fēng)機容量過大，需增加配電設(shè)備投資和系統(tǒng)運行費用，故風(fēng)機風(fēng)量加大至70 m3/s時，設(shè)置噴嘴是一種較經(jīng)濟的方式。由工況A0S1N70模擬結(jié)果可知，設(shè)置噴嘴后，采用4送4排的方式能滿足事故斷面風(fēng)速。

站臺設(shè)置安全門、不設(shè)置噴嘴時，風(fēng)機風(fēng)量為70 m3/s，由工況A1S0N70模擬結(jié)果可知，無噴嘴采用3送3排的方式也能滿足事故斷面風(fēng)速。當(dāng)然，有噴嘴時事故斷面風(fēng)速能更高，如工況A1S1N70的模擬結(jié)果。所以，從工程經(jīng)濟性考慮，在設(shè)置安全門的開閉式系統(tǒng)中，典型區(qū)間可取消噴嘴。

3.2.2 配線區(qū)間事故工況模擬計算

設(shè)定區(qū)間一端車站不設(shè)置配線，另一端車站設(shè)置存車折返線，單洞單線區(qū)間隧道斷面為單圓盾構(gòu)，單洞雙線區(qū)間隧道暗挖，區(qū)間長度約1 km，對站臺不設(shè)安全門和設(shè)置安全門、區(qū)間端部有無噴嘴、隧道風(fēng)機容量為60 m3/s和70 m3/s的各種組合工況進(jìn)行模擬計算。事故隧道斷面風(fēng)速要求不小于2 m/s。模擬結(jié)果如表3所示。

由表3可知，站臺不設(shè)置安全門和噴嘴時，風(fēng)機風(fēng)量為70 m3/s，即使區(qū)間兩端車站隧道風(fēng)機全部開啟，也不能滿足配線區(qū)間事故隧道斷面風(fēng)速的要求。因此，只有設(shè)置噴嘴。由工況B0S1N70的模擬結(jié)果可知，設(shè)置噴嘴后，采用4送4排的方式能滿足事故斷面風(fēng)速。

表2 典型區(qū)間事故工況模擬計算結(jié)果匯總表

表3 配線區(qū)間事故工況模擬計算結(jié)果匯總表

站臺設(shè)置安全門、不設(shè)置噴嘴，風(fēng)機風(fēng)量加大至70m3/s，由工況B1S0N70的模擬結(jié)果可知，無噴嘴時采用4送4排的方式也不能滿足事故斷面風(fēng)速。設(shè)置噴嘴后，經(jīng)工況B1S1N70模擬，采用4送4排的方式能滿足事故斷面風(fēng)速的要求。所以，在設(shè)置安全門的開閉式系統(tǒng)中，配線區(qū)間應(yīng)設(shè)置噴嘴，增加事故通風(fēng)可靠性。

4 結(jié)論

（1）站臺不設(shè)安全門的開閉式隧道通風(fēng)系統(tǒng)，當(dāng)隧道風(fēng)機風(fēng)量為70m3/s時，為保證事故工況事故隧道斷面風(fēng)速滿足要求，典型區(qū)間和配線區(qū)間兩端均應(yīng)設(shè)置噴嘴，以增加氣流流速和流量，滿足事故區(qū)間斷面流速。設(shè)置噴嘴對于減小事故風(fēng)機容量和

配電負(fù)荷較為有利。

（2）站臺設(shè)置全高安全門的開閉式隧道通風(fēng)系統(tǒng)，當(dāng)隧道風(fēng)機風(fēng)量為70 m3/s時，典型區(qū)間事故工況通過開啟隧道兩端車站各4臺隧道風(fēng)機，在無噴嘴時能滿足區(qū)間事故風(fēng)速要求，故可取消該區(qū)間兩端噴嘴，以減小車站土建規(guī)模，節(jié)省工程投資。

（3）站臺設(shè)置全高安全門的開閉式隧道通風(fēng)系統(tǒng)，當(dāng)隧道風(fēng)機風(fēng)量70 m3/s時，配線區(qū)間事故工況在開啟隧道兩端車站各4臺隧道風(fēng)機、無噴嘴時不能滿足區(qū)間事故風(fēng)速要求，故區(qū)間兩端應(yīng)設(shè)置噴嘴，以保證系統(tǒng)運行的安全性、可靠性。

對配線區(qū)間的模擬分析僅列出了存車折返線的幾種工況，其他形式配線區(qū)間模擬結(jié)果基本類似。設(shè)置安全門的開閉式系統(tǒng)，配線區(qū)間兩端若不設(shè)置噴嘴，由于上下行線配線連通處和安全門上部風(fēng)井節(jié)均存在較大氣流損失，將較難保證事故區(qū)間隧道斷面流速，所以區(qū)間送風(fēng)應(yīng)設(shè)噴嘴。目前，蘭州地鐵1號線經(jīng)過模擬計算，按此原則優(yōu)化了全線噴嘴的設(shè)置，并通過了初步設(shè)計專家組審查。當(dāng)然，不同線路的區(qū)間隧道土建條件不同，應(yīng)根據(jù)每條線路的模擬計算結(jié)果最終確定各個區(qū)間噴嘴的設(shè)置，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)備容量，從而減小車站土建規(guī)模，節(jié)省工程投資，建成技術(shù)創(chuàng)新先進(jìn)、投資經(jīng)濟合理、運行安全可靠的地鐵工程。

［1］ 郄雪紅.高位噴嘴在地鐵區(qū)間隧道事故通風(fēng)中的應(yīng)用研究［D］.上海：同濟大學(xué)，2005.

［2］ U.S.Department of Transportation Research and Special Programs Administration Volpe National Transportation Systems Center.Subway Environmental Design Handbook，Volume I，Principle and Applications［G］.2nd ed.2002.

［3］ U.S.Department of Transportation Research and Special Programs Administration Volpe National Transportation Systems Center.Subway Environmental Design Handbook，Volume II，Subway Environmental Simulation Computer Program［G］.2002.

［4］ GB 50157—2003地鐵設(shè)計規(guī)范［S］.

［5］ GB 50490—2009城市軌道交通技術(shù)規(guī)范［S］.

Qn Nozzle Setting in Subway Qpen/Close Tunnel Ventilation System

Guo Yongzhen

Based on the characters of open/close subwaytunnel ventilation system，in the conditions of subway platform with or without safety doors，the setting principle of nozzlesis decided by simulating different capacities of tunnel fans.It indicates that sectional subway tunnels should install nozzles at both ends in open/close system without platform safety door；while the sectional tunnelsshould not install nozzles at both ends in open/close system with platform safety doors，in order to shorten the length of station and reduce the scale of civil engineering.Also，the wiring interval should be provided with nozzles at both ends to reduce the tunnel fan capacity and load distribution，at the same time to improve the system security.

subway；open/close system；sectional tunnel；nozzle setting

U 231.5

2013-12-26）