鄭州地鐵17號線長大區間隧道中間風井通風方案研究

張　雄

(中鐵四院集團西南勘察設計有限公司， 云南 昆明　650220)

0　引言

國內部分城市地鐵工程有長大區間隧道，此類區間行車密度大，區間較長，存在多輛列車同時運行的可能。一旦區間內發生火災等事故，通風下游側的非事故列車將會受到影響[1]。目前業內普遍采用設置中間風井等方式將長大區間分成多個通風區段，保證每個通風區段內不會出現列車同向追蹤運行的情況[2]。郝世杰[3]結合青島地鐵1號線，通過風井和集中排煙口將瓦屋莊站—貴州路站區間分成5個通風區段。 夏繼豪[4]通過SES與FDS軟件計算研究了某地鐵跨海超長區間隧道通風排煙方案，采取在岸邊設置中間風井和海域中部設置集中排煙口的形式，將跨海區間分成4個通風區段。張之啟[5]基于南京地鐵過江隧道，研究得到對于同時存在多列車同向運行的長大區間隧道，當區間隧道采用大洞方案時，設置頂部風道、風口來組織隧道內的通風排煙； 當區間隧道采用小洞方案時，在區間隧道上設置中間風井，利用中間風井進行通風排煙。

對于部分地鐵工程，由于正常運營時中間風井活塞通風作用對地鐵環境優化效果不明顯，因此相關學者對中間風井活塞風功能的必要性提出了質疑。何劍鋒[6]通過SES軟件計算分析了不同風井設置方案下，成都7號線琉璃場站與科華路站區間隧道內的溫度分布與空氣流量，認為可取消中間風井的活塞通風作用； 林放等[7]基于成都某地鐵線路，以溫度為評價指標，從地鐵環控通風系統的節能角度認為取消中間風井活塞通風作用利大于弊。為了保證事故工況時的通風要求，部分地鐵工程對中間風井進行了改進，采用取消活塞風功能、保留機械通風功能的通風方案。孫勛考[8]通過計算，得到某跨海中間風井不設置活塞通風功能時，區間內溫度和新風量也可滿足規范要求，因此中間風井只設機械通風功能； González等[9]基于典型區間和車站，通過Fluent軟件計算得到區間中部機械通風能夠有利于運行列車產生活塞效應。

以往關于中間風井通風方案的研究主要集中在取消活塞風功能方面，但基本只針對非長大地鐵區間隧道，且主要通過分析隧道環境來進行研究，并未依據隧道環境與工程經濟性等指標對地鐵長大區間隧道中間風井的通風方案進行綜合分析。本文采用SES軟件計算，對鄭州地鐵17號線長大區間隧道(機場站—新港八路站)中間風井通風方案進行研究。

1　工程概況

1.1　區間概況

鄭州地鐵17號線長大區間隧道(機場站—新港八路站)長度約為6.7 km，主體為雙洞單線盾構隧道。結合車輛追蹤能力，設置2座中間風井，與小里程端車站的中心距離分別為2 322、4 572 m。工程概況如圖1所示。

圖1　工程概況圖(單位： m)

1.2　通風方案

中間風井與車站隧道風機風量為60 m3/s，車站排熱風機風量為35 m3/s。根據中間風井保留與取消活塞風功能，即根據活塞風道數量的不同情況，將通風方案分為取消活塞風功能(僅保留機械通風功能)、單活塞通風模式和雙活塞通風模式，分別簡稱為方案A、B、C。圖2示出不同中間風井通風方案原理，考慮到新風換氣效果，設置方案B為保留中間風井1左線與中間風井2右線的活塞風功能[10]。

(a) 方案A (b) 方案B(c) 方案C

圖2通風方案原理圖

Fig. 2Sketch of ventilation schemes

2　計算模型與條件

2.1　計算模型

本文主要采用SES軟件對正常運行工況下該區間隧道的新風量、溫度和牽引能耗進行計算。根據線路、隧道、車輛和行車等多個專業提供的資料，對全線地鐵線路進行建模，包括該長大區間隧道在內的2站1區間節點，如圖3所示。

圖中編號代表區間或風井段。

圖3計算節點圖

Fig. 3Sketch of calculation nodes

2.2　計算條件

隧道夏季通風計算干球溫度為26.5 ℃，地層恒溫層溫度為17 ℃。依據地質專業提供的資料，計算得到土壤平均導熱系數為1.67 W/(m·K)，平均熱擴散率為2×10-3m2/h； 混凝土導熱系數為1.3 W/(m·K)，熱擴散率為2.3×10-3m2/h。

采用B型車6輛編組，最高運行速度為100 km/h。初、近、遠期高峰小時行車對數為15、24、27對/h。列車采用架空接觸網供電，電壓為DC 1 500 V。車站隧道僅設置軌頂排熱風道[11]。

3　計算結果及分析

3.1　隧道環境

3.1.1新風量

地鐵運營一般采用等時距發車，因此隧道內的風量分布基本呈周期變化。計算得到正常運行工況下遠期高峰小時右線平均風量分布如圖4所示。A方案區間隧道風向與車行方向相同，外界新風只能通過機場站的活塞風道抽吸進入該區間隧道，隧道內平均新風量僅為(21.9+58.7) m3/s=80.6 m3/s。保留活塞風功能的風井兼顧自然進、排風功能，因此隨著活塞風道數量的增加，通過中間風井抽吸進入隧道的新風量顯著增加，B、C方案隧道內平均新風量分別增大至97.4、128 m3/s。

(a) 方案A

(b) 方案B

(c) 方案C

圖中“+”、“-”分別表示排風和進風。

圖4遠期高峰小時右線平均風量分布

Fig. 4Average air volume distribution at right route in long-term peak hours

圖5示出正常運行工況下高峰小時該區間隧道新風換氣次數。中間風井取消活塞風功能時，新風只能通過機場站的活塞風道進入該區間隧道，計算得到A方案新風換氣次數小于2 次/h，不滿足《城市軌道交通工程項目建設標準》[12]中所規定的換氣次數不得小于3 次/h的要求。隨著活塞風道數量的增加，中間風井換氣能力增強，B方案新風換氣次數增大至2～3 次/h； C方案新風換氣次數最大，除行車對數為15對/h且排熱風機關閉時換氣次數略低于3 次/h外，其他工況下換氣次數均大于3 次/h，滿足規范要求。

(a) 隧道左線

(b) 隧道右線

圖中K和G分別表示車站排熱風機開啟和關閉。

圖5高峰小時隧道新風換氣次數

Fig. 5Air changing times of tunnel in peak hours

3.1.2隧道溫度

正常運行工況下遠期高峰小時該區間隧道內溫度分布如圖6所示。A方案的隧道左、右線平均溫度分別為31.9、32.0 ℃，且不同縱向位置處的溫度差距較小。隨著活塞風道數量的增加，通過中間風井抽吸進入隧道的新風量顯著增加，新風隨著隧道風向風井下游側流動，下游側的空氣溫度逐漸降低。相較于A方案，B、C方案的隧道內平均溫度分別降低0.2、0.4 ℃。由圖6可知，不同通風方案的隧道內最高溫度都小于35 ℃，滿足《地鐵設計規范》[13]等相關規范的要求。

(a) 隧道左線

(b) 隧道右線

3.2　工程經濟性

3.2.1初投資

初投資主要分為土建投資與設備投資兩部分。隨著活塞風道數量的增加，需增加額外的土建面積、電動組合風閥等。中間風井地下部分共3層，不同通風方案的土建與設備差別主要集中在地下一層附屬部分，如圖7所示，其中每組電動組合風閥配1臺低壓就地控制箱。

(a) 方案A(b) 方案B (c) 方案C

圖7地下一層平面圖(單位： mm)

Fig. 7Plan of basement 1(unit: mm)

不同中間風井通風方案初投資比較見表1，表中投資節省以A方案為基準。相較于A方案，B、C方案單個中間風井土建面積分別增加100、170 m2，且主要為附屬部分，計算后可知土建總投資分別增加200、340萬元。相較于A方案，B方案單個中間風井增加1組活塞風閥，C方案增加2組活塞風閥和1組機械風閥，B、C方案單個中間風井電動組合風閥總面積分別增加20、52 m2，計算得到設備總投資分別增加10、26萬元。

表1　不同通風方案初投資比較

注： “+”、“-”分別表示投資附加和節??； 風閥、低壓就地控制箱及相關回路合計總價按0.25 萬元/ m2風閥面積計算。

3.2.2牽引能耗費用

保留活塞風功能的風井兼顧自然進、排風功能，能夠起到泄壓補風的作用。隨著活塞風道數量的增加，隧道內壓力降低、行車阻力減小、列車牽引能耗降低。以車輛、行車、經調及線路等多個專業提供的資料為基礎邊界條件，通過SES軟件計算得到左、右線單輛列車牽引能耗。將A方案通過SES計算得到的能耗數據與供電專業的計算數據進行對比，誤差在15%以內，因此所有通風方案的牽引能耗均采用SES軟件進行計算。

不同通風方案牽引能耗費用比較見表2，表中牽引能耗費用以A方案為基準。A方案左、右線單輛列車牽引能耗分別為40.45、43.13 kW·h。隨著活塞風道數量的增加，B方案左、右線單輛列車牽引能耗分別降低至39.01、41.70 kW·h，C方案分別降低至37.89、40.68 kW·h。根據行車資料，初、近、遠期日行車對數分別為180、276、292對，計算得到初、近、遠期B方案比A方案分別節省能耗費用15.5、23.7、25.1 萬元/年； C方案比A方案分別節省27.0、41.4、43.8萬元/年。

表2　不同通風方案牽引能耗費用比較

注： “+”、“-”分別表示費用附加和節省。

3.2.3經濟性比較

不同中間風井通風方案經濟性差別主要集中在初投資和牽引能耗費用。不同通風方案投資費用比較見表3，費用以A方案為基準。由表3可知： A方案初投資最低，牽引能耗費用最高； C方案初投資最高，牽引能耗費用最低。

表3　不同通風方案投資費用比較

注： “+”、“-”分別表示費用附加和節省。

地鐵工程土建設計使用年限約為100年[14]，設備20年更換一次，設備年維護費用[15]取設備總值的3%。按復利法[16]計算貸款利息，貸款年利率取5%。工程建設期為5年，近、遠期分別按建成通車后10、25年確定。以A方案為基準，計算得到建成通車后，B、C方案總節省牽引能耗費用抵消額外投資分別需要23、24年；以B方案為基準，C方案抵消額外投資需要26年，見圖8。綜合比較可知，C方案的經濟性最好。

圖8　不同通風方案經濟性比較

4　結論與建議

通過分析對比鄭州地鐵17號線長大區間隧道(機場站—新港八路站)不同中間風井活塞通風模式下，區間隧道的新風量、溫度、初投資和牽引能耗費用等，得到以下結論。

1)雙活塞通風模式下，該區間隧道新風換氣次數最大且大于3 次/h； 遠期高峰小時隧道內平均溫度最低，比取消活塞風功能時低0.4 ℃，隧道環境優于其他通風方案。

2)雙活塞通風模式的初投資最高，牽引能耗費用最低，相較于其他通風方案，建成通車后26年的總節省牽引能耗費用可抵消額外投資，經濟性最好。

3)本文在前人研究的基礎上，依據隧道環境和工程經濟性等指標進行綜合分析，推薦采用雙活塞通風模式。研究成果可為地鐵隧道通風系統設計提供參考。

4)本文主要通過數值模擬和理論計算進行研究，實際工程中隧道環境需通過現場實測進行核實，工程經濟性也需根據實際建設、運營情況進行確定。同時，地鐵設計需滿足正常運行、阻塞、火災等多種工況的設計原則與標準，本文僅對正常運行工況進行了分析，下一步將對阻塞與火災工況時各中間風井通風方案的通風排煙效果進行研究。