摘要：通过简化和输入合理的参数和边界条件，运用地铁隧道通风系统普遍采用的SES程序，对广州地铁三号线东延段进行模拟计算，研究分析列车正常运行、阻塞工况以及火灾工况时满足规范要求的系统配置。
关键词：广州地铁；隧道；通风；活塞效应；SES
1工程概况
1.1线路特点
广州地铁三号线东延段工程西起已开通运营的三号线一期工程番禺广场站后折返线，向东沿亚运大道经番禺客运站、亚运大道，下穿京珠高速、既有四号线后在海傍设线路终点。线路全长9.58km，共设4座车站，其中换乘站1座，海傍站与四号线换乘，全部为地下线。平均站间距2.38km，最大站间距为3.04km（番禺客运站～广州新城西），最小站间距1.9km（广州新城西～金光大道）。区间盾构内径为5.8m，断面面积为26.4㎡。
图1-1广州3号线工程线路部分示意图
1.2车辆情况
三号线东延段与三号线贯通运营，因此采用与三号线相同的系统制式，也采用6辆编组B型车。列车定员1460人/列，远期高峰小时开行对数为33对/h,列车正线最高运行速度为120km/h，列车制动回馈效率可达80%以上，列车长度140m，一辆车火灾发热量5MW，按照1.5辆车/小时的火灾燃烧速率确定火灾规模。
1.3热工热性
土壤热力学参数取值见下表1-1
土壤热力学参数值表1-1
2.隧道通风系统设计
2.1系统组成
三号线东延段为全封闭站台门系统，隧道通风系统由车站隧道通风系统和区间隧道通风系统组成。还包括全线的配线和隧道出入洞口部分的隧道通风设计。
车站隧道通风系统主要负责列车正常运行时及时排除列车冷凝器和制动产生的热量，阻塞和火灾时配合区间隧道通风系统组织事故区间的气流。区间隧道通风系统主要负责两个车站之间的区间隧道通风与排烟，包括自然通风（夜间停运时）、活塞通风与机械通风三种方式。在区间隧道的两端，即每个车站的两端，对应每条隧道或只对应出站端隧道设置了直通地面的活塞风道，正常运行时，利用列车行驶产生的活塞效应，通过活塞风道实现隧道与地面的换气，即活塞通风。同时，根据区间隧道的长度以及配线的设置等情况，在长区间、停车折返线等特殊位置还设置了不同类型的通风设施，如隧道风机、射流风机及相关设施，在列车非正常运行时，通过特定风机的组合运行，在隧道内组织特定方向的纵向气流，有效控制隧道内温度、风速、压差等，即机械通风。
基于双活塞风井的诸多优点，三号线东延段全线采用双活塞风井方案。因三号线工程列车制动全线采用再生制动回馈装置，且列车刹车制动反馈效率已提高至80%以上，列车刹车制动时产生的热量已大大减少，因此取消车站排热系统站台下排风道，仅设置轨顶风道。正常运行时，利用轨顶排风道及时排走列车空调器发热，车站隧道和站台发生火灾时，利用轨顶风道及时排除烟气。
2.2主要设计参数
1）隧道温度：当列车设置空调时，车站设置全封闭站台门时，区间隧道夏季空气最高温度≤40.0℃；区间隧道内空气冬季的平均温度应低于当地地层的自然温度，但最低温度不应低于5℃。
2）阻塞运行时送风量保证断面风速不小于2.0m/s，且不大于11m/s,并按列车顶部最不利点隧道温度低于45℃控制。
3）隧道烟气控制空气流速：2.0m/s≤V≤11m/s。
4）区间隧道内每个乘客每小时需供应的新鲜空气量不应少于12.6m³。
2.3工程特点
1）区间隧道通风系统
本工程4个车站两端各设置两个活塞风井，风井面积为16㎡，活塞风井长度不超过40m；同时车站每端配置两台隧道风机，互为备用。由于盾构区间隧道扩大为5.8m内径隧道，所以每台隧道风机风量配置70m³/s；车站两端各配置一台变频排热风机，分两端组织排风。
2）车站隧道排风系统
根据模拟计算结果及防排烟要求，各站隧道排风量为30m³/s，原则采用双端排风形式，每端设置一台风量为30m³/s的车站隧道排风机。
车站隧道排风机采用变频技术，根据室外温度、隧道内空气温度及行车对数，通过变频器对车站隧道排风量进行变频调节，每条线车站隧道区域设置两个温度传感器。
3）中间风井
根据三号线工程目前线路方案及运营模式，最高行车对数33对/h，最小行车间隔109s，根据行车计算，出现两辆列车追踪的地下区间如下表2-1所示。
地下区间行车计算表表2-1
此正线区间出现两辆列车追踪的情况，设置一座中间风井。其它区间运行时间超过109s的区间有番禺广场—番禺客运站区间，经行车计算，番~番区间的两活塞风井之间的区间未出现列车追踪情况，因此不设置中间风井。
3模拟结果
3.1正常工况模拟与设计
3.1.1温度控制
三号线东延段夏季远期晚高峰正常运行隧道温度见图3-1和图3-2。
图3-1三号线东延段正常运行右线隧道温度图
图3-2三号线东延段正常运行左线隧道温度图
从图3-1和图3-2中可以看出地下各区段温度都满足设计标准，左线平均温度高于右线平均温度约0.4℃，是由于下行客流稍高于上行客流所致。同时在车站隧道处温度稍高。
经核算，三号线东延段工程冬季远期晚高峰正常运行的隧道温度，可以满足设计标准的要求。
3.1.2节点风量平衡分析
对于三号线东延段工程新风换气次数，根据计算结果，详见表3-1和表3-2。
远期全线左、右线隧道换气次数计算表表3-1
初期全线左、右线隧道换气次数计算表表3-2
从上表可以看出，由于轨排风机作用，活塞风井大部分时间都处于进风状态，有效地对隧道进行了通风换气及降温的作用。隧道内初、远期换气次数分别满足《城市轨道交通工程项目建设标准》中对于隧道通风系统通风量3次换气次数的规定，按照区间客流量和在区间停留的时间，同时根据新风量标准，满足人均新风量大于12.6m³/h的规定。
3.2阻塞工况模拟与设计
根据三号线工程运行情况分析，当列车在区间内运行时发生阻塞的情形主要如下几种情况：
a)前方车站内列车因为某种原因不能按时发车而停靠在站台，后方的列车已经从后方车站进入区间，造成阻塞。
b)行驶在区间内的列车由于异常原因失去电力或故障而停在区间内，停靠在后方车站的列车由信号系统控制，不允许发车而停靠在车站。
c)行驶在区间内的列车由于非常原因失去电力或故障而停在区间内，后方的列车已经进入区间，这种情况是极个别的情况。当区间长度长，发车间隔短时发生。
以上三种情况中，以a和b阻塞的列车最多。列车顶部冷凝器周围的环境温度决定了列车内部空调冷量输出。当冷凝器周围的环境温度达到45℃时，空调器冷量输出开始下降。当冷凝器周围的环境温度达到55℃时，空调器保护停机。计算显示，当阻塞列车停止在区间内，通过列车的活塞风效应逐渐减弱，列车周围温度快速上升，2分钟后列车头部位置断面的平均温度达到45℃，3分钟后温度达到50℃~55℃。所以阻塞在区间内的列车必须在2分钟内启动相应的隧道通风机，给事故列车通风。为满足列车空调器正常运行，必须依靠隧道通风系统提供一定的机械通风量。保证列车空调器正常运行的温度小于等于40℃，阻塞时的控制标准为温度不大于40℃。当开启风机机械通风后，列车周围温度逐渐下降，经过半分钟后温度逐渐稳定，空调器周围温度小于40℃。
阻塞工况需特殊考虑在一侧隧道故障时还能维持另一侧隧道的正常运营，因此在模式设计时，阻塞工况下需保证正常运行隧道的活塞风井正常使用。
区间发生阻塞时，双活塞系统车站风机开启原则为：前方车站开启车站两端各一台隧道风机(共两台)对阻塞侧进行排风，同时保持该站的车站隧道排风系统运行，后方车站开启车站两端各一台隧道风机(共两台)对阻塞侧进行送风，同时关闭该站的车站隧道排风系统，隧道内按与行车一致的方向组织气流。当同一区间左、右线同时阻塞时，后阻塞区间气流组织以先阻塞区间气流方向一致进行送、排风。
重点分析含有大断面的区间阻塞工况。选取金光大道站-海傍站区间，考虑该区间的右线有一辆车阻塞的情况，当列车阻塞时，开启海傍站右线两端隧道风机进行送风；开启金光大道站右线两端隧道风机对隧道排风、开启轨道排风机排风。为满足风速要求，开启区间右线4台射流风机。根据模拟结果显示，金光大道站到海傍站区间的列车车顶附近隧道范围最高的空气温度控制在34.6℃，区间风速为2.74m/s；其风量和温度详见图3-3。
图3-3金光大道站-海傍站区间阻塞工况
与金~海区间类似，选取番禺广场站~番禺客运站区间，考虑该区间的右线有一辆车阻塞，当列车阻塞时，开启番禺客运站右线两端隧道风机进行送风；开启番禺广场站右线两端隧道风机对隧道排风、开启轨道排风机排风。根据模拟结果显示，金光大道站到海傍站区间的列车车顶附近隧道范围最高的空气温度控制在35.0℃，区间风速为2.41m/s；其风量和温度详见图3-4。
图3-4番禺广场站~番禺客运站区间阻塞工况
3.3火灾工况模拟与设计
列车在运行过程中发生火灾时应尽量驶向前方车站，前方车站的站台门将被打开疏散乘客和利用前方车站的消防设施灭火，利用前方车站的车站及隧道通风设施排除火灾产生的烟气；若列车由于某些原因不能驶入前方车站而在区间隧道内停车时，应及时组织疏散乘客，同时隧道通风系统也应根据具体情况切换到相应的火灾运行模式,以配合乘客疏散，并排除烟气。
控制区间隧道火灾时烟气流向的隧道截面风速与线路的坡度、隧道截面几何尺寸、火灾发热量、烟气温度和外界空气温度有关，由于火灾的运行模式相当复杂，一般来说最难于控制的情况将出现在区间隧道内最大坡度处且火灾正好位于接线路近谷底位置，根据以往线路的设计研究经验，已熟悉了一般标准区间的隧道系统规模和火灾运行的一般规律，本次设计只重点分析特殊气流组织较困难的区间，以确定和验证特殊区间的系统配置。选取了番禺广场~番禺客运站区间，以及金光大道~海傍区间进行火灾工况分析。
（1）番禺广场~番禺客运站左线区间火灾
当列车车尾着火，停在番禺广场站到番禺客运站之间，且后方列车已驶入市桥站~番禺广场站区间时，开启番禺客运站左线的隧道风机对左线进行送风，关闭该车站的活塞风井和排热风机；开启番禺客运站左线两端隧道风机对事故隧道进行排风；通过上述措施，可在着火区段形成与行车方向相反的约2.93m/s的气流，控制烟气向小里程端流动，对于非事故隧道开启番禺客运站右线小里程端隧道风机对其进行送风；着火列车上的乘客下至区间隧道，沿与烟气相反的方向经隧道疏散至番禺客运站，或经过疏散通道疏散至对侧安全隧道。其风量详见图3.5
图3-5番禺广场站~番禺客运站区间火灾工况
（2）金光大道~海傍左线区间火灾
与番~番区间类似，当列车车尾着火，停在金光大道站到海傍站之间，且后方列车已驶入广州新城西站~金光大道站区间时，开启海傍站左线的隧道风机对左线进行送风，关闭该车站的活塞风井和排热风机；开启金光大道站左线两端隧道风机对事故隧道进行排风，与此同时开启区间左线4台射流风机，气流与行车方向相反；通过上述措施，可在着火区段形成与行车方向相反的约3.18m/s的气流，控制烟气向小里程端流动，对于非事故隧道开启海傍站右线小里程端隧道风机对其进行送风；着火列车上的乘客下至区间隧道，沿与烟气相反的方向经隧道疏散至番禺客运站，或经过疏散通道疏散至对侧安全隧道。其风量详见图3-6
图3-6金光大道站~海傍站区间火灾工况
4结语
通过模拟计算分析，得出以下结论：
（1）正常运行时，由于轨排风机作用，活塞风井大部分时间都处于进风状态；同时左右线隧道的平均温度有差别，和上下行客流量正相关；
（2）在番禺广场站~番禺客运站和金光大道站~海傍站段，其温度变化不规律，主要原因是设置有停车线，导致左右线通过大断面联通，干扰气流组织的因素太多，导致气流不顺畅；
（3）金光大道站为一站一侧式站台，金光大道站~海傍站区间在阻塞和火灾工况下，通过常规控制方式无法满足断面风速要求，需加设射流风机诱导气流方能满足要求。
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作者简介
龚胜强，1991年9月生，硕士，助理工程师，510010，15626009676，gongshengqiang@dtsjy.com。
论文作者:龚胜强
论文发表刊物:《基层建设》2019年第1期
论文发表时间:2019/4/2
标签：隧道论文; 区间论文; 列车论文; 风机论文; 车站论文; 番禺论文; 客运站论文; 《基层建设》2019年第1期论文;