福州至長樂機場快線通風(fēng)空調(diào)設(shè)計優(yōu)化探討

林大畏

中鐵上海設(shè)計院集團有限公司

隨著城市規(guī)模及中心城區(qū)輻射范圍的不斷擴大，城市周邊地區(qū)的發(fā)展對中心城區(qū)的影響越來越大。面對城市周邊與中心城區(qū)中長距離的出行需要，僅有地鐵已無法滿足城市快速增長的大量遠(yuǎn)程通勤客流量的需求。市域快線作為一種中長距離的城市交通系統(tǒng)，除了具有城市軌道交通的普遍特征外，還具有地下車站少、區(qū)間斷面大、行車速度快、站站間距長等特點。這些特點決定了市域快線通風(fēng)空調(diào)特性與地鐵存在天然區(qū)別[1]。筆者結(jié)合福州至長樂機場城際鐵路工程，對車站排熱系統(tǒng)軌底風(fēng)道設(shè)置、洞口緩沖泄壓裝置以及穿山段射流風(fēng)機配置等工程實際問題及設(shè)計重難點進(jìn)行探討與研究。

1 工程概況

福州至長樂機場城際鐵路工程（F1 線）起于福州火車站，經(jīng)福州長樂國際機場，終于大鶴站，線路全長62.4 km，其中地下線長度34.15 km。全線近期設(shè)站13座（高架站3 座，地下站10 座），其中預(yù)留車站2 座（蓋山路站、蓮花山站），遠(yuǎn)期平均站間距4.42 km。最大站間距9.96 km，為祥謙至首占區(qū)間，最小站間距1.27 km，為塔頭至閩都區(qū)間。全線設(shè)置一段一場（大鶴車輛段、東升停車場），主變電站3 座（東升主變、首占主變、大鶴主變），新建控制中心一座。初、近、遠(yuǎn)期均采用6 輛編組市域A 型車，列車最高運行速度為140 km/h。

2 車站排熱系統(tǒng)取消軌底風(fēng)道

目前國內(nèi)全封閉站臺門制式地鐵站，在站臺軌行區(qū)通常采用軌頂與軌底排風(fēng)道的設(shè)計,由于軌底風(fēng)口檢修困難、易腐蝕，影響管線安裝。火災(zāi)時需關(guān)斷軌底風(fēng)道，影響排煙可靠性。再生制動的技術(shù)的應(yīng)用，制動產(chǎn)熱減少。因此對取消車站軌底風(fēng)道方案的可行性進(jìn)行研究具有必要性。

福州至長樂機場城際鐵路工程列車采用逆變回饋再生制動，再生制動效率基本在50%～80%左右。采用快線標(biāo)準(zhǔn)，隧道盾構(gòu)直徑為7.2 m。車站排熱風(fēng)機選型風(fēng)量為30 m3/s。根據(jù)SES 軟件模擬計算結(jié)果，取消軌底風(fēng)道后隧道內(nèi)平均溫度僅增加0.3 ℃左右，上升幅度很小，且隧道內(nèi)最高溫度滿足規(guī)范要求。同時取消軌底風(fēng)道，車站隧道中心里程處區(qū)間隧道斷面更大（增加面積約2 m2），有利于緩解隧道風(fēng)壓，保證乘客舒適度要求。同時按每天運行18 h 計算，預(yù)計風(fēng)機每年的運行能耗節(jié)省達(dá)30 萬kWh/站，節(jié)省約23 萬元/站。TEF 風(fēng)機及風(fēng)閥初投資減少18.5 萬元/站。考慮到取消軌底風(fēng)道可行且該調(diào)整帶來的經(jīng)濟性，本線車站排熱系統(tǒng)取消軌底風(fēng)道。

3 洞口緩沖泄壓裝置

地鐵列車在地下空間內(nèi)運行，當(dāng)運行速度超過100 km/h 時，列車駛?cè)胨淼溃谒淼蓝纯谔帢O易引起車內(nèi)壓力變化率和壓力波動幅值過大，對列車運行的安全性、旅客乘坐的舒適性及隧道周圍和車站環(huán)境均帶來不利影響。乘客和列車司機出現(xiàn)耳膜不適等癥狀，甚至出現(xiàn)間歇性耳聾等職業(yè)疾病[2]。

目前，國內(nèi)常見的緩沖結(jié)構(gòu)形式，有斷面擴大型緩沖結(jié)構(gòu)和橫斷面不變、側(cè)面或頂面開泄壓孔的緩沖結(jié)構(gòu)兩種形式。為驗證設(shè)置不同緩沖結(jié)構(gòu)對列車入洞隧道斷面突變處的壓力變化率緩解效果，模擬列車以140 km/h 進(jìn)入洞口隧道，分析距洞口不同距離處微氣壓波峰值，見表1。

表1 距洞口不同距離處微氣壓波峰值

依據(jù)《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》TB10621-2014 標(biāo)準(zhǔn)8.5.3 條洞口附近有建筑物或特殊環(huán)境要求時，宜通過設(shè)置洞口緩沖結(jié)構(gòu)降低微氣壓波峰值，并滿足表8.5.3中的微氣壓波峰值要求[3]，如表2。

表2 《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》微氣壓波峰值控制標(biāo)準(zhǔn)

由模擬結(jié)果可知，在洞口設(shè)置擴大斷面型緩沖結(jié)構(gòu)時，距洞口距離為20 m、50 m 的微氣壓波峰值滿足規(guī)范要求。采用開泄壓孔形式緩解微氣壓波效果不明顯，不能完全滿足規(guī)范要求。綜上，本工程中當(dāng)山嶺隧道長度超過2 km 時，進(jìn)出洞口設(shè)置緩沖結(jié)構(gòu)斷面面積為隧道斷面面積的2 倍，長度為隧道等效直徑的3 倍的斷面擴大型緩沖結(jié)構(gòu)。

4 穿山段射流風(fēng)機配置

福州至長樂機場城際鐵路工祥謙-首占區(qū)間起于閩侯縣祥謙站，終止于長樂區(qū)首占站。區(qū)間共包含三座隧道，自西向東依次為：枕峰山隧道、大象山隧道與塘嶼隧道，其中大象山隧道采用單護(hù)盾TBM 法施工。大象山隧道總長度4482.6 m，隧道縱斷面最大縱坡8.0‰，最小縱坡4.0‰，隧道埋深范圍約5.2 m～390 m，隧道中間段埋深最深約為390 m。

市域快軌長大區(qū)間隧道容易出現(xiàn)兩列或者以上列車同時運行的情況，依據(jù)《市域快速軌道交通設(shè)計規(guī)范》(T/CCES2-2017)23.5.16，市域快軌同時存在兩列或以上列車運行的區(qū)間隧道，火災(zāi)情況下當(dāng)采用縱向通風(fēng)排煙時，應(yīng)設(shè)置區(qū)間通風(fēng)道、通風(fēng)井和通風(fēng)排煙設(shè)備[4]。區(qū)間隧道中間設(shè)置豎井，以確保在兩個豎井之間的區(qū)間段不會有兩列車同時追蹤，保證“人煙分離”。

大象山隧道如果采用區(qū)間設(shè)置豎井進(jìn)行通風(fēng)排煙方案，需設(shè)置不少于一個中間豎井，井深約390 m，豎井穿越中、微風(fēng)化凝灰?guī)r及巖溶水的水平流動帶、垂直滲流帶，豎井施工中容易導(dǎo)致地表水、地下水與隧道連通，引發(fā)隧道內(nèi)大量涌水、突泥及井壁垮塌，增加了豎井和隧道施工的危害與困難。同時隧道采用TBM工法施工，斷面尺寸固定，無設(shè)置中間風(fēng)機房或斜井條件，因此需要采用射流風(fēng)機誘導(dǎo)排煙。

為滿足隧道平時通風(fēng)工況隧道內(nèi)的CO2濃度及溫度要求，以及火災(zāi)工況排煙通風(fēng)和人員疏散要求，采用以下兩個設(shè)計方案進(jìn)行比較分析。

方案一：在隧道兩端洞口處布置若干組射流風(fēng)機，布置情況見圖1、圖2。區(qū)間射流風(fēng)機如采用隧道兩端車站就近供電，因長大區(qū)間隧道長度過長，將導(dǎo)致電力線路過長，電壓壓降超大，因此，需在每組射流風(fēng)機邊上增設(shè)區(qū)間變電所。該方案需設(shè)置2 個區(qū)間變電所。

圖1 隧道縱斷面示意圖

圖2 隧道橫斷面示意圖

方案二：在隧道兩端洞口處及隧道中部布置若干組射流風(fēng)機。布置情況見圖3、圖4。該方案需設(shè)置3 個區(qū)間變電所，其中1 個區(qū)間變電所設(shè)置在隧道中部。

圖3 隧道縱斷面示意圖

圖4 隧道橫斷面示意圖

考慮福州至長樂機場城際鐵路工程全線隧道。對方案一、方案二進(jìn)行經(jīng)濟和技術(shù)優(yōu)劣勢分析，分析結(jié)果如下。

方案一：

優(yōu)點：1）射流風(fēng)機只設(shè)置于隧道兩端，減少18 臺射流風(fēng)機，減少設(shè)備投資約180 萬。2）取消隧道中間的射流風(fēng)機及其相應(yīng)的區(qū)間變電所。減少土建投資及施工難度。3）每個隧道橫斷面風(fēng)機數(shù)量減少，有利于施工安裝及后期運維。

缺點：隧道兩端射流風(fēng)機相應(yīng)增多，風(fēng)機距離洞口處區(qū)間變電所更遠(yuǎn)，電壓壓降增加，相應(yīng)的電纜尺寸變大，增加電纜初投資。

方案二：

優(yōu)點：通過增加每組及每個斷面射流風(fēng)機的數(shù)量，有利于風(fēng)機運行時提供更大的風(fēng)壓抽力，火災(zāi)時排煙通風(fēng)效果更佳。

缺點：1）區(qū)間隧道中間設(shè)置區(qū)間變電所，增加土建投資，且隧道采用TBM 工法，設(shè)置中間區(qū)間變電所施工難度巨大。2）區(qū)間隧道中間設(shè)置射流風(fēng)機，增加控制模式及后期運維難度。

綜上，大象山隧道的隧道通風(fēng)系統(tǒng)，應(yīng)采用隧道兩端各設(shè)置一組射流風(fēng)機誘導(dǎo)排煙。

5 結(jié)語

總結(jié)福州至長樂機場城際鐵路工程通風(fēng)空調(diào)設(shè)計思路如下：

1）市域快線對于采用逆變回饋再生制動的線路，從區(qū)間隧道內(nèi)溫度及經(jīng)濟性上分析，取消車站軌底風(fēng)道方案具有可行性。

2）對于執(zhí)行市域快線標(biāo)準(zhǔn)的線路，隧道洞口處應(yīng)從實用及洞口附近的地形條件等因素出發(fā)，考慮設(shè)置緩沖結(jié)構(gòu)形式。在洞口設(shè)置擴大斷面型緩沖結(jié)構(gòu)緩解微氣壓波效果優(yōu)于在隧道洞口側(cè)面開泄壓孔。

3）地鐵長大區(qū)間因地勢，地質(zhì)以及施工工藝等因素，無法設(shè)置中中間風(fēng)機房或斜井，可采用隧道兩端各設(shè)置射流風(fēng)機組誘導(dǎo)排煙。