市域铁路地下隧道通风系统模拟分析

黄俊杰

中铁第四勘察设计院集团有限公司

0 引言

随着我国城镇化进程的快速推进，原有的城市规模和单区域城市类型已无法满足发展需求，越来越多的城市逐渐将之前的半城市地区或者周边村镇纳入到城市发展的行列中，或者结合周边城市的发展，逐渐形成城市经济圈，这就要求交通形式必须满足人们的快速出行需求。市域铁路是介于城际铁路和轨道交通之间的一种新型交通形式，其与城际铁路相比，区间长度较短，发车间隔更小，与轨道交通相比，其区间长度和发车间隔都要较长一些。

国内首条市域铁路是2010 年通车的成都至都江堰的市域铁路，温州市域铁路S1 线也于2019 年开通运营，很多地区也都在规划和建设市域铁路。市域铁路目前基本按照地铁方式进行设计，国内外很多学者对地下空间内的隧道通风也进行了大量的研究。贺娜介绍了地铁隧道通风系统单、双活塞两种系统的工作原理，给出了单、双活塞系统各自适用区域的应用建议[1]。姜尊仁介绍了南昌2 号线阳明公园站隧道通风系统设计方案[2]。周孝清等人对地铁隧道火灾中一种最复杂的模式进行了数值分析，对隧道内气流的速度值进行了分析，得出保证乘客安全疏散的有效气流速度[3]。梅宁研究了过江隧道中隧道通风系统对确定大盾构断面的影响，得出隧道通风不是影响盾构断面确定的主要因素[4]。高宏研究了地铁隧道内交叉渡线处活塞风井的设置对隧道热环境的影响，得出活塞风井设于车站站台与交叉渡线之间，且适当增大活塞风井面积可满足温度和通风要求[5]。刘立争等人采用理论分析、CFD 数值模拟对北京某地铁单隧道发生火灾时的通风排烟系统进行了模拟分析，火灾发生的位置不同，相应的最优通风排烟模式也不同[6]。市域铁路在中心城区基本利用地下空间，车站和区间隧道都是狭长的地下建筑，除了地下车站的出入口以及车站和区间的通风口外，其与地面几乎不连通，因此，市域铁路的地下空间部分必须做好隧道通风系统设计，控制车站和区间内的环境参数，保证乘客的舒适性和列车运行的安全性。

本文采用SES 程序建立某市域铁路地下区间隧道的计算模型，计算得出正常工况下地下区间隧道内的温度变化情况和影响因素，并通过模型计算分析阻塞和火灾工况下，地下区间隧道内通过设置有效的通风排烟设施可以保证隧道内的排热安全和乘客的安全疏散。通过本文的研究，提供了不同工况下市域铁路地下隧道通风系统的模拟计算分析，为地下区间隧道通风系统的设计提供了指导。

1 隧道通风系统SES 模型建立

隧道通风系统包括区间隧道通风和车站隧道通风，当采用自然通风无法满足隧道内环控要求时，必须采用机械通风方式将隧道内的气流有效的组织起来。区间隧道通风和车站隧道通风在功能上相互补充，共同维护隧道内的温湿度等参数满足运行需求，并且在阻塞和火灾事故工况下，能够保证隧道内的温度不超过限值要求，以及火灾时人员的安全疏散。

1.1 区间隧道通风

地下隧道由隧道出入口、地下车站、中间风井划分为不同的地下区间，区间隧道通风一般采用纵向式通风，在隧道进出口、车站大小里程端头或者中间风井位置处设置机械通风设施，同时利用列车在隧道内运行时产生的活塞作用，使得区间隧道内的空气能够与外界环境进行有效的换气，其通风原理图如图1：

图1 区间隧道通风系统原理图

1.2 车站隧道通风

地下车站是乘客上下车的主要通道，位于城市的中心地段，且具有短时候车的功能，必须保证车站内的温湿度满足舒适候车的需求。目前，地下车站与隧道之间基本通过屏蔽门进行隔断，将隧道与车站主体建筑进行分割。当列车需要停靠在地下车站时，刹车等因素会产生大量的散热，如不及时将此部分热量排出去，会在车站顶部积聚大量的热量，进而影响到列车和车站内的热湿环境，造成乘客的不舒适性，因此，地下车站隧道内需要设置轨顶或者轨底排风道，利用排热风机将热量及时的排出去，其通风原理图如图2：

图2 车站隧道通风系统原理图

1.3 隧道通风SES 模型

地下隧道由区间隧道和车站隧道两部分组成，分别在区间和车站位置布置机械风机，在隧道出入口设置可逆射流风机，中间工作井位置处设置隧道轴流风机，车站大小里程位置处同时设置隧道轴流风机，相互作用共同保证隧道内环控参数满足设计要求。

选取某市域铁路规划线，其包括两段地下隧道，第一段隧道长6478 m，包含两座地下车站和一处中间工作井，车站间距4436 m，第二段隧道长4266 m，包含了两座地下车站，车站间距2310 m。隧道区间结构的形式主要为明挖，盾构和矿山法，断面的面积分别为36.82 m2，37.81 m2和41.52 m2，区间隧道采用双活塞风道，车站隧道内只考虑采用轨顶排热方式。根据两段地下隧道的结构形式、车站形式等，建立隧道的简化节点模型，利用SES 程序建立地下隧道的物理计算模型，输入运行相关的环境参数，土壤参数，线路参数，列车参数和客流参数等，对两段隧道内的列车运行状况进行模拟分析。

2 正常工况下隧道温度模拟分析

市域铁路根据初期，近期和远期的客流量合理的安排车辆数和行车间隔，初期和近期发车密度低于远期规划的发车密度，而隧道通风系统是一次性建成的，因此，隧道通风必须满足远期条件下的环控要求。依据建立的SES 模型，列车间隔取2 min，考虑远期高峰小时为下午17 点，隧道1 的左右线温度分布图具体如图3：

图3 隧道1 远期正常工况下左右线温度分布

从图3 可以看出，左线在车站2 位置处出现最高温度33.5 ℃，右线在车站1 位置处出现最高温度33.6 ℃。对于左线来说，温度随着隧道里程的增加逐渐降低，隧道壁面温度低于隧道内空气温度，因此壁面对隧道内的空气具有降温作用。在车站1 和车站2 位置处，由于列车的刹车散热和车站内的人体散热等热绕因素，造成车站隧道区域温度逐渐上升。右线从大里程到小里程的变化趋势与左线一致，与左线在车站位置处相交，左线列车出口位置空气温度比进口位置高1.9 ℃，右线列车出口位置空气温度比进口位置高1.0 ℃。

图4 为隧道2 远期运营能力下左线和右线的温度随线路里程的变化分布，左线在车站3 位置处出现最高温度33.6 ℃，右线在车站3 位置处出现最高温度35.7 ℃，比左线高出2.1 ℃。隧道左右线的温度随里程的变化趋势与隧道1 基本一致，车站3 大里程端设置存车线，且左线和右线的隧道合并，因此此处温度相互重叠。右线温度在车站3 快速上升，主要原因是车站3 位置上车人数达到47 人，导致此区域温度比左线高出2.8 ℃，因此，车站上下车人数对隧道内温度的影响比较大。

图4 隧道2 远期正常工况下左右线温度分布

3 事故工况下隧道通风模拟分析

列车在隧道内运行，事故工况分为阻塞工况和火灾工况。当列车因故障停留在区间隧道，即隧道内发生阻塞工况。当列车在隧道内发生火灾时，列车应尽可能的驶向前方车站或者驶离地下隧道，在车站或者隧道外疏散乘客，排烟和灭火，在列车无法驶出地下隧道时，只能在隧道内疏散乘客，此时必须根据列车所在位置和火灾位置启动相应的隧道防排烟设备，即为火灾工况。

3.1 区间阻塞工况

当列车在区间发生阻塞时，根据列车所在位置处，开启相应区间上下行线的射流风机或者隧道风机，并且隧道外的车辆不再进入隧道，其控制原理图如图5所示：

图5 区间阻塞工况送排风示意图

根据阻塞工况风机运行规律，隧道1 考虑左线入口至车站1 区间内发生阻塞，开启隧道入口的射流风机，车站1 大小里程端部的隧道风机同时开启排风，排热风机维持正常开启状态，利用SES 模拟软件计算出阻塞段内风量达到183.9 m3/h，风速4.8 m/s，列车周围温度33.3 ℃，满足《地铁设计规范》（GB50157-2003）中阻塞工况下低于40 ℃限值的要求。

隧道2 考虑左线车站3 和车站4 区间内发生阻塞，开启车站3 大小里程端部的隧道风机送风，排热风机关闭，开启车站4 大小里程端部的隧道风机排风，排热风机维持正常开启状态，利用SES 模拟软件计算出阻塞段内风量达到129.8 m3/h，风速3.4 m/s，列车周围温度33.3 ℃，满足阻塞工况下低于40 ℃限值的要求。

3.2 区间火灾工况

当列车在区间发生火灾时，必须立即启动相应的火灾运行模式，开启隧道内的射流风机和隧道风机，控制着火区间的气流方向与乘客的疏散方向相反，乘客迎着新风方向进行疏散，并保证火灾烟气不进入疏散通道内，另一侧隧道内停止行车，其控制原理图如图6：

图6 区间火灾工况送排风示意图

列车在区间内发生火灾时，乘客迎着新风方向进行疏散，并且从最近的联络通道进入非火灾隧道内进行疏散，全线同一时间考虑发生一次火灾，火灾规模按照20 MW 进行计算。隧道1 和隧道2 考虑在阻塞工况位置处发生火灾，利用SES 模拟软件计算出阻塞段内风量分别达到了168.1 m3/h 和116.3 m3/h，风速分别达到了4.4 m/s 和3.1 m/s，大于烟气的回流速度，能够保证乘客的安全疏散。

4 结论

1）区间隧道通风在隧道进出口、车站大小里程端部和中间工作井位置处设置机械排风设施，车站隧道通风在隧道内设置轨顶或者轨底排风道，相互作用将隧道内热量及时排出去。

2）市域铁路地下隧道按照远期运营能力进行SES 建模计算，隧道壁面对隧道内空气具有降温作用，在车站位置由于刹车产生的热量和人体散热使得隧道内温度升高。地下车站的上下车人数对车站隧道内温度的影响比较大，车站内需要设置有效的机械排热系统。

3）区间发生阻塞时，开启相应区间上下行线的隧道风机，可以保证阻塞位置处温度不超过限值要求。区间发生火灾时，通过设置隧道通风排烟系统，可以有效的保证乘客的安全疏散。