西安地鐵2號(hào)線隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要 通過使用美國交通部SES軟件,對(duì)西安地鐵2號(hào)線隧道通風(fēng)的優(yōu)化方案設(shè)計(jì)進(jìn)行建模計(jì)算。以地鐵運(yùn)行遠(yuǎn)期條件作為計(jì)算依據(jù),對(duì)隧道內(nèi)的溫度、換氣量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得出其隧道內(nèi)溫度在38℃以內(nèi)、換氣次數(shù)在7次/h以上能滿足設(shè)計(jì)要求的結(jié)論,并對(duì)隧道內(nèi)的壓力進(jìn)行計(jì)算,為其他設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)參考。關(guān)鍵詞 隧道通風(fēng) SES軟件 區(qū)間換氣量 逐時(shí)計(jì)算 屏蔽門1 工程概況 西安市城市快速軌道交通2號(hào)線一期工程北起鐵路北客站,線路沿西安市南北向主客流走廊布設(shè),經(jīng)鐵路北客站、市政中心、經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、北大街、鐘樓、小寨商業(yè)文化中心、高新開發(fā)區(qū)、西安國際展覽中心至長延堡,線路長約20.3 km。設(shè)鐵路北客站、麻家什字、城運(yùn)村等17座車站,有5座車站分別與其他軌道交通線換乘(見圖1)。
2號(hào)線一期工程于北郊經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)設(shè)車輛段1座,于張家堡廣場(chǎng)西側(cè)設(shè)控制中心1座,全線共設(shè)2座主變電站,分別位于張家堡及長延堡。車輛采用B型車,最高行車速度80 km/h,列車編組為6輛。遠(yuǎn)期運(yùn)能4.32萬人次/h。工程自2007年上半年開工,2011年全線建成通車。根據(jù)西安地鐵的氣候環(huán)境等因素影響,隧道通風(fēng)也應(yīng)該因地制宜,盡量優(yōu)化和創(chuàng)新。2 系統(tǒng)組成與設(shè)計(jì)2.1 隧道通風(fēng)系統(tǒng)組成 隧道通風(fēng)系統(tǒng)由車站隧道通風(fēng)系統(tǒng)和區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)組成。車站隧道通風(fēng)系統(tǒng)的排風(fēng)設(shè)備一般布置在車站兩端的設(shè)備房區(qū)內(nèi),氣流組織方式采用軌頂和站臺(tái)下排風(fēng),在車站隧道停車所在區(qū)域的軌頂以及有效站臺(tái)下設(shè)置土建式排風(fēng)道,排風(fēng)比例暫定為軌頂(OTE)排60%,站臺(tái)下(UPE)排40%,排風(fēng)口的位置根據(jù)列車發(fā)熱設(shè)備的位置確定,補(bǔ)風(fēng)來自車站兩端的活塞風(fēng)井、相鄰區(qū)間隧道和屏蔽門開啟時(shí)的漏風(fēng)。根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果,推薦每側(cè)車站隧道的排風(fēng)量為30m3/s。區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)兩個(gè)車站間區(qū)間隧道的通風(fēng)與排煙,包括自然通風(fēng)與機(jī)械通風(fēng)兩種方式。在車站隧道的出站端,設(shè)置了一條直通地面的活塞風(fēng)道,正常運(yùn)行時(shí),只通過列車行駛產(chǎn)生的活塞效應(yīng),通過活塞風(fēng)道實(shí)現(xiàn)隧道與地面的換氣,即自然通風(fēng)(見圖2)。2.2 隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法 隧道通風(fēng)系統(tǒng)分為區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)和車站隧道通風(fēng)系統(tǒng)兩部分,列車正常運(yùn)營時(shí)系統(tǒng)排除隧道內(nèi)的余熱余濕,從經(jīng)濟(jì)節(jié)能的角度,應(yīng)充分利用列車運(yùn)行產(chǎn)生的活塞風(fēng)排熱和降溫隧道內(nèi)氣溫。由于列車運(yùn)行向隧道內(nèi)散發(fā)大量的熱,如不采取有效的通風(fēng)措施,隧道內(nèi)的溫度將隨地鐵運(yùn)營年限的增長不斷升高,終將導(dǎo)致隧道內(nèi)溫度超過正常運(yùn)營的要求。在正常運(yùn)行工況下,當(dāng)隧道尺寸、列車外型尺寸、列車牽引特性、客流、列車編組、行車組織等條件確定后,活塞風(fēng)道設(shè)置的位置、數(shù)量和大小是決定活塞通風(fēng)效果的關(guān)鍵因素。目前,國內(nèi)多條設(shè)置屏蔽門隧道通風(fēng)系統(tǒng)均采用SES模擬計(jì)算軟件(見圖3),輸入隧道尺寸、列車外型尺寸、列車牽引特性、客流、列車編組、行車組織等條件(見圖4),通過假設(shè)活塞風(fēng)道設(shè)置的位置、數(shù)量和大小,經(jīng)過反復(fù)試算,對(duì)系統(tǒng)配置進(jìn)行優(yōu)化比較,最后確定滿足所有系統(tǒng)功能的合理系統(tǒng)配置(包含土建設(shè)施配置和隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備配置),以及最有效的運(yùn)行模式(包括本系統(tǒng)設(shè)備的模式組織和與其他機(jī)電系統(tǒng)的接口配合),以保證列車的正常運(yùn)行、阻塞運(yùn)行和火災(zāi)運(yùn)行所必需的環(huán)境條件。3 計(jì)算結(jié)果及比較 根據(jù)西安地鐵2號(hào)線初步設(shè)計(jì)的資料,下面對(duì)正常運(yùn)行模式進(jìn)行了計(jì)算,并專門針對(duì)活塞風(fēng)道、區(qū)間、車站的溫度和風(fēng)量的影響進(jìn)行了分析。GB 50157—2003《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定溫度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為正常運(yùn)行時(shí),隧道的最熱月日最高平均溫度小于等于40.0℃,區(qū)間換氣量不少于3次/h(見圖5)。對(duì)溫度曲線進(jìn)行了分析,得出如下結(jié)論: (1)沿行車方向,全線溫度呈周期上升趨勢(shì),車站溫度處于波峰位置,風(fēng)井處溫度為波谷,區(qū)間則呈逐步上升趨勢(shì)。右線發(fā)車從城運(yùn)村站到長延堡站,溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在北關(guān)站(38. 0℃),接近另一端出口時(shí),又逐漸降低。一般來說,全線早高峰的溫度要低于晚高峰溫度,一方面是由于隧道壁面溫度的滯后變化,另一方面是由于早晚氣溫的差異。 (2)左線發(fā)車則從長延堡站到城運(yùn)村站,隨著列車進(jìn)入隧道,溫度逐漸升高,最高溫度出現(xiàn)在南門站(38.0℃),同樣是快駛出隧道時(shí),溫度降低。在靠近隧道出口處,溫度低于室外溫度(32℃)的原因是由于隧道土壤溫度為25℃,列車的發(fā)熱量不足以抵消隧道內(nèi)較低的溫度。 (3)在草場(chǎng)坡站相鄰的地鐵隧道,其溫度變化趨勢(shì)不是很規(guī)律,主要原因是由于此段設(shè)有折返線和停車線,又是換乘站,導(dǎo)致左右線連通,干擾氣流組織因素太多,且不順。從全線看,溫度均滿足要求。在正常運(yùn)營的情況下,除了滿足溫度不超標(biāo)外,驗(yàn)證隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)劣的另外一個(gè)重要因素,就是活塞風(fēng)產(chǎn)生的實(shí)際效果和活塞風(fēng)井的換氣量,以及隧道內(nèi)壓力是否滿足設(shè)備要求(見圖6)。 可以看出,右線區(qū)間風(fēng)量基本維持在80~100m3/s之間,通風(fēng)換氣量能滿足要求;左線在下行線第一個(gè)站(長延堡)區(qū)間風(fēng)量較小(45.9m3/s),但換氣也在6次/h以上,其余均在70~90m3/s之間,滿足區(qū)間的換氣量要求。 對(duì)隧道內(nèi)壓力進(jìn)行分析,將列車設(shè)置為全速過站(55 km/h),直接對(duì)屏蔽門的壓力進(jìn)行計(jì)算,選取兩個(gè)行車周期(4min),得到圖7屏蔽門壓力曲線。最大壓差點(diǎn)出現(xiàn)在列車車頭恰好經(jīng)過屏蔽門數(shù)據(jù)讀取點(diǎn),最大壓差值為652.6Pa,即屏蔽門承壓大于這個(gè)值即可,其他設(shè)備(包括電纜、檢修平臺(tái)等)均需要考慮此壓力的影響。4 結(jié)論與展望 隧道通風(fēng)的設(shè)置形式能很好地優(yōu)化地下車站建筑布局,因此要在滿足通風(fēng)設(shè)計(jì)要求的同時(shí),盡量優(yōu)化系統(tǒng),保持良好的列車運(yùn)營環(huán)境并滿足消防要求。通過計(jì)算分析,得出如下結(jié)論: (1)正常運(yùn)營時(shí),全線隧道內(nèi)溫度均滿足要求;此理論計(jì)算是基于活塞風(fēng)道面積、長度、阻力滿足要求的情況,因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制。 (2)區(qū)間換氣滿足要求,右線區(qū)間平均換氣次數(shù)8次/h以上,左線最不利區(qū)間也在6次/h以上。 (3)對(duì)隧道內(nèi)屏蔽門壓力進(jìn)行計(jì)算,當(dāng)列車全速過站時(shí),車頭處出現(xiàn)屏蔽門壓力最大點(diǎn),車尾為負(fù)壓最大點(diǎn)。 隧道內(nèi)的氣流時(shí)一個(gè)非常復(fù)雜的流場(chǎng),在計(jì)算時(shí)對(duì)其進(jìn)行了一定程度的簡(jiǎn)化。條件允許則可進(jìn)行三維實(shí)際建模計(jì)算,以便更加科學(xué)、準(zhǔn)確地指導(dǎo)設(shè)計(jì)。另外,區(qū)間隧道風(fēng)機(jī)為事故時(shí)啟用(阻塞、火災(zāi)),概率較低,建議取消全線隧道風(fēng)機(jī)(60m3/s)相互備用,并加強(qiáng)檢修和維護(hù),確保隧道風(fēng)機(jī)的可靠性。參考文獻(xiàn)[1]西安市城市快速軌道交通二號(hào)線(鐵路北客站—韋曲)工程可行性研究報(bào)告[R].西安,2006.[2] GB 50157—2003地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國計(jì)劃出版社,2003.[3]韓平.借助Stess3. 0對(duì)地鐵特殊區(qū)間的事故模擬分析[C] //2005年全國暖通空調(diào)專業(yè)委員會(huì)空調(diào)模擬分析學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集.北京,2005:520-523.[4]李亮.關(guān)于列車停站時(shí)段屏蔽門滲透風(fēng)量的研究[C] //2005年全國暖通空調(diào)專業(yè)委員會(huì)空調(diào)模擬分析學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集.北京,2005:308-314.[5]胡自林.中長公路隧道縱向通風(fēng)計(jì)算與防災(zāi)研究[D].長沙:中南大學(xué),2004.[6]地鐵熱環(huán)境試驗(yàn)研究報(bào)告[R].北京:清華大學(xué),2003.[7] Cooper L Y. ASET-A computer program for calculatingavailable safe egress tmi e[J]. Fire Safety Journa,l 1985,9: 29-45.
2號(hào)線一期工程于北郊經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)設(shè)車輛段1座,于張家堡廣場(chǎng)西側(cè)設(shè)控制中心1座,全線共設(shè)2座主變電站,分別位于張家堡及長延堡。車輛采用B型車,最高行車速度80 km/h,列車編組為6輛。遠(yuǎn)期運(yùn)能4.32萬人次/h。工程自2007年上半年開工,2011年全線建成通車。根據(jù)西安地鐵的氣候環(huán)境等因素影響,隧道通風(fēng)也應(yīng)該因地制宜,盡量優(yōu)化和創(chuàng)新。2 系統(tǒng)組成與設(shè)計(jì)2.1 隧道通風(fēng)系統(tǒng)組成 隧道通風(fēng)系統(tǒng)由車站隧道通風(fēng)系統(tǒng)和區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)組成。車站隧道通風(fēng)系統(tǒng)的排風(fēng)設(shè)備一般布置在車站兩端的設(shè)備房區(qū)內(nèi),氣流組織方式采用軌頂和站臺(tái)下排風(fēng),在車站隧道停車所在區(qū)域的軌頂以及有效站臺(tái)下設(shè)置土建式排風(fēng)道,排風(fēng)比例暫定為軌頂(OTE)排60%,站臺(tái)下(UPE)排40%,排風(fēng)口的位置根據(jù)列車發(fā)熱設(shè)備的位置確定,補(bǔ)風(fēng)來自車站兩端的活塞風(fēng)井、相鄰區(qū)間隧道和屏蔽門開啟時(shí)的漏風(fēng)。根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果,推薦每側(cè)車站隧道的排風(fēng)量為30m3/s。區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)兩個(gè)車站間區(qū)間隧道的通風(fēng)與排煙,包括自然通風(fēng)與機(jī)械通風(fēng)兩種方式。在車站隧道的出站端,設(shè)置了一條直通地面的活塞風(fēng)道,正常運(yùn)行時(shí),只通過列車行駛產(chǎn)生的活塞效應(yīng),通過活塞風(fēng)道實(shí)現(xiàn)隧道與地面的換氣,即自然通風(fēng)(見圖2)。2.2 隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法 隧道通風(fēng)系統(tǒng)分為區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)和車站隧道通風(fēng)系統(tǒng)兩部分,列車正常運(yùn)營時(shí)系統(tǒng)排除隧道內(nèi)的余熱余濕,從經(jīng)濟(jì)節(jié)能的角度,應(yīng)充分利用列車運(yùn)行產(chǎn)生的活塞風(fēng)排熱和降溫隧道內(nèi)氣溫。由于列車運(yùn)行向隧道內(nèi)散發(fā)大量的熱,如不采取有效的通風(fēng)措施,隧道內(nèi)的溫度將隨地鐵運(yùn)營年限的增長不斷升高,終將導(dǎo)致隧道內(nèi)溫度超過正常運(yùn)營的要求。在正常運(yùn)行工況下,當(dāng)隧道尺寸、列車外型尺寸、列車牽引特性、客流、列車編組、行車組織等條件確定后,活塞風(fēng)道設(shè)置的位置、數(shù)量和大小是決定活塞通風(fēng)效果的關(guān)鍵因素。目前,國內(nèi)多條設(shè)置屏蔽門隧道通風(fēng)系統(tǒng)均采用SES模擬計(jì)算軟件(見圖3),輸入隧道尺寸、列車外型尺寸、列車牽引特性、客流、列車編組、行車組織等條件(見圖4),通過假設(shè)活塞風(fēng)道設(shè)置的位置、數(shù)量和大小,經(jīng)過反復(fù)試算,對(duì)系統(tǒng)配置進(jìn)行優(yōu)化比較,最后確定滿足所有系統(tǒng)功能的合理系統(tǒng)配置(包含土建設(shè)施配置和隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備配置),以及最有效的運(yùn)行模式(包括本系統(tǒng)設(shè)備的模式組織和與其他機(jī)電系統(tǒng)的接口配合),以保證列車的正常運(yùn)行、阻塞運(yùn)行和火災(zāi)運(yùn)行所必需的環(huán)境條件。3 計(jì)算結(jié)果及比較 根據(jù)西安地鐵2號(hào)線初步設(shè)計(jì)的資料,下面對(duì)正常運(yùn)行模式進(jìn)行了計(jì)算,并專門針對(duì)活塞風(fēng)道、區(qū)間、車站的溫度和風(fēng)量的影響進(jìn)行了分析。GB 50157—2003《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定溫度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為正常運(yùn)行時(shí),隧道的最熱月日最高平均溫度小于等于40.0℃,區(qū)間換氣量不少于3次/h(見圖5)。對(duì)溫度曲線進(jìn)行了分析,得出如下結(jié)論: (1)沿行車方向,全線溫度呈周期上升趨勢(shì),車站溫度處于波峰位置,風(fēng)井處溫度為波谷,區(qū)間則呈逐步上升趨勢(shì)。右線發(fā)車從城運(yùn)村站到長延堡站,溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在北關(guān)站(38. 0℃),接近另一端出口時(shí),又逐漸降低。一般來說,全線早高峰的溫度要低于晚高峰溫度,一方面是由于隧道壁面溫度的滯后變化,另一方面是由于早晚氣溫的差異。 (2)左線發(fā)車則從長延堡站到城運(yùn)村站,隨著列車進(jìn)入隧道,溫度逐漸升高,最高溫度出現(xiàn)在南門站(38.0℃),同樣是快駛出隧道時(shí),溫度降低。在靠近隧道出口處,溫度低于室外溫度(32℃)的原因是由于隧道土壤溫度為25℃,列車的發(fā)熱量不足以抵消隧道內(nèi)較低的溫度。 (3)在草場(chǎng)坡站相鄰的地鐵隧道,其溫度變化趨勢(shì)不是很規(guī)律,主要原因是由于此段設(shè)有折返線和停車線,又是換乘站,導(dǎo)致左右線連通,干擾氣流組織因素太多,且不順。從全線看,溫度均滿足要求。在正常運(yùn)營的情況下,除了滿足溫度不超標(biāo)外,驗(yàn)證隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)劣的另外一個(gè)重要因素,就是活塞風(fēng)產(chǎn)生的實(shí)際效果和活塞風(fēng)井的換氣量,以及隧道內(nèi)壓力是否滿足設(shè)備要求(見圖6)。 可以看出,右線區(qū)間風(fēng)量基本維持在80~100m3/s之間,通風(fēng)換氣量能滿足要求;左線在下行線第一個(gè)站(長延堡)區(qū)間風(fēng)量較小(45.9m3/s),但換氣也在6次/h以上,其余均在70~90m3/s之間,滿足區(qū)間的換氣量要求。 對(duì)隧道內(nèi)壓力進(jìn)行分析,將列車設(shè)置為全速過站(55 km/h),直接對(duì)屏蔽門的壓力進(jìn)行計(jì)算,選取兩個(gè)行車周期(4min),得到圖7屏蔽門壓力曲線。最大壓差點(diǎn)出現(xiàn)在列車車頭恰好經(jīng)過屏蔽門數(shù)據(jù)讀取點(diǎn),最大壓差值為652.6Pa,即屏蔽門承壓大于這個(gè)值即可,其他設(shè)備(包括電纜、檢修平臺(tái)等)均需要考慮此壓力的影響。4 結(jié)論與展望 隧道通風(fēng)的設(shè)置形式能很好地優(yōu)化地下車站建筑布局,因此要在滿足通風(fēng)設(shè)計(jì)要求的同時(shí),盡量優(yōu)化系統(tǒng),保持良好的列車運(yùn)營環(huán)境并滿足消防要求。通過計(jì)算分析,得出如下結(jié)論: (1)正常運(yùn)營時(shí),全線隧道內(nèi)溫度均滿足要求;此理論計(jì)算是基于活塞風(fēng)道面積、長度、阻力滿足要求的情況,因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制。 (2)區(qū)間換氣滿足要求,右線區(qū)間平均換氣次數(shù)8次/h以上,左線最不利區(qū)間也在6次/h以上。 (3)對(duì)隧道內(nèi)屏蔽門壓力進(jìn)行計(jì)算,當(dāng)列車全速過站時(shí),車頭處出現(xiàn)屏蔽門壓力最大點(diǎn),車尾為負(fù)壓最大點(diǎn)。 隧道內(nèi)的氣流時(shí)一個(gè)非常復(fù)雜的流場(chǎng),在計(jì)算時(shí)對(duì)其進(jìn)行了一定程度的簡(jiǎn)化。條件允許則可進(jìn)行三維實(shí)際建模計(jì)算,以便更加科學(xué)、準(zhǔn)確地指導(dǎo)設(shè)計(jì)。另外,區(qū)間隧道風(fēng)機(jī)為事故時(shí)啟用(阻塞、火災(zāi)),概率較低,建議取消全線隧道風(fēng)機(jī)(60m3/s)相互備用,并加強(qiáng)檢修和維護(hù),確保隧道風(fēng)機(jī)的可靠性。參考文獻(xiàn)[1]西安市城市快速軌道交通二號(hào)線(鐵路北客站—韋曲)工程可行性研究報(bào)告[R].西安,2006.[2] GB 50157—2003地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國計(jì)劃出版社,2003.[3]韓平.借助Stess3. 0對(duì)地鐵特殊區(qū)間的事故模擬分析[C] //2005年全國暖通空調(diào)專業(yè)委員會(huì)空調(diào)模擬分析學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集.北京,2005:520-523.[4]李亮.關(guān)于列車停站時(shí)段屏蔽門滲透風(fēng)量的研究[C] //2005年全國暖通空調(diào)專業(yè)委員會(huì)空調(diào)模擬分析學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集.北京,2005:308-314.[5]胡自林.中長公路隧道縱向通風(fēng)計(jì)算與防災(zāi)研究[D].長沙:中南大學(xué),2004.[6]地鐵熱環(huán)境試驗(yàn)研究報(bào)告[R].北京:清華大學(xué),2003.[7] Cooper L Y. ASET-A computer program for calculatingavailable safe egress tmi e[J]. Fire Safety Journa,l 1985,9: 29-45.