青島地鐵地下空間結(jié)露原因分析及防治措施研究

王 儒 張 蕾 管凱凱

(青島地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營分公司，266100，青島//第一作者,工程師)

青島地處山東半島東南部，瀕臨黃海，空氣潮濕。夏季日間最高氣溫在30 ℃左右，夜間最低氣溫27 ℃。伴隨溫度的升高，空氣濕度增大，青島地鐵部分地下車站垂梯基坑出現(xiàn)不同程度的冷凝潮濕現(xiàn)象。曾因井道潮濕導(dǎo)致電器開關(guān)受潮短路，電梯停運(yùn)。研究地下空間結(jié)露現(xiàn)象的產(chǎn)生原因和防范措施，為新線建設(shè)和客運(yùn)服務(wù)提供參考很有必要。

1 地鐵地下空間結(jié)露原因分析

1.1 結(jié)露原理

根據(jù)熱力學(xué)原理，當(dāng)一定溫度空氣中水蒸氣分壓力達(dá)到該溫度下水蒸氣飽和分壓力時(shí)，水蒸氣就會(huì)釋放熱量凝結(jié)成水。結(jié)露的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)一般為物體表面溫度是否低于空氣中的露點(diǎn)溫度。夏季室外空氣含水量較大，露點(diǎn)溫度相對(duì)較高[1]，若井道壁或者垂梯設(shè)備表面溫度略低于露點(diǎn)溫度，就會(huì)在其表面產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象，就是俗稱的“冷凝水”。

1.2 地鐵車站地質(zhì)環(huán)境分析

青島市瀕臨黃海，環(huán)繞膠州灣，內(nèi)陸河流眾多，地下水補(bǔ)給極其豐富，土、巖石或裂隙中的空隙均是地下水儲(chǔ)存的良好載體。根據(jù)青島地鐵地質(zhì)條件資料，南部城區(qū)主要地鐵站坐落于花崗巖地質(zhì)之上，市南區(qū)、嶗山區(qū)地鐵站范圍內(nèi)地下水廣泛存在并儲(chǔ)量豐富。

以嶗山區(qū)為例，地理位置北緯36°10′，地下15～20 m深度是常年恒溫，溫度穩(wěn)定在16 ℃左右[2]。地下水基本處于自然狀態(tài)，水位年內(nèi)漲幅一般不超過2 m；地下水季節(jié)性變化明顯，變化曲線呈波狀起伏，7～9月份地下水水位為波峰狀態(tài)，為豐水期，之后隨著降雨減少和地表蒸發(fā)，水位慢慢下降。因此，夏季隨著地下水水位不斷升高，地下構(gòu)筑物也會(huì)持續(xù)受到水溫和土壤溫度的共同作用，混凝土外墻溫度趨近于20 ℃。

此外，受季節(jié)影響，地下空間的空氣濕度變化較大，根據(jù)隨機(jī)選取的6個(gè)車站(其中李村站、清江路站、地鐵大廈站為內(nèi)陸車站，五四廣場站、太平角公園站、青島站為沿海車站)的濕度變化記錄，夏季受副熱帶高壓影響，東部沿海地區(qū)空氣濕度逐步增大，7～8月份達(dá)到峰值，此時(shí)大部分地下車站空氣濕度在70%～80%，露點(diǎn)溫度迅速提升，因此，每年7～8月也是結(jié)露現(xiàn)象集中爆發(fā)期,如圖1所示。另外，由于地理位置差距較小，青島市范圍內(nèi)內(nèi)陸車站和沿海車站空氣濕度相差不大。

圖1 地鐵車站一年內(nèi)的濕度變化曲線

因此，當(dāng)濕度與溫度達(dá)到結(jié)露條件，室外熱空氣與室內(nèi)低溫構(gòu)筑物直接接觸后，發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象。地鐵車站出入口通風(fēng)效果較差，結(jié)露現(xiàn)象得不到及時(shí)緩解，導(dǎo)致垂梯井內(nèi)壁和通道外墻長期大面積冷凝水懸掛。

2 地鐵車站垂梯基坑潮濕分析

2.1 井道結(jié)構(gòu)及結(jié)露表現(xiàn)

以青島地鐵11號(hào)線青島科大站為例，該站垂梯井平面圖如圖2所示。垂梯井基坑北側(cè)為逃生豎井，西側(cè)為排煙風(fēng)井(排煙風(fēng)井與垂梯井道深度相同)?，F(xiàn)場查看發(fā)現(xiàn)垂梯井道上半段情況良好，四面?zhèn)缺诰軌虮３指稍餇顟B(tài);從中段開始，東側(cè)及南側(cè)井道壁出現(xiàn)不同程度冷凝水現(xiàn)象，而西側(cè)與北側(cè)井道壁仍能保持干燥狀態(tài)；在坑底位置,東側(cè)及南側(cè)井道壁冷凝現(xiàn)象最為嚴(yán)重，同時(shí)北側(cè)井道壁也出現(xiàn)輕度冷凝現(xiàn)象，但西側(cè)井道壁仍能保持干燥。

尺寸單位:mm

圖2 垂直電梯平面圖

2.2 井道結(jié)露原因分析

經(jīng)調(diào)查，垂梯井西側(cè)壁后部為排煙風(fēng)井，無地下水影響，墻體溫度與空氣溫度保持一致，因此無結(jié)露現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，無障礙通道等附屬設(shè)備結(jié)構(gòu)以混凝土自防水為主，結(jié)構(gòu)抗?jié)B標(biāo)號(hào)不低于P10(P10表示該混凝土能抵抗1.0 MPa的靜水壓力而不滲透)，并鋪設(shè)全包外防水。水壓計(jì)算公式為：

p=ρ×gh

(1)

式中：

p——水壓;

ρ——水的密度;

g——重力加速度;

h——取壓點(diǎn)到液面高度。

由此可得，P10的抗?jié)B等級(jí)能夠抵抗水下100 m的水壓而不滲漏，能夠充分保證青島科大站26 m埋深而不發(fā)生滲漏。現(xiàn)場觀測井道壁施工質(zhì)量較好，無滲漏水情況，亦可以排除混凝土抗?jié)B性能不達(dá)標(biāo)造成的整體滲漏水。

該站周邊雖未發(fā)現(xiàn)明顯地表水系，但地下水位埋深為2.1～1.4 m，主要為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水，含量十分豐富。車站垂梯基坑開挖深度為26 m，井道中下部分地下水溫度不隨大氣溫度的變化而變化，常年保持在15～16 ℃,該井道壁傳熱系數(shù)為2.33 W/(m·℃)，導(dǎo)熱性較好，因此該井道中下部受地下水影響溫度趨近于20 ℃。夏季室外空氣相對(duì)濕度較高，露點(diǎn)溫度升高，而井道內(nèi)壁溫度保持不變，當(dāng)室外空氣露點(diǎn)溫度高于井道內(nèi)壁溫度時(shí)，即發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象。

2.3 數(shù)據(jù)測量

為進(jìn)一步研究溫濕度和結(jié)露現(xiàn)象的關(guān)系，采用FLUKE紅外測溫儀和TES濕度測試儀1360A對(duì)青島地鐵部分地下車站7月份溫濕度進(jìn)行測量，并結(jié)合《空氣露點(diǎn)溫度表》對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，整理結(jié)果及這6個(gè)車站的垂梯基坑埋深，如表1所示。

表1 地鐵車站溫濕度及基坑深度

由表1分析可知，基坑埋深越大空氣濕度越大，除青島二中站和苗嶺站外，青島科大站、會(huì)展中心站、海游路站和棗山路站均出現(xiàn)露點(diǎn)溫度高于井壁溫度的情況，符合濕熱空氣遇到冰冷物體結(jié)露的條件，因此，這4個(gè)車站垂梯井道壁包括車站內(nèi)部墻壁會(huì)產(chǎn)生大量冷凝水，與現(xiàn)場實(shí)際情況相符合。

經(jīng)過實(shí)地觀察，上述車站中青島科大站和海游路站結(jié)露現(xiàn)象最為明顯，表1中這2個(gè)車站井壁溫度和露點(diǎn)溫度差值亦最大。究其原因，是溫、濕度差異具有決定性因素。

2.4 墻體內(nèi)表面溫度計(jì)算

仍以青島科大站為測試對(duì)象，參照GB 50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度可由式(2)計(jì)算：

θ=Tn-Rn/Ro(Tn-Tnw)

(2)

式中：

θ——墻體內(nèi)表面溫度,℃;

Rn——內(nèi)表面換熱阻,取0.11 m2·K/W;

Ro——總熱阻,取0.257 m2·K/W;

Tn——基坑溫度,28 ℃;

Tnw——地下水溫度,16 ℃。

經(jīng)計(jì)算，θ≈22 ℃

經(jīng)查《空氣露點(diǎn)溫度表》,空氣溫度和濕度分別在28 ℃和82.8%時(shí)，露點(diǎn)溫度為24.4 ℃，因此，會(huì)發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象。

2.5 結(jié)露量計(jì)算

首先由文獻(xiàn)[4]中的《濕空氣中飽和水蒸氣分壓力及含濕量》得知不同溫度下空氣含水量曲線，如圖3所示。

圖3 不同溫度下空氣含水量曲線

經(jīng)計(jì)算，該拋物線函數(shù)方程近似于：

y=0.026x2+0.043x+5.768

(3)

其中x為溫度取值。根據(jù)此函數(shù)方程可以近似計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下不同溫度下的飽和濕空氣含水量。

結(jié)露過程是非常復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過程，結(jié)露量的推導(dǎo)公式需要大量的驗(yàn)證和調(diào)整，目前階段對(duì)于結(jié)露量計(jì)算方法的研究少之又少。根據(jù)文獻(xiàn)[5]利用無量綱分析得出的結(jié)露速率關(guān)聯(lián)式進(jìn)行結(jié)露量驗(yàn)算：

Mdc=1.239×10-6q0.513 6(ΔT)1.351 3(Δda)0.417 9

式中：

Mdc——單位面積、單位時(shí)間結(jié)露量,kg/(m2·s);

q——通過墻體的熱流密度，q取19.42 J/(m2·s)

ΔT——墻體表面溫度與基坑空氣溫度差值，取7 ℃;

Δda——不同溫度空氣含水量差值，根據(jù)公式(3)每千克干空氣取0.14 kg。

經(jīng)計(jì)算Mdc≈11.036×10-6kg/(m2·s)約等于39.73 g/(m2·h)。由此推算，該墻體結(jié)露量約為39 g/(m2·h)，進(jìn)一步證明此時(shí)墻體會(huì)發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象。

必須指出的是，由于垂梯基坑井環(huán)境相對(duì)封閉，隨著冷凝水不斷析出，井內(nèi)空氣濕度不斷下降，結(jié)露量也相應(yīng)減少。這是個(gè)動(dòng)態(tài)過程，當(dāng)冷凝與蒸發(fā)量相等時(shí)，這個(gè)動(dòng)態(tài)達(dá)到平衡，結(jié)露量不再增加。

2.6 其他影響

車站結(jié)構(gòu)和排風(fēng)模式對(duì)結(jié)露也有一定影響。青島科大站B進(jìn)出站口通道設(shè)計(jì)有中央空調(diào)風(fēng)機(jī)盤管進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)，額定通風(fēng)量2 040 m3/h，但垂梯井通道相對(duì)較為狹窄，送風(fēng)量大大減少，外加B進(jìn)出站口外部有墻體圍擋，通風(fēng)能力再一次下降，因此B進(jìn)出站口垂梯結(jié)露現(xiàn)象得不到緩解，表現(xiàn)較為嚴(yán)重。

2.7 結(jié)露原因總結(jié)

綜上所述，地鐵地下車站冷凝水激增的主要原因?yàn)椋?/p>

1) 濕度。濕度是導(dǎo)致地下空間結(jié)露現(xiàn)象產(chǎn)生的根本原因。受地理位置、埋深、土質(zhì)、地下水等因素的影響，空氣濕度不盡相同，總體而言空氣相對(duì)濕度越大，水蒸氣含量越趨向于飽和，越容易出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。

2) 溫度。夏季溫度升高，空氣相對(duì)濕度增大，空氣露點(diǎn)溫度提高，若地下空間溫度低于露點(diǎn)溫度，則容易出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。

3) 埋深。因受地下水影響，埋深越大的車站墻體溫度越低，空氣越潮濕，相比于淺埋深的車站更易結(jié)露。

4) 通風(fēng)。通風(fēng)量越大的地下空間，空氣濕度越低，相對(duì)不容易結(jié)露。

3 預(yù)防地鐵地下車站結(jié)露的措施

預(yù)防結(jié)露的措施,一是提高物體表面溫度，二是降低空氣露點(diǎn)溫度。針對(duì)第一種措施，鑒于電梯特種設(shè)備有較高規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，大部分不具備加熱功能，因此提高物體表面溫度的方法主要是在基坑側(cè)壁增加隔熱材料，提高與井道內(nèi)空氣接觸的外邊面溫度。第二種措施主要是通過加裝除濕機(jī)或者在基坑內(nèi)放置干燥劑去除空氣中的水分子，降低絕對(duì)濕度，降低露點(diǎn)溫度[1]；或者增加通風(fēng)強(qiáng)度，使室內(nèi)整體濕度降低，壁面結(jié)露面積也會(huì)相應(yīng)減小。

3.1 地鐵車站設(shè)計(jì)階段可采取的措施

在地鐵車站設(shè)計(jì)階段,需根據(jù)車站埋深考慮增強(qiáng)地鐵出入口通風(fēng)量，在電梯門上部增設(shè)通風(fēng)百葉，增強(qiáng)垂梯井道與站廳的空氣流動(dòng)；條件允許情況下,對(duì)通道長度超過6 m的無障礙通道加設(shè)中央空調(diào)風(fēng)機(jī)盤管或多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)(VRV)。

3.2 對(duì)地鐵車站已出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象建筑物的措施

1) 對(duì)于垂梯基坑已經(jīng)出現(xiàn)冷凝問題的地下空間，在頂部增加豎向排風(fēng)口，同時(shí)在頂部或者側(cè)墻位置增加機(jī)械排風(fēng)裝置。

2) 為提高基坑內(nèi)壁表面溫度，可在內(nèi)部表面涂刷隔潮劑或冷底子油，再增加一層擠塑板保溫材料，以此來達(dá)到隔絕熱交換的作用。

3) 上海部分地區(qū)率先采用了L型抗冷凝調(diào)整劑處理地下空間冷凝水。L型抗冷凝調(diào)整劑作為一種新型建筑冷凝水防治材料，通過提高表面熱阻，阻斷表面冷熱交換，從而阻止結(jié)露，其效果已在多個(gè)工程實(shí)例中驗(yàn)證，相關(guān)城市地鐵可以借鑒其經(jīng)驗(yàn)，選取合適車站進(jìn)行試點(diǎn)[6]。

4) 根據(jù)GB/T 10058—2009《電梯技術(shù)條件》[7]的相關(guān)要求，電梯運(yùn)行時(shí)的空氣相對(duì)潮濕度在最高溫度為40 ℃時(shí)不超過50%，在較低溫度下可以有較高的濕度；最濕月的月平均最低溫度不超過25 ℃，該月的平均最大濕度不超過90%。設(shè)備部門應(yīng)對(duì)比現(xiàn)場實(shí)際情況，在井道壁有結(jié)露現(xiàn)象但溫濕度符合標(biāo)準(zhǔn)情況下盡量保持電梯正常運(yùn)行，其運(yùn)行產(chǎn)生的活塞風(fēng)能夠一定程度上緩解潮濕現(xiàn)象。

5) 對(duì)于電梯轎廂頂部設(shè)備的防潮保護(hù)，可以在井道內(nèi)加裝除濕機(jī)，或者在轎廂頂部、配電柜內(nèi)放置干燥劑或除濕器去除空氣中的水分子，從而保護(hù)電氣元件不受潮短路。