孟買地鐵3號線通風性能化設計SES模擬應用

萬坡緒

（上海公路橋梁（集團）有限公司，上海 200433）

國內新建地鐵區間隧道通風系統設計多采用指令性規范設計方法，根據規范［1］參數要求進行設計計算與設備選型.規范設計能夠提升設計效率，但無法根據具體工程情況進行性能化設計，往往造成通風防煙排煙系統設備選型容量過大或不能滿足工程使用要求，運營成本不經濟.國內也有部分學者使用數值模擬工具（SES，CFD，FDS等）針對隧道通風排煙某一特定專題進行模擬研究，師虹［2］借助數值模擬工具研究了雙洞單向雙向換氣通風隧道火災溫度場及逃生疏散；黃俊杰［3］采用SES程序建立了某市域鐵路兩段地下區間不同工況下的模型并模擬計算獲得相關通風參數間影響關系；馬江燕等［4］采用實測與一維數值模擬方法指導站臺門型式選擇和運行策略制定；榮建忠等［5］在驗證了SES數值模擬軟件在有效性基礎上采用SES和FDS數值模擬軟件對雙存車線區段的存車和正線火災進行混合數值模擬研究并得到了雙存車線最佳送風排煙氣流組織模式下的排煙系統配置方案；劉伊江［6］指出國內防排煙設計由原指令性設計向性能化設計轉型，地鐵防排煙系統設計介于二者之間，尚未建立針對地鐵工程消防性能化設計的基礎理論體系及評價體系，文中指出了從性能化設計角度地鐵區間隧道防排煙原則、列車火災功率取值、排煙量計算等方面國內存在的問題.以上研究表明，在國內隧道通風排熱設計過程中已經有部分學者開始嘗試使用數值模擬工具支持設計及方案選型，但國內類似項目性能化設計還存在問題，同時，缺少整條區間隧道通風性能化設計SES模擬的工程應用案例.

印度孟買地鐵3號線工程（mumbai metro line 3 project，MM3）參考日、美、歐等國規范［7］與類似工程設計經驗，在項目招標規格說明書中提出MM3工程區間隧道通風系統方案采用性能化設計方法，對地下區間隧道（含車站軌行區）采用隧道模擬軟件（IDA EQUA simulation AB V1.2，IDA）進行地鐵環境模擬分析（subway environment simulation，SES），特殊區域結合3維數值模擬技術（fire dynamics simulator，FDS），并提供通過驗證的區間隧道通風方案和設計參數.MM3項目SES數值模擬經過多次迭代以驗證隧道通風方案在不同運行工況下區間隧道內實現的風速、壓力變化、煙氣流動與控制，以及長期20 a運營后區間隧道墻壁溫度變化等關鍵參數，并指導優化隧道、車站通風系統設備選型.本文MM3工程通風性能化設計SES數值模擬應用探析為國內同行承擔海內外類似項目性能化設計提供參考.

1 項目介紹及SES數值模擬范圍

MM3地鐵是印度孟買第1條地下雙隧道地鐵，地下區間全長32.5 km，隧道截面積24.5 m2，共設置26站，26區間.線路走向及車站分布，如圖1所示.地下車站采用全高屏蔽門，地鐵設計運行速度80 km·h-1，行車間距120 s，站內停靠30 s.

圖1 MM3地鐵線路圖及車站分布Fig.1 MM3 metro line&stations

MM3工程性能化設計要求使用SES數值模擬并獲得以下內容或參數：1）整條32.5 km地下雙隧道20 a內正常運行工況下隧道壁（內壁深5 cm）溫度變化；2）正常工況：隧道內環境溫度、屏蔽門空氣滲入和滲出量、作用于屏蔽門、旁通道聯絡門壓力波動、列車內壓力脈動、隧道新風量需求；3）阻塞工況隧道內環境溫度；4）緊急工況隧道不同送風量下的隧道風速.

2 SES數值模擬分析及應用參數設置

2.1 隧道模型建立

根據隧道線路信息、折返線、車站布局、節點位置、線路海拔高程變化信息等在IDA軟件內建立MM3工程隧道通風系統如圖2所示網絡模型.

圖2 IDA隧道模型Fig.2 IDA tunnel model

2.2 項目參數設置

MM3工程所在地［8］平均海拔高度14 m；標準大氣壓101 157 Pa；11～5月非雨季溫度干球溫度33.9℃，濕球溫度24.0℃，相對濕度60%，導熱系數0.026 7 W·（m·K）-1；6～10月雨季溫度干球溫度30.9℃，濕球溫度27.1℃，相對濕度74.73%，導熱系數0.026 5 W·（m·K）-1；表層土4米以下底層土壤物性［9-10］密度2 042 Kg·m-3，導熱系數0.29 W·（m·K）-1，比熱781 J·（Kg·K）-1，年溫度25.8～28.5℃，年平均溫度27.2℃.地鐵列車長度174.2 m，車頭面積10.55 m2，列車周長15.94 m，車頭阻力系數0.55，只與粘性阻力有關的表面摩擦系數0.012，列車最大載客量3 040人（平均每人體重65 kg），空車毛重329.195 t，AW3荷載列車載客6人·m-2總重量485.957 t，AW4荷載列車載客8人·m-2總重量529.525 t，剎車制動最大效率88%，對流換熱系數20 W·（m2·K）-1，列車火災強度15 MW中等火災發展速度［7］；正常工況車輛載荷AW3，阻塞工況車輛載荷AW4.計劃2 025年實現日客流量138 700人，2 031年實現日客流量169 900人.隧道通風噴嘴按面積1.6 m2，角度0°，效率100%簡化處理.

區間隧道坡度對隧道內氣流組織的影響通過計算出的臨界速度乘以如圖3所示梯度系數進行修正.

圖3 確定臨界速度的梯度系數Fig.3 Critical velocity gradient coefficient

表1 摩擦系數計算表Tab.1 Friction coefficient calculation

臨界速度u根據規范［13-14］、文獻［15］按式（5） 計算獲得：

其中：ρa為環境空氣密度，Kg·m-3，從孟買當地氣象資料獲得；Cp為熱容，KJ·（Kg·K）-1，從孟買當地氣象資料獲得；Lb為煙氣羽流長度，當Lb=0時，計算風速為臨界速度；當Lb≠0時，計算風速為限制速度；g為孟買當地重力加速度；H為隧道高度，m，從土建結構資料中獲得；Q·為總熱負荷（HRR），KW，MM3工程資料提供15 000 kW；W為隧道寬度，m，從土建結構資料中獲得；Ta為孟買當地環境溫度，K；u為區間隧道軸向風速，m·s-1.

2.3 SES數值模擬

MM3項目SES模型中隧道與車站關鍵參數按照以上第1和第2.2章節參數配置后選定程序模型進行分項模擬工作.

圖4 臨界風速與阻塞率關系Fig.4 Critical velocity and blockage rate relationship

2.3.1 長期運行熱沉模擬

長期運行熱沉模擬目的是分析列車正常運行多年后隧道壁溫度變化，以驗證系統能否滿足項目設計要求，同時，穩定的隧道壁溫度將被用作IDA模擬列車正常工況、阻塞工況、緊急工況隧道空氣溫度的初始邊界條件.輸入列車正常運行工況發車頻率及各系統設備散熱量等參數，在SES-MM3模型內以AW3荷載，列車80 km·h-1運行速度，行車間距120 s，站內停靠30 s參數設置.模擬地鐵20 a運行期限內隧道壁溫度變化，模擬結果如圖5所示.

圖5 長期運行隧道墻壁溫度曲線Fig.5 Long term wall temperature under operation

2.3.2 正常工況模擬

正常運行工況模擬分析以下案例：1）隧道內空氣環境溫度；2）通過屏蔽門的空氣滲入和滲出量；3）作用于屏蔽門、旁通道聯絡門的壓力波動；4）車廂內壓力脈動分；5）隧道新風量需求.

同樣，在SES-MM3工程模型內以AW3荷載，列車80 km·h-1運行速度，行車間距120 s，站內停靠30 s參數設置，模擬隧道和軌行區空氣溫度，模擬結果如圖6所示.

圖6 正常工況運行隧道區間環境溫度Fig.6 Tunnel temperature in normal operation

屏蔽門空氣量滲入與滲出，基于秒為時間刻度模擬1 h內各車站的數值，結果如圖7所示.

圖7 正常工況車站屏蔽門空氣滲透量Fig.7 PSD infiltration volume in normal operation

作用于屏蔽門、旁通道聯絡門的壓力波動基于隧道和軌行區空氣動力學，模擬列車以70 km·h-1速度不靠站快速過站對屏蔽門產生的瞬時壓力，以軌行區最大瞬時壓力區間作為最不利工況區間.分別模擬4種不同工況下列車快速過站時屏蔽門瞬時壓力波動值，結果如表2所列.作用于旁通道門壓力波動，以列車80 km·h-1運行速度正常工況作為模擬參數，選取作用于旁通道門最大壓力波動值作為整條線作用于旁通道門的壓力值.模擬結果表明作用于屏蔽門上的推力為負300 Pa，吸力為正150 Pa.

表2 列車快速過站作用于屏蔽門空氣壓力波動Tab.2 Train fast crossings act on screen door air pressure fluctuations

模擬分析正常運行工況下的區間隧道和軌行區內部瞬態壓力脈沖對乘客舒適性的影響以評估與改進隧道通風系統設計方案.在IDA模擬模型中選取上下行線最大瞬時壓力進行分析，模擬結果如表3所列.

表3 列車正常運行壓力脈沖對舒適度影響分析Tab.3 Pressure pulse analysis for air comfort in normal operation

隧道通風系統方案需要評估新風量需求滿足程度，以符合乘客健康衛生要求等.列車區間隧道內運行由于活塞風效應，會產生一部分新風量進入隧道，同時，排出一部分隧道內污濁空氣.利用IDA軟件模擬列車正常運行工況下活塞風效應產生的新風量，選取上下行線產生的最小新風量值作為全線新風量評估值.模擬結果表明MM3工程每列列車活塞效應產生的最小新風量平均值為21.5 m3.

2.3.3 阻塞工況模擬

基于正常工況IDA軟件內建立的MM3模型模擬阻塞工況，驗證不同送、排風量下各種阻塞工況下的隧道環境，確定MM3項目隧道設計送、排風量參數.

MM3項目模擬3種阻塞工況：1）單線多車阻塞：模擬3列列車停在下行線.第1列車停留在車站軌行區下游區域，第2列車停留在車站下游隧道內，第3列車停留在車站上游隧道內；2）雙線多車阻塞：模擬6列列車分別停留在上下行線.第1＆2列車停留在車站1軌行區，第3＆4列車停留在車站2軌行區，第5＆6列停留在車站1與2之間的隧道內（上、下行線）；3）2列列車阻塞在最長區間段隧道內且每列都停留在隧道通風區域，此案例考慮了未來最壞情況下的阻塞情況.

同時，進一步模擬最短隧道區間和折返線區域，以尋求最不利阻塞情況.每一模擬案例都多次迭代模擬風機風量和運行點，直至模擬的隧道內空氣溫度不大于45℃的設計標準截止.模擬結果如表4所列.

表4 列車阻塞工況隧道內空氣溫度及通風量Tab.4 Air temperature and ventilation in the tunnel for train blockage conditions

2.3.4 緊急工況模擬

緊急工況模擬主要分析驗證緊急工況下區間隧道風速是否大于或等于此區間計算臨界風速，如果SES輸入送風量產生的區間隧道風速不小于區間計算臨界風速，進一步以SES模擬獲得的隧道實現風速作為CFD/FSD邊界條件［13-15］對軌行區、折返線區域進行三維模擬，以確認是否產生過度通風使煙氣進入下游區間隧道及區間隧道墻壁逃生通道區域環形最大風速不超過11 m·s-1.MM3項目設計3種緊急工況模擬案例：1）列車在普通隧道內著火；2）列車在折返線區域著火；3）列車在車站軌行區著火.SES緊急工況模擬初始關鍵參數以列車阻塞工況模擬獲得的風量作為初始輸入參數，送風與排風策略同阻塞工況，SES區間隧道網絡模型采用列車阻塞工況相同模型.

首先，以阻塞工況模擬取得的通風風量、風機運行點、噴嘴推力關鍵參數作為初始輸入參數，模擬緊急工況下的隧道內實現風速.基于每次模擬結果不斷迭代風機風量、風機運行點、噴嘴推力參數等，直到模擬實現風速滿足緊急工況設計要求.模擬結果表明，25～50 m3·s-1的送風量，80 m3·s-1的排風量能夠滿足列車典型隧道區間火災煙氣控制要求；25～50 m3·s-1的送風量，120 m3·s-1的排風量能夠滿足列車在折返線交叉口區域的煙霧控制要求.典型區域模擬結果如表5～6所列.

表5 緊急工況下行線通風風速模擬結果Tab.5 Simulation results for ventilation air velocity under down line emergency condition

表6 緊急工況上行線通風風速模擬結果Tab.6 Simulation results for ventilation air velocity under up line emergency condition

2.4 模擬結果應用

MM3項目隧道通風系統設計要求如表7所列.

表7 MM3工程設計要求Tab.7 MM3 project design requirement

2.4.1 隧道墻壁溫度

地鐵長期運行隧道壁溫度模擬結果圖5表明，依靠正常運行工況下列車產生的活塞風，在列車正常運行7年后隧道壁溫度穩定在35.4℃，小于項目要求溫度38℃.基于此模擬結果優化MM3工程隧道通風設計方案及正常運行工況隧道通風系統運行策略：正常運行工況，MM3工程隧道通風方案不需要提供其他降溫措施（如制冷或夜間通風等），也不需要開啟隧道通風設備可以維持隧道墻壁溫度滿足 工程要求.

2.4.2 正常運行隧道內空氣溫度

正常工況，隧道區間及軌行區空氣溫度模擬結果圖6表明，依靠列車運行產生的活塞風能夠維持隧道內環境溫度不超過項目設計要求溫度40℃；軌行區環境溫度不超列車空調冷凝器要求溫度50℃.基于SES模擬結果，正常工況MM3工程隧道、軌行區通風設計方案不需額外提供機械通風措施可以滿足此項工程技術要求，從而可以節約正常工況下通風系統的運營費用.

2.4.3 屏蔽門滲透空氣冷負荷

車站屏蔽門的滲入與滲出空氣量模擬值作為車站空調系統冷負荷計算參數，合理計算車站冷負荷，實現車站空調系統設計、選型經濟合理，以節約初始投資與系統運營費用.

2.4.4 作用于屏蔽門、旁通道門空氣壓力

SES模擬獲得的作用于屏蔽門、旁通道門壓力參數，將作為CFD/FSD模擬邊界條件，進一步分析驗證隧道阻塞工況、緊急工況（火災）下特殊區域、地下折返線區域、車站軌行區通風系統對工程要求的滿足情況，并指導隧道通風方案設計.

2.4.5 列車運行中空氣壓力波動

表3模擬結果與手冊［11］比較，MM3正常運行工況下壓力脈沖值在可接受舒適度范圍內，因此，MM3工程無需為控制列車運行中的空氣壓力波動額外增加其他投資或壓力波動控制措施.

2.4.6 列車運行活塞風量

MM3工程列車正常運行每列車產生的最小活塞風新風量平均值為21.5 m3.在進行軌底通風系統、隧道通風系統運行策略設計時應考慮此活塞風新風量，優化設備選型與設備運行策略，減少投資與運行費用.

2.4.7 列車阻塞工況隧道內空氣溫度

表4表明，為滿足阻塞工況隧道內環境溫度，單線單車或多車阻塞需要40 m3·s-1通風量，雙線多車阻塞需要80 m3·s-1通風量，中間通風井區間雙車阻塞需要100 m3·s-1通風量.阻塞工況SES模擬參數為緊急工況模擬提供初始參數，進一步驗證緊急工況下隧道通風設計方案對設計要求的滿足情況.

2.4.8 列車緊急工況隧道內風速、風量

隧道內列車各種火災工況在選定的參數下，SES數值模擬的隧道實現風速都達到了煙氣控制臨界速度的要求.由于不同區段所需風速不同，因此，各個隧道區段風量需求也不相同.綜合考慮各區間段風量需求設計隧道通風系統緊急工況通風方案及運營策略.

2.4.9 隧道通風系統設計與設備選型

綜合以上各工況下MM3隧道通風模擬結果對項目技術要求的滿足情況，特別是阻塞和緊急工況所需風機容量、噴嘴推力，迭代不同系統設備參數.最終確定MM3項目隧道通風系統風機額定值和噴嘴推力，MM3工程隧道通風系統設備選型如表8所列.

表8 隧道通風設備選型及通風策略Tab.8 Tunnel ventilation equipment selection and ventilation strategy

3 結論

MM3工程基于SES數值模擬通風設計工作已經完成，并且獲得業主高度認可.SES數值模擬方案及模擬結果滿足MM3工程要求.借助SES數值模擬工具與方法驗證了孟買地鐵3號線通風性能化設計方案的可行性，獲得了工程正常工況運營區間隧道附近土壤溫度從第7 a開始將穩定在35.4℃；正常運行工況僅依靠列車運行產生的活塞風即可滿足工程要求的隧道環境溫度；列車迅速通過后作用于旁通道、屏蔽門的壓力在模擬通風方案下能夠控制在工程要求范圍內；正常運行工況列車內的壓力波動小于工程規范要求，無需增加其他減壓措施即可滿足乘客對壓力波動的舒適度要求；阻塞與緊急工況下獲得的通風策略及通風量要求較好的優化了通風機的選型，使工程投資保持經濟性；屏蔽門的滲漏空氣冷負荷參數為車站空調負荷計算提供了較準確的計算參數，使空調設備選型更加精準.

MM3工程隧道通風方案性能化設計SES模擬迭代過程，一方面對區間隧道通風排煙方案進行了滿足工程精度情況下的有效性驗證，同時，MM3項目的SES最終數值模擬結果，指導隧道通風系統、車站空調系統設備選型，體現了性能化設計在滿足系統使用、安全功能前提下降低系統投資費用的優勢，與按照傳統規范標準設計方法相比，根據SES數據模擬結果的通風空調系統設備選型方案能夠節約系統初始投資額和保持系統設備高效運行降低運營費用，不會造成系統容量過剩，產生投資或運營浪費.

MM3工程投入運營后將進一步收集系統運營數據與SES模擬值進行比較，進一步完善模擬初始參數與模擬方法設計.同時，也為國內同行類似項目通風系統性能化設計數值模擬提供參考.