地鐵區(qū)間隧道熱環(huán)境與土體蓄放熱特性的監(jiān)測(cè)研究*

上海理工大學(xué) 王麗慧 孫 彬

上海申通地鐵集團(tuán)有限公司 鄭 懿△ 宋 潔

上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 張繼華

上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司 胡田偉

0 引言

隨著地下軌道交通的全面發(fā)展，地鐵隧道內(nèi)的熱環(huán)境問(wèn)題逐漸凸顯，尤其是在一些運(yùn)營(yíng)時(shí)間長(zhǎng)的地鐵線路，存在地鐵區(qū)間隧道內(nèi)空氣溫度過(guò)高的問(wèn)題。地鐵隧道溫升問(wèn)題涉及到區(qū)間隧道內(nèi)空氣溫度、壁面溫度及土體熱流密度的演化特性，引起了社會(huì)各界學(xué)者的廣泛關(guān)注。

武偉等人在無(wú)限長(zhǎng)隧道模型的基礎(chǔ)上，對(duì)地鐵圍巖傳熱量的計(jì)算公式進(jìn)行了推導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)地鐵圍巖吸熱量在空調(diào)負(fù)荷中占有一定的比例，有一定的節(jié)能空間[1]；肖琳等人利用模型實(shí)驗(yàn)研究了隧道圍巖內(nèi)的溫度分布[2]；胡增輝等人利用FLAC3D程序模擬了圍巖溫度場(chǎng)的傳熱能力，并采用數(shù)值模擬方法分析了各個(gè)因素對(duì)圍巖傳熱的影響，得到了變溫層傳熱范圍的經(jīng)驗(yàn)公式及圍巖傳熱穩(wěn)定時(shí)間、傳熱量等[3]；王麗慧等人以地鐵隧道圍巖土壤溫度場(chǎng)分布為研究對(duì)象，利用CHAMPS-BES熱濕耦合傳遞軟件得出土壤熱物性參數(shù)的變化對(duì)土壤溫度場(chǎng)分布有明顯影響，在確定的土壤熱物性參數(shù)情況下，隨著地鐵運(yùn)行年限的增長(zhǎng)，土壤溫度場(chǎng)峰值增大，土體溫度場(chǎng)厚度增加[4]。以上研究均采用數(shù)值模擬對(duì)隧道圍巖蓄放熱進(jìn)行分析，缺少對(duì)地鐵區(qū)間隧道真實(shí)情況的實(shí)測(cè)分析。

因此，本文選取上海地鐵1號(hào)線A站與B站之間的區(qū)間隧道為監(jiān)測(cè)對(duì)象，通過(guò)監(jiān)測(cè)土體壁面熱流密度、壁面溫度、區(qū)間隧道空氣溫度等參數(shù)，分析上述區(qū)間隧道熱環(huán)境參數(shù)變化特性，為后續(xù)有效解決遠(yuǎn)期運(yùn)行區(qū)間空氣溫度過(guò)高等問(wèn)題提供技術(shù)參考。

1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案

本次監(jiān)測(cè)是為了分析包括地鐵車(chē)站軌行區(qū)在內(nèi)的地鐵區(qū)間隧道熱環(huán)境參數(shù)變化特性。在上海地鐵1號(hào)線A、B兩車(chē)站之間的隧道布置多個(gè)自動(dòng)記錄儀，監(jiān)測(cè)隧道不同位置的空氣溫濕度、壁面溫度和熱流密度等參數(shù)。A站和B站的車(chē)站及隧道尺寸如下：站廳長(zhǎng)120 m，寬18 m，高5.5 m；站臺(tái)長(zhǎng)120 m，寬8 m，高5 m；車(chē)站軌行區(qū)長(zhǎng)120 m，隧道長(zhǎng)1 200 m。兩車(chē)站春秋季不送風(fēng)，夏季送風(fēng)溫度均為21.5 ℃，站廳送風(fēng)量為92 000 m3/h，站臺(tái)送風(fēng)量為78 000 m3/h。因車(chē)站設(shè)有屏蔽門(mén)，因此車(chē)站空調(diào)系統(tǒng)對(duì)區(qū)間的影響有限。

圖1為A站軌行區(qū)及隧道(A、B站之間)布點(diǎn)示意圖。在A站軌行區(qū)選取3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，分別為車(chē)站軌行區(qū)左斷面、中斷面及右斷面；在A、B站之間的隧道選取4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，分別為靠近列車(chē)進(jìn)站方向活塞風(fēng)井?dāng)嗝婕八淼雷髷嗝妗⒅袛嗝妗⒂覕嗝妗Ｆ渲校魈幉键c(diǎn)均以不影響地鐵列車(chē)正常安全運(yùn)行為原則。軌行區(qū)的布點(diǎn)分別取上、下排熱風(fēng)口和車(chē)站對(duì)面?zhèn)葔Γ鐖D2所示；隧道內(nèi)部測(cè)點(diǎn)則以側(cè)墻中部為宜，如圖3所示。

注：一～七分別代表7個(gè)斷面；★為小球氣溫儀器布點(diǎn)(1～11)；▼為壁面溫度紐扣儀器布點(diǎn)(一～七)；■為熱流密度儀器布點(diǎn)(A～D)。圖1 A站軌行區(qū)及隧道(A、B站之間)布點(diǎn)俯視圖

圖2 車(chē)站軌行區(qū)空氣溫度測(cè)點(diǎn)剖面圖

圖3 隧道溫度和熱流密度測(cè)點(diǎn)剖面圖

實(shí)測(cè)參數(shù)包括壁面溫度、壁面熱流密度、隧道空氣溫濕度及室外空氣溫度，采用的自動(dòng)記錄儀的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。監(jiān)測(cè)時(shí)間為2018年8月至2019年10月，因儀器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量有限，各參數(shù)讀取記錄的時(shí)間間隔為30 min，每2個(gè)月需要從隧道中取出儀器，導(dǎo)出數(shù)據(jù)后再重新放置到隧道中。

表1 區(qū)間長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)儀器參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 區(qū)間空氣溫度實(shí)測(cè)結(jié)果分析

2.1.1區(qū)間月平均空氣溫度對(duì)比

圖4顯示了區(qū)間7個(gè)斷面和室外全年逐月月平均空氣溫度變化情況。可以看出：不同斷面區(qū)間空氣溫度均逐月波動(dòng)，夏季(7—9月)較高，冬季(12、1、2月)較低；室外空氣溫度全年波動(dòng)范圍為4～30 ℃，而區(qū)間隧道內(nèi)空氣溫度則在16～34 ℃之間波動(dòng)，可見(jiàn)由于列車(chē)散熱和區(qū)間土體蓄放熱作用，區(qū)間空氣溫度普遍高于室外空氣溫度。此外，室外空氣溫度與區(qū)間空氣溫度的波動(dòng)振幅和相位存在如下關(guān)系：一方面，從溫度振幅來(lái)看，冬季室外空氣溫度與區(qū)間隧道空氣溫度的振幅溫差高達(dá)13 ℃，說(shuō)明冬季區(qū)間土體放熱顯著，減弱了區(qū)間空氣溫度受室外溫降的影響程度，而夏季室外空氣溫度與區(qū)間空氣溫度的差值只有4 ℃，說(shuō)明夏季土體吸熱作用較小，對(duì)區(qū)間空氣溫度影響不大。另一方面，從溫度波動(dòng)的相位來(lái)看，區(qū)間隧道空氣溫度在8月初達(dá)到最高，而室外空氣溫度在8月下旬達(dá)到最高，兩者相差近1個(gè)月，可見(jiàn)室外空氣溫度與區(qū)間隧道空氣溫度最大值出現(xiàn)的時(shí)間存在相位差。室外空氣溫度主要通過(guò)設(shè)置在車(chē)站兩端的活塞風(fēng)井的有效換氣量來(lái)影響區(qū)間空氣溫度，地鐵車(chē)站兩端設(shè)置有4個(gè)活塞風(fēng)井，列車(chē)進(jìn)站時(shí)產(chǎn)生正壓作用，區(qū)間空氣通過(guò)活塞風(fēng)井排向室外，而列車(chē)離站時(shí)產(chǎn)生負(fù)壓作用，將室外空氣帶入?yún)^(qū)間，基于此，實(shí)現(xiàn)了區(qū)間空氣與室外空氣的熱質(zhì)交換，使得室外空氣溫度影響區(qū)間空氣溫度。

圖4 區(qū)間各斷面全年逐月平均空氣溫度和室外空氣溫度對(duì)比

2.1.2區(qū)間不同位置空氣溫度對(duì)比

為了進(jìn)一步了解區(qū)間不同位置空氣溫度的變化特性，分別分析了冬季、夏季和春、秋過(guò)渡季區(qū)間不同位置的空氣溫度。

圖5顯示了冬季(12、1、2月)區(qū)間不同斷面空氣溫度對(duì)比，可見(jiàn)區(qū)間空氣溫度12月和1月較高，2月最低，總體在16～20 ℃之間波動(dòng)。由圖4可知，2月室外平均空氣溫度比1月略高，因此2月區(qū)間空氣溫度較低的主要原因是土體此時(shí)放熱量減小。此外，從圖5可以看出，相比于其他斷面，隧道中斷面和隧道右斷面的空氣溫度比其他斷面低2 ℃左右，這主要是由于列車(chē)在上一車(chē)站啟動(dòng)離站過(guò)程中，從上一車(chē)站的出站端活塞風(fēng)井吸入大量室外冷空氣所導(dǎo)致。

圖5 冬季(12、1、2月)區(qū)間不同斷面空氣溫度對(duì)比

圖6顯示了夏季(7—9月)區(qū)間不同斷面空氣溫度對(duì)比，總體而言，區(qū)間空氣溫度8月最高，7月最低，9月介于前兩者之間；各斷面空氣溫度均較高，總體在30～34 ℃之間。隧道右斷面空氣溫度相對(duì)較低，原因同上。

圖6 夏季(7—9月)區(qū)間不同斷面空氣溫度對(duì)比

圖7顯示了春、秋過(guò)渡季區(qū)間不同斷面空氣溫度對(duì)比，過(guò)渡季區(qū)間空氣溫度總體在20～31 ℃之間。由圖7a可以看出：3—4月的平均溫升為4 ℃，幅度較大；4—5月溫升不明顯，為0.7 ℃；而5—6月的平均溫升為6 ℃，幅度最大。由圖7b可以看出：10—11月的平均降溫幅度為2.5 ℃。總體而言區(qū)間不同斷面的空氣溫度相差不大，隧道右斷面空氣溫度略低于其他斷面。

圖7 春秋季區(qū)間不同斷面空氣溫度對(duì)比

2.1.3區(qū)間空氣溫度代表性截面分析

圖8顯示了2018年8月至2019年10月每月區(qū)間各斷面的平均空氣溫度，并圈出了各月最高溫度所在的斷面。可以看出，在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的7個(gè)斷面中，軌行區(qū)斷面的月平均空氣溫度大多高于區(qū)間隧道各斷面，且車(chē)站軌行區(qū)左斷面是最能代表區(qū)間月最高平均空氣溫度的斷面。

圖8 區(qū)間月最高平均空氣溫度

2.2 區(qū)間壁面溫度實(shí)測(cè)結(jié)果分析

本次實(shí)測(cè)中，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)了進(jìn)站端活塞風(fēng)井附近、區(qū)間左側(cè)、區(qū)間中部和區(qū)間右部4個(gè)斷面的壁面溫度。圖9顯示了2018年8月至2019年10月上述4個(gè)斷面的逐月月平均壁面溫度，并圈出了月平均壁面溫度最高的斷面。可知在上述4個(gè)斷面中，隧道左斷面的壁面溫度偏高。

圖9 每月區(qū)間最高平均壁面溫度

2.3 區(qū)間熱流密度實(shí)測(cè)結(jié)果分析

區(qū)間土體在冬季的放熱對(duì)區(qū)間溫度維持穩(wěn)定具有重要作用，以下通過(guò)同時(shí)呈現(xiàn)春、夏、秋、冬4個(gè)季節(jié)典型日的土體熱流密度、區(qū)間空氣溫度、壁面溫度和室外空氣溫度，來(lái)分析區(qū)間隧道土體蓄放熱的基本特性，其中區(qū)間土體熱流密度數(shù)值為正代表土體放熱，數(shù)值為負(fù)代表土體吸熱，詳見(jiàn)圖10。

由圖10可知，總體而言，各季節(jié)典型日中，在室外空氣溫度有較大波動(dòng)時(shí)，區(qū)間土體熱流密度呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。冬季典型日熱流密度在-2～23 W/m2之間波動(dòng)，以放熱為主，尤其是在02：00—04：00室外空氣溫度顯著降低的時(shí)段，區(qū)間土體熱流密度明顯上升，土體放熱有效降低了區(qū)間空氣溫度受室外溫降的影響，維持相對(duì)穩(wěn)定；夏季典型日區(qū)間土體以吸熱為主，熱流密度在-20～0 W/m2之間波動(dòng)，該地鐵站已運(yùn)營(yíng)10年以上，夏季土體吸熱強(qiáng)度明顯低于冬季的放熱強(qiáng)度；秋季典型日土體熱流密度范圍為-21～27 W/m2，春季典型日土體熱流密度范圍為-3～5 W/m2。

春秋季區(qū)間壁面溫度和區(qū)間空氣溫度一直相近，但在室外空氣溫度驟變時(shí)，區(qū)間空氣溫度會(huì)有一個(gè)延時(shí)變化，從而導(dǎo)致區(qū)間土體熱流密度的突變，說(shuō)明當(dāng)室外空氣溫度升高(降低)時(shí)，區(qū)間熱流密度會(huì)相應(yīng)地體現(xiàn)出吸熱(放熱)的趨勢(shì)，從而有效減少室外空氣溫度波動(dòng)對(duì)區(qū)間空氣溫度的影響，使得區(qū)間空氣溫度和壁面溫度基本維持在變化較小的水平上。區(qū)間土體熱流密度會(huì)彌補(bǔ)室外空氣溫度波動(dòng)的影響，但是秋季熱流密度遠(yuǎn)大于春季。綜上所述，不同季節(jié)土體熱流密度所體現(xiàn)的土體蓄放熱均會(huì)起到減緩室外空氣溫度波動(dòng)對(duì)區(qū)間空氣溫度的影響，是區(qū)間空氣溫度維持相對(duì)穩(wěn)定的關(guān)鍵。

3 結(jié)論

1) 從區(qū)間隧道各斷面逐月平均溫度來(lái)看，區(qū)間空氣溫度與室外空氣溫度的波動(dòng)存在振幅和相位的差異；在溫度振幅上，區(qū)間隧道空氣與室外空氣的最大溫差在冬季為13 ℃，在夏季為4 ℃；從溫度波動(dòng)相位來(lái)看，區(qū)間隧道平均空氣溫度的最高值比室外早1個(gè)月出現(xiàn)。

2) 冬季區(qū)間空氣溫度總體在16～20 ℃之間波動(dòng)，區(qū)間中部和右部2個(gè)斷面的平均溫度比其他斷面約低2 ℃；夏季區(qū)間空氣溫度總體在30～34 ℃之間；春季和秋季區(qū)間空氣溫度總體在20～31 ℃之間；夏季和過(guò)渡季區(qū)間不同斷面空氣溫度相差不大，且隧道右斷面空氣溫度略低于其他斷面。

3) 在軌行區(qū)和區(qū)間隧道7個(gè)斷面中，車(chē)站軌行區(qū)左斷面月平均空氣溫度最高；在區(qū)間隧道4個(gè)斷面中，隧道左斷面月平均壁面溫度最高。

4) 區(qū)間隧道土體冬季以放熱為主，其典型日熱流密度在-2～23 W/m2之間；夏季區(qū)間土體以吸熱為主，其典型日熱流密度在-20～0 W/m2之間；秋季和春季區(qū)間土體典型日熱流密度范圍分別為-21～27 W/m2和-3～5 W/m2。不同季節(jié)區(qū)間土體蓄放熱是區(qū)間空氣溫度維持相對(duì)穩(wěn)定的關(guān)鍵。