莞惠城際鐵路隧道通風(fēng)系統(tǒng)性能研究

余 濤，雷 波

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都 610031)

莞惠城際鐵路隧道通風(fēng)系統(tǒng)性能研究

余 濤，雷 波

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都 610031)

針對(duì)莞惠城際鐵路松山湖隧道的通風(fēng)初步設(shè)計(jì)方案，建立隧道通風(fēng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模型，并對(duì)該隧道通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行一維數(shù)值模擬計(jì)算分析。研究了取消車站軌道排熱系統(tǒng)的可行性，得出取消車站軌道排熱系統(tǒng)前后隧道內(nèi)熱環(huán)境都能滿足設(shè)計(jì)要求，軌道排熱系統(tǒng)的取消不但可以縮短工程周期，還能節(jié)省初投資和風(fēng)機(jī)運(yùn)行能耗;針對(duì)正常運(yùn)行時(shí)部分活塞風(fēng)井內(nèi)風(fēng)速超過工程限制，從而影響系統(tǒng)安全的情況，提出采用在活塞風(fēng)道內(nèi)增加局部阻力的措施，可使最高風(fēng)速降到工程允許的范圍內(nèi)，系統(tǒng)的安全性提高。

城際鐵路 隧道熱環(huán)境 通風(fēng)系統(tǒng) 數(shù)值模擬

近年來，我國(guó)城際鐵路建設(shè)的發(fā)展勢(shì)頭迅猛。鑒于地理?xiàng)l件的限制，城際鐵路設(shè)計(jì)中出現(xiàn)越來越多的地下車站，且站與站之間的區(qū)間隧道較長(zhǎng)。列車的制動(dòng)過程和空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行，都會(huì)向隧道內(nèi)排放大量的熱，隨著列車的運(yùn)行，隧道內(nèi)的空氣溫度將會(huì)逐漸升高，需要設(shè)置合理的通風(fēng)系統(tǒng)排除隧道內(nèi)積累的熱量。按照城市軌道交通工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，城際鐵路區(qū)間隧道夏季最熱日的日平均溫度不得超過40℃[1]，并且基于工程安全性的考慮，活塞風(fēng)井內(nèi)的風(fēng)速不得高于11 m/s。在實(shí)際隧道建設(shè)中，為了節(jié)約風(fēng)機(jī)能耗、方便施工，在滿足隧道熱環(huán)境的條件下，可考慮取消車站軌道排熱系統(tǒng)。因此需要對(duì)城際鐵路隧道通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行必要的深入研究。

國(guó)內(nèi)外有大量關(guān)于地鐵隧道通風(fēng)系統(tǒng)的研究，包括軌道排熱系統(tǒng)對(duì)地鐵溫度場(chǎng)的影響和通風(fēng)井的面積對(duì)通風(fēng)量的影響[2]，地鐵區(qū)間熱環(huán)境主要影響因素的分析和熱環(huán)境的優(yōu)化[3]，地鐵區(qū)間隧道速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)特性的研究[4]等，但缺乏對(duì)城際鐵路隧道熱環(huán)境和通風(fēng)系統(tǒng)的研究。

本文對(duì)莞惠城際鐵路松山湖隧道的熱環(huán)境進(jìn)行模擬計(jì)算，研究取消軌道排熱系統(tǒng)的可行性和改進(jìn)活塞風(fēng)井的設(shè)計(jì)，以期優(yōu)化隧道通風(fēng)系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的節(jié)能性和安全性。

1 計(jì)算模型和計(jì)算條件

1.1 工程概況

莞惠城際鐵路是珠三角城際軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃的放射線之一，該線路起于廣東省東莞市洪梅站，止于惠州市惠州大道站，線路全長(zhǎng)約97 km。沿線分別穿越松山湖隧道和東江隧道，區(qū)間隧道為雙洞單線形式，地下區(qū)間主要采用單圓盾構(gòu)，明挖、暗挖區(qū)間隧道等形式。線路沿途共開設(shè)17個(gè)車站，其中高架站臺(tái)6座，地面站臺(tái)1座，地下站臺(tái)10座，本文僅對(duì)較長(zhǎng)的松山湖隧道進(jìn)行研究。

根據(jù)初步設(shè)計(jì)方案，松山湖隧道全長(zhǎng)41.225 km，共設(shè)有6座地下島式站臺(tái)車站，分別為新城中心站、東城南站、寮步站、松山湖北站、大朗站和常平站，最大站間距8.536 km，為東城南站至寮步站之間的區(qū)間隧道。地下車站設(shè)置屏蔽門系統(tǒng)，每個(gè)車站站臺(tái)有效長(zhǎng)度為120 m，車站進(jìn)站端和出站端分別設(shè)有兩個(gè)活塞風(fēng)井，區(qū)間隧道根據(jù)站間距長(zhǎng)度每隔一段距離也設(shè)有中間活塞風(fēng)井，活塞風(fēng)井橫截面積均為32 m2，分別連接到地面的活塞風(fēng)亭。車站軌行區(qū)設(shè)有軌道排熱系統(tǒng)，排熱風(fēng)井橫截面積均為25 m2，風(fēng)井分別連接至地面排熱風(fēng)亭。地下車站隧道通風(fēng)系統(tǒng)如圖1所示。

1.2 計(jì)算模型

針對(duì)松山湖隧道的物理模型，本文采用一維數(shù)值模擬的方法來研究隧道內(nèi)的通風(fēng)和熱環(huán)境，一維數(shù)值模型的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)如圖2所示。

1.3 計(jì)算條件

隧道通風(fēng)室外空氣計(jì)算溫度采用夏季近20年最熱月月平均溫度的平均值，東莞惠州地區(qū)室外空氣計(jì)算溫度為28.5℃。

圖1 地下車站隧道通風(fēng)系統(tǒng)

根據(jù)初步設(shè)計(jì)方案，莞惠城際鐵路采用CRH6型動(dòng)車組，最高運(yùn)行速度200 km/h，列車阻塞比為0.24，開設(shè)大站停和站站停兩種運(yùn)行模式。運(yùn)行初期晚高峰列車開行9對(duì)，大站停和站站停模式的發(fā)車間隔分別為1 800 s和514 s;遠(yuǎn)期晚高峰列車開行12對(duì)，大站停和站站停模式的發(fā)車間隔分別為1 200 s和400 s。正常運(yùn)營(yíng)時(shí)，列車停站時(shí)間按45 s進(jìn)行計(jì)算。初步設(shè)計(jì)方案中車站設(shè)有軌道排熱系統(tǒng)，排熱風(fēng)機(jī)風(fēng)量為67 m3/s。

根據(jù)工程設(shè)計(jì)要求，隧道內(nèi)空氣溫度不得超過40℃，并且通風(fēng)井內(nèi)最高風(fēng)速不得超過11 m/s。列車運(yùn)行過程中，晚高峰客流量相對(duì)較大，外界大氣溫度也相對(duì)較高，列車運(yùn)行時(shí)間也較長(zhǎng)，正常運(yùn)營(yíng)工況時(shí)隧道內(nèi)溫度最高時(shí)刻一般出現(xiàn)在晚高峰[5-6]，且遠(yuǎn)期運(yùn)營(yíng)工況為最不利工況。因此，本文僅對(duì)列車遠(yuǎn)期晚高峰正常運(yùn)行工況進(jìn)行研究。

圖2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

2 結(jié)果及討論

2.1 隧道熱環(huán)境的模擬計(jì)算[7]

本研究的模擬時(shí)間為17∶00的晚高峰時(shí)刻，模擬持續(xù)14 400 s，取最后3 600 s的平均值進(jìn)行分析。圖3給出了松山湖隧道遠(yuǎn)期正常運(yùn)行時(shí)，下行線晚高峰時(shí)刻隧道內(nèi)的溫度分布模擬結(jié)果。

從圖3可以看出，車站軌道排熱風(fēng)機(jī)開啟時(shí)，隧道內(nèi)空氣平均溫度最高為32.8℃，出現(xiàn)在常平車站隧道區(qū)域。由于環(huán)控系統(tǒng)采用屏蔽門系統(tǒng)，列車停站過程中，列車的制動(dòng)和空調(diào)冷凝器的運(yùn)行向周圍隧道大量散熱，軌道排熱系統(tǒng)不能完全排除這部分熱量，導(dǎo)致車站隧道溫度比區(qū)間隧道溫度高。隨著熱量的積累和活塞風(fēng)的作用，隧道內(nèi)空氣平均溫度沿縱向逐漸升高。圖3中，隧道內(nèi)空氣平均溫度均＜40℃，滿足設(shè)計(jì)溫度要求。隧道出口空氣溫度比入口空氣溫度高1.8℃，這是由于列車運(yùn)行中的散熱被隧道內(nèi)空氣吸收，使空氣流經(jīng)隧道后溫度有明顯的升高。

圖3 隧道內(nèi)空氣平均溫度分布

為了節(jié)約風(fēng)機(jī)能耗和方便施工，實(shí)際工程中開始關(guān)注取消軌道排熱系統(tǒng)的問題。但排熱系統(tǒng)的取消會(huì)造成列車停站過程中散發(fā)的熱量不能及時(shí)排走，熱量的累積會(huì)導(dǎo)致隧道空氣溫度持續(xù)升高。

在其他條件保持不變的情況下，模擬取消車站軌道排熱系統(tǒng)后隧道的熱環(huán)境。從圖3可以看出，取消車站軌道排熱系統(tǒng)后，隧道空氣平均溫度最高值仍然出現(xiàn)在常平車站隧道區(qū)域，達(dá)到34.5℃，比開啟軌道排熱系統(tǒng)時(shí)高1.7℃。這是由于列車停站時(shí)散發(fā)的大量熱量不能被及時(shí)排走，更多的熱量會(huì)累積到隧道內(nèi)。隧道內(nèi)空氣溫度仍然沿縱向逐漸升高，出口空氣溫度比入口空氣溫度升高3.9℃。隧道內(nèi)空氣平均溫度均＜40℃，仍然滿足溫度設(shè)計(jì)要求，說明莞惠城際鐵路地下車站取消軌道排熱系統(tǒng)是可行的。

2.2 活塞通風(fēng)井的優(yōu)化

活塞風(fēng)是隨時(shí)間變化的，它與列車速度、車流密度、隧道結(jié)構(gòu)、阻塞比等因素有關(guān)[8]。莞惠城際列車運(yùn)行速度達(dá)到200 km/h，會(huì)在活塞風(fēng)井內(nèi)引起較高的瞬時(shí)風(fēng)速。出于對(duì)人員和設(shè)備安全性的考慮，設(shè)計(jì)中規(guī)定活塞風(fēng)井內(nèi)風(fēng)速不得超過11 m/s。根據(jù)對(duì)初步設(shè)計(jì)方案的模擬計(jì)算，晚高峰時(shí)刻下行線隧道各活塞風(fēng)井內(nèi)最大瞬時(shí)風(fēng)速如圖4所示。從圖4可以看出，初步設(shè)計(jì)方案的計(jì)算結(jié)果中有6個(gè)車站出站端的活塞風(fēng)井內(nèi)最大瞬時(shí)風(fēng)速超過11 m/s，尤其95號(hào)風(fēng)井內(nèi)的瞬時(shí)風(fēng)速已經(jīng)達(dá)到14.2 m/s。

圖4 下行線隧道各活塞風(fēng)井最大瞬時(shí)風(fēng)速

圖5給出了瞬時(shí)風(fēng)速最高的95號(hào)活塞風(fēng)井晚高峰時(shí)段某1 h內(nèi)風(fēng)速隨時(shí)間的變化情況。圖5表明，活塞風(fēng)井內(nèi)風(fēng)速隨時(shí)間變化是一個(gè)復(fù)雜的過程，風(fēng)速的變化具有周期性，其變化周期為1 200 s，正好與列車大站停模式發(fā)車間隔一致。當(dāng)城際列車車頭到達(dá)風(fēng)井位置時(shí)，風(fēng)井內(nèi)壓力有一個(gè)突然升高的過程，車尾經(jīng)過風(fēng)井時(shí)，風(fēng)井內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓，風(fēng)井內(nèi)壓力的突變過程造成風(fēng)速的突變。圖5中活塞風(fēng)井內(nèi)風(fēng)速大部分時(shí)刻都低于11 m/s的限制，只有在大站停列車到達(dá)風(fēng)井位置時(shí)，出現(xiàn)最大值，瞬時(shí)最高風(fēng)速達(dá)到14.2 m/s，超過該工程的限制。由于95號(hào)風(fēng)井為出站端的活塞風(fēng)井，當(dāng)站站停列車經(jīng)過風(fēng)井位置時(shí)，列車正處于加速過程，此時(shí)風(fēng)井內(nèi)的風(fēng)速較小，只有2.0 m/s。

圖5 95號(hào)活塞風(fēng)井內(nèi)風(fēng)速

為了降低活塞風(fēng)井內(nèi)風(fēng)速，可以采取增大風(fēng)井?dāng)嗝娣e或增加風(fēng)道內(nèi)阻力的措施。增大風(fēng)井?dāng)嗝娣e，會(huì)增大初投資，而且受結(jié)構(gòu)等因素的影響大;增加風(fēng)道內(nèi)的阻力，可以通過增大壁面粗糙度來增大沿程阻力，或者通過在風(fēng)道內(nèi)增加局部阻力實(shí)現(xiàn)，后者是一種較為方便的工程措施。

莞惠線設(shè)計(jì)考慮采用在活塞風(fēng)道內(nèi)加十字梁增加局部阻力的方案。通過在下行線6個(gè)風(fēng)速超過限制的活塞風(fēng)井內(nèi)加十字梁，其余活塞風(fēng)井結(jié)構(gòu)不變。通過計(jì)算分析比較，當(dāng)十字梁位置的空氣流通面積比為30%時(shí)，活塞風(fēng)井內(nèi)的最大風(fēng)速才能達(dá)到工程要求。此時(shí)，風(fēng)井內(nèi)總局部阻力系數(shù)由10增加到30，增加阻力優(yōu)化后風(fēng)井內(nèi)最大瞬時(shí)風(fēng)速如圖4所示。

從圖4可以看出，通過在活塞風(fēng)道內(nèi)加十字梁增大局部阻力的措施對(duì)隧道通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改善，6個(gè)超過風(fēng)速限制的活塞風(fēng)井內(nèi)的最大瞬時(shí)風(fēng)速都下降到11 m/s的范圍內(nèi)，其他風(fēng)井內(nèi)最大瞬時(shí)風(fēng)速變化不大，系統(tǒng)的安全性大大提高。

3 結(jié)論

本文針對(duì)莞惠城際鐵路松山湖隧道的通風(fēng)初步設(shè)計(jì)方案，采用一維數(shù)值模擬的方法，對(duì)正常運(yùn)營(yíng)工況隧道熱環(huán)境和通風(fēng)做了模擬計(jì)算分析，得到以下結(jié)論:

1)初步設(shè)計(jì)方案開啟軌道排熱系統(tǒng)，隧道內(nèi)空氣平均溫度最高為32.8℃，出現(xiàn)在常平車站隧道區(qū)域，滿足隧道熱環(huán)境控制的要求。

2)取消軌道排熱系統(tǒng)后，隧道內(nèi)各段空氣平均溫度相比開啟軌道排熱系統(tǒng)時(shí)都有所升高，隧道內(nèi)空氣平均溫度最高達(dá)到34.5℃，滿足熱環(huán)境控制的要求，因此取消軌道排熱系統(tǒng)是可行的。

3)針對(duì)初步設(shè)計(jì)方案有6個(gè)活塞風(fēng)井內(nèi)瞬時(shí)風(fēng)速超過允許的11 m/s，提出采用在活塞風(fēng)道內(nèi)加十字梁的措施，增大風(fēng)井內(nèi)的局部阻力，可以將風(fēng)速控制在允許的范圍內(nèi)。

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Study on Performance of Ventilation System in Tunnel of Dongguan-Huizhou Intercity Railway

YU Tao，LEI Bo
(Mechanical Engineering School，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)

Based on the preliminary design scheme of the ventilation system in the Song-shan Lake tunnel of Guan-Hui intercity railway，this paper introduced the network model of this tunnel ventilation system and established one-dimensional numerical method to simulate the tunnel ventilation.This paper also studied the feasibility of removing the track exhaust system under the platform，which can not only shorten the project cycle but also save the initial investment and fan energy consumption，and concluded that the thermal environment in the tunnel can satisfy the design requirement.For the air velocity in some piston ventilation shafts exceeding the project limitation during normal operation and affecting the system security，this paper presented the method of increasing the local resistance in the piston ventilation shaft，the results of which show that the maximum velocity can decrease to the project requirement value and the system safety can be improved.

Intercity railway;Tunnel thermal environment;Ventilation system;Numerical simulation

U453.5

A

1003-1995(2012)06-0070-04

2011-12-22;

2012-04-03

余濤(1987— )，男，四川樂山人，博士研究生。

(責(zé)任審編 王天威)