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1、西安地铁 2 号线隧道通风系统设计摘 要 通过使用美国交通部 SES 软件,对西安地铁 2 号线隧道通风的优化方案设计进行建模计算。以地铁运行远期条件作为计算依据,对隧道内的温度、换气量进行统计分析,得出其隧道内温度在 38以内、换气次数在 7 次/h 以上能满足设计要求的结论,并对隧道内的压力进行计算,为其他设计提供数据参考。关键词 隧道通风 SES 软件 区间换气量 逐时计算 屏蔽门1 工程概况西安市城市快速轨道交通 2 号线一期工程北起铁路北客站,线路沿西安市南北向主客流走廊布设,经铁路北客站、市政中心、经济开发区、北大街、钟楼、小寨商业文化中心、高新开发区、西安国际展览中心至长延堡,线
2、路长约 20.3 km。设铁路北客站、麻家什字、城运村等 17 座车站,有 5 座车站分别与其他轨道交通线换乘(见图 1)。2 号线一期工程于北郊经济开发区设车辆段 1 座,于张家堡广场西侧设控制中心 1 座,全线共设 2 座主变电站,分别位于张家堡及长延堡。车辆采用 B 型车,最高行车速度 80 km/h,列车编组为 6 辆。远期运能4.32 万人次/h。工程自 2007 年上半年开工,2011 年全线建成通车。根据西安地铁的气候环境等因素影响,隧道通风也应该因地制宜,尽量优化和创新。2 系统组成与设计2.1 隧道通风系统组成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。车站隧道通风
3、系统的排风设备一般布置在车站两端的设备房区内,气流组织方式采用轨顶和站台下排风,在车站隧道停车所在区域的轨顶以及有效站台下设置土建式排风道,排风比例暂定为轨顶(OTE)排 60%,站台下(UPE)排 40%,排风口的位置根据列车发热设备的位置确定,补风来自车站两端的活塞风井、相邻区间隧道和屏蔽门开启时的漏风。根据模拟计算结果,推荐每侧车站隧道的排风量为 30m3/s。区间隧道通风系统主要负责两个车站间区间隧道的通风与排烟,包括自然通风与机械通风两种方式。在车站隧道的出站端,设置了一条直通地面的活塞风道,正常运行时,只通过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,即自然通风(见图
4、 2)。2.2 隧道通风系统设计方法隧道通风系统分为区间隧道通风系统和车站隧道通风系统两部分,列车正常运营时系统排除隧道内的余热余湿,从经济节能的角度,应充分利用列车运行产生的活塞风排热和降温隧道内气温。由于列车运行向隧道内散发大量的热,如不采取有效的通风措施,隧道内的温度将随地铁运营年限的增长不断升高,终将导致隧道内温度超过正常运营的要求。在正常运行工况下,当隧道尺寸、列车外型尺寸、列车牵引特性、客流、列车编组、行车组织等条件确定后,活塞风道设置的位置、数量和大小是决定活塞通风效果的关键因素。目前,国内多条设置屏蔽门隧道通风系统均采用 SES 模拟计算软件(见图 3),输入隧道尺寸、列车外型
5、尺寸、列车牵引特性、客流、列车编组、行车组织等条件(见图 4),通过假设活塞风道设置的位置、数量和大小,经过反复试算,对系统配置进行优化比较,最后确定满足所有系统功能的合理系统配置(包含土建设施配置和隧道通风系统设备配置),以及最有效的运行模式(包括本系统设备的模式组织和与其他机电系统的接口配合),以保证列车的正常运行、阻塞运行和火灾运行所必需的环境条件。3 计算结果及比较根据西安地铁 2 号线初步设计的资料,下面对正常运行模式进行了计算,并专门针对活塞风道、区间、车站的温度和风量的影响进行了分析。GB 501572003地铁设计规范规定温度设计标准为正常运行时,隧道的最热月日最高平均温度小于
6、等于 40.0,区间换气量不少于 3 次/h(见图 5)。对温度曲线进行了分析,得出如下结论:(1)沿行车方向,全线温度呈周期上升趋势,车站温度处于波峰位置,风井处温度为波谷,区间则呈逐步上升趋势。右线发车从城运村站到长延堡站,温度最高点出现在北关站(38. 0),接近另一端出口时,又逐渐降低。一般来说,全线早高峰的温度要低于晚高峰温度,一方面是由于隧道壁面温度的滞后变化,另一方面是由于早晚气温的差异。(2)左线发车则从长延堡站到城运村站,随着列车进入隧道,温度逐渐升高,最高温度出现在南门站(38.0),同样是快驶出隧道时,温度降低。在靠近隧道出口处,温度低于室外温度(32)的原因是由于隧道土
7、壤温度为 25,列车的发热量不足以抵消隧道内较低的温度。(3)在草场坡站相邻的地铁隧道,其温度变化趋势不是很规律,主要原因是由于此段设有折返线和停车线,又是换乘站,导致左右线连通,干扰气流组织因素太多,且不顺。从全线看,温度均满足要求。在正常运营的情况下,除了满足温度不超标外,验证隧道通风系统设计优劣的另外一个重要因素,就是活塞风产生的实际效果和活塞风井的换气量,以及隧道内压力是否满足设备要求(见图 6)。可以看出,右线区间风量基本维持在 80100m3/s 之间,通风换气量能满足要求;左线在下行线第一个站(长延堡)区间风量较小(45.9m3/s),但换气也在 6 次/h 以上,其余均在 70
8、90m3/s 之间,满足区间的换气量要求。对隧道内压力进行分析,将列车设置为全速过站(55 km/h),直接对屏蔽门的压力进行计算,选取两个行车周期(4min),得到图 7 屏蔽门压力曲线。最大压差点出现在列车车头恰好经过屏蔽门数据读取点,最大压差值为 652.6Pa,即屏蔽门承压大于这个值即可,其他设备(包括电缆、检修平台等)均需要考虑此压力的影响。4 结论与展望隧道通风的设置形式能很好地优化地下车站建筑布局,因此要在满足通风设计要求的同时,尽量优化系统,保持良好的列车运营环境并满足消防要求。通过计算分析,得出如下结论:(1)正常运营时,全线隧道内温度均满足要求;此理论计算是基于活塞风道面积
9、、长度、阻力满足要求的情况,因此在设计时应严格控制。(2)区间换气满足要求,右线区间平均换气次数 8 次/h 以上,左线最不利区间也在 6 次/h 以上。(3)对隧道内屏蔽门压力进行计算,当列车全速过站时,车头处出现屏蔽门压力最大点,车尾为负压最大点。隧道内的气流时一个非常复杂的流场,在计算时对其进行了一定程度的简化。条件允许则可进行三维实际建模计算,以便更加科学、准确地指导设计。另外,区间隧道风机为事故时启用(阻塞、火灾),概率较低,建议取消全线隧道风机(60m3/s)相互备用,并加强检修和维护,确保隧道风机的可靠性。参考文献1西安市城市快速轨道交通二号线(铁路北客站韦曲)工程可行性研究报告
10、R.西安,2006.2 GB 501572003 地铁设计规范S.北京:中国计划出版社,2003.3韩平.借助 Stess3. 0 对地铁特殊区间的事故模拟分析C /2005 年全国暖通空调专业委员会空调模拟分析学术交流会论文集.北京,2005:520-523.4李亮.关于列车停站时段屏蔽门渗透风量的研究C /2005 年全国暖通空调专业委员会空调模拟分析学术交流会论文集.北京,2005:308-314.5胡自林.中长公路隧道纵向通风计算与防灾研究D.长沙:中南大学,2004.6地铁热环境试验研究报告R.北京:清华大学,2003.7 Cooper L Y. ASET-A computer program for calculatingavailable safe egress tmi eJ. Fire Safety Journa,l 1985,9: 29-45.
