市域鐵路地下隧道通風系統模擬分析

黃俊杰

中鐵第四勘察設計院集團有限公司

0 引言

隨著我國城鎮化進程的快速推進，原有的城市規模和單區域城市類型已無法滿足發展需求，越來越多的城市逐漸將之前的半城市地區或者周邊村鎮納入到城市發展的行列中，或者結合周邊城市的發展，逐漸形成城市經濟圈，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，區間長度較短，發車間隔更小，與軌道交通相比，其區間長度和發車間隔都要較長一些。

國內首條市域鐵路是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，很多地區也都在規劃和建設市域鐵路。市域鐵路目前基本按照地鐵方式進行設計，國內外很多學者對地下空間內的隧道通風也進行了大量的研究。賀娜介紹了地鐵隧道通風系統單、雙活塞兩種系統的工作原理，給出了單、雙活塞系統各自適用區域的應用建議[1]。姜尊仁介紹了南昌2 號線陽明公園站隧道通風系統設計方案[2]。周孝清等人對地鐵隧道火災中一種最復雜的模式進行了數值分析，對隧道內氣流的速度值進行了分析，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系統對確定大盾構斷面的影響，得出隧道通風不是影響盾構斷面確定的主要因素[4]。高宏研究了地鐵隧道內交叉渡線處活塞風井的設置對隧道熱環境的影響，得出活塞風井設于車站站臺與交叉渡線之間，且適當增大活塞風井面積可滿足溫度和通風要求[5]。劉立爭等人采用理論分析、CFD 數值模擬對北京某地鐵單隧道發生火災時的通風排煙系統進行了模擬分析，火災發生的位置不同，相應的最優通風排煙模式也不同[6]。市域鐵路在中心城區基本利用地下空間，車站和區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間的通風口外，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系統設計，控制車站和區間內的環境參數，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間隧道的計算模型，計算得出正常工況下地下區間隧道內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工況下，地下區間隧道內通過設置有效的通風排煙設施可以保證隧道內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系統的模擬計算分析，為地下區間隧道通風系統的設計提供了指導。

1 隧道通風系統SES 模型建立

隧道通風系統包括區間隧道通風和車站隧道通風，當采用自然通風無法滿足隧道內環控要求時，必須采用機械通風方式將隧道內的氣流有效的組織起來。區間隧道通風和車站隧道通風在功能上相互補充，共同維護隧道內的溫濕度等參數滿足運行需求，并且在阻塞和火災事故工況下，能夠保證隧道內的溫度不超過限值要求，以及火災時人員的安全疏散。

1.1 區間隧道通風

地下隧道由隧道出入口、地下車站、中間風井劃分為不同的地下區間，區間隧道通風一般采用縱向式通風，在隧道進出口、車站大小里程端頭或者中間風井位置處設置機械通風設施，同時利用列車在隧道內運行時產生的活塞作用，使得區間隧道內的空氣能夠與外界環境進行有效的換氣，其通風原理圖如圖1：

圖1 區間隧道通風系統原理圖

1.2 車站隧道通風

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行隔斷，將隧道與車站主體建筑進行分割。當列車需要停靠在地下車站時，剎車等因素會產生大量的散熱，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，進而影響到列車和車站內的熱濕環境，造成乘客的不舒適性，因此，地下車站隧道內需要設置軌頂或者軌底排風道，利用排熱風機將熱量及時的排出去，其通風原理圖如圖2：

圖2 車站隧道通風系統原理圖

1.3 隧道通風SES 模型

地下隧道由區間隧道和車站隧道兩部分組成，分別在區間和車站位置布置機械風機，在隧道出入口設置可逆射流風機，中間工作井位置處設置隧道軸流風機，車站大小里程位置處同時設置隧道軸流風機，相互作用共同保證隧道內環控參數滿足設計要求。

選取某市域鐵路規劃線，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。隧道區間結構的形式主要為明挖，盾構和礦山法，斷面的面積分別為36.82 m2，37.81 m2和41.52 m2，區間隧道采用雙活塞風道，車站隧道內只考慮采用軌頂排熱方式。根據兩段地下隧道的結構形式、車站形式等，建立隧道的簡化節點模型，利用SES 程序建立地下隧道的物理計算模型，輸入運行相關的環境參數，土壤參數，線路參數，列車參數和客流參數等，對兩段隧道內的列車運行狀況進行模擬分析。

2 正常工況下隧道溫度模擬分析

市域鐵路根據初期，近期和遠期的客流量合理的安排車輛數和行車間隔，初期和近期發車密度低于遠期規劃的發車密度，而隧道通風系統是一次性建成的，因此，隧道通風必須滿足遠期條件下的環控要求。依據建立的SES 模型，列車間隔取2 min，考慮遠期高峰小時為下午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 位置處出現最高溫度33.5 ℃，右線在車站1 位置處出現最高溫度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空氣溫度，因此壁面對隧道內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的人體散熱等熱繞因素，造成車站隧道區域溫度逐漸上升。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口位置高1.9 ℃，右線列車出口位置空氣溫度比進口位置高1.0 ℃。

圖4 為隧道2 遠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 位置處出現最高溫度33.6 ℃，右線在車站3 位置處出現最高溫度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 位置上車人數達到47 人，導致此區域溫度比左線高出2.8 ℃，因此，車站上下車人數對隧道內溫度的影響比較大。

圖4 隧道2 遠期正常工況下左右線溫度分布

3 事故工況下隧道通風模擬分析

列車在隧道內運行，事故工況分為阻塞工況和火災工況。當列車因故障停留在區間隧道，即隧道內發生阻塞工況。當列車在隧道內發生火災時，列車應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，只能在隧道內疏散乘客，此時必須根據列車所在位置和火災位置啟動相應的隧道防排煙設備，即為火災工況。

3.1 區間阻塞工況

當列車在區間發生阻塞時，根據列車所在位置處，開啟相應區間上下行線的射流風機或者隧道風機，并且隧道外的車輛不再進入隧道，其控制原理圖如圖5所示：

圖5 區間阻塞工況送排風示意圖

根據阻塞工況風機運行規律，隧道1 考慮左線入口至車站1 區間內發生阻塞，開啟隧道入口的射流風機，車站1 大小里程端部的隧道風機同時開啟排風，排熱風機維持正常開啟狀態，利用SES 模擬軟件計算出阻塞段內風量達到183.9 m3/h，風速4.8 m/s，列車周圍溫度33.3 ℃，滿足《地鐵設計規范》（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 區間內發生阻塞，開啟車站3 大小里程端部的隧道風機送風，排熱風機關閉，開啟車站4 大小里程端部的隧道風機排風，排熱風機維持正常開啟狀態，利用SES 模擬軟件計算出阻塞段內風量達到129.8 m3/h，風速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 區間火災工況

當列車在區間發生火災時，必須立即啟動相應的火災運行模式，開啟隧道內的射流風機和隧道風機，控制著火區間的氣流方向與乘客的疏散方向相反，乘客迎著新風方向進行疏散，并保證火災煙氣不進入疏散通道內，另一側隧道內停止行車，其控制原理圖如圖6：

圖6 區間火災工況送排風示意圖

列車在區間內發生火災時，乘客迎著新風方向進行疏散，并且從最近的聯絡通道進入非火災隧道內進行疏散，全線同一時間考慮發生一次火災，火災規模按照20 MW 進行計算。隧道1 和隧道2 考慮在阻塞工況位置處發生火災，利用SES 模擬軟件計算出阻塞段內風量分別達到了168.1 m3/h 和116.3 m3/h，風速分別達到了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 結論

1）區間隧道通風在隧道進出口、車站大小里程端部和中間工作井位置處設置機械排風設施，車站隧道通風在隧道內設置軌頂或者軌底排風道，相互作用將隧道內熱量及時排出去。

2）市域鐵路地下隧道按照遠期運營能力進行SES 建模計算，隧道壁面對隧道內空氣具有降溫作用，在車站位置由于剎車產生的熱量和人體散熱使得隧道內溫度升高。地下車站的上下車人數對車站隧道內溫度的影響比較大，車站內需要設置有效的機械排熱系統。

3）區間發生阻塞時，開啟相應區間上下行線的隧道風機，可以保證阻塞位置處溫度不超過限值要求。區間發生火災時，通過設置隧道通風排煙系統，可以有效的保證乘客的安全疏散。