地鐵區(qū)間隧道檢修通風(fēng)方案與控制研究

陳 鋮

（徐州地鐵集團(tuán)有限公司，江蘇 徐州 221000）

0 引言

地鐵已成為許多人優(yōu)先選擇的交通方式。為了保證地鐵持續(xù)、安全和高效地運(yùn)行，地鐵工作人員須經(jīng)常進(jìn)行區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)、軌道和設(shè)備的巡查、檢修與維護(hù)作業(yè)，但當(dāng)每日天窗期檢修時，檢修位置不固定，存在區(qū)間單點(diǎn)或多點(diǎn)同時需要檢修的情況，工況具有隨機(jī)性。地鐵區(qū)間隧道屬于地下空間，夜間天窗期無活塞效應(yīng)，空氣基本不流動，檢修人員易產(chǎn)生悶熱感，舒適度欠佳。在目前的地鐵隧道通風(fēng)設(shè)計中，也未考慮到當(dāng)?shù)罔F工作人員進(jìn)行區(qū)間隧道檢修時的通風(fēng)工況。

根據(jù)調(diào)研，馮赟杰等人[1]研究了地鐵隧道盾構(gòu)施工通風(fēng)。殷展博[2]研究了地鐵PBA 暗挖車站施工通風(fēng)設(shè)計。張超[3]研究了盾構(gòu)施工抽出式通風(fēng)方法。這些研究均基于施工通風(fēng)，與當(dāng)檢修時的隧道內(nèi)環(huán)境存在差異，也未檢索到相關(guān)的規(guī)范條文。為了滿足檢修需求，指導(dǎo)后續(xù)線路檢修通風(fēng)工況設(shè)計，填補(bǔ)檢修通風(fēng)領(lǐng)域空白，該文借助地鐵環(huán)境模擬計算機(jī)程序（以下簡稱SES）對某地鐵工程區(qū)間隧道檢修通風(fēng)進(jìn)行模擬研究。

1 工況概況

以某地鐵線路為例，該工程線路長29.25km，全地下線，設(shè)站19 座，平均站間距1.6km。采用B 型車6 輛編組，列車最高時速80km/h。隧道施工工法包括盾構(gòu)法和明挖法，其中區(qū)間隧道主要采用內(nèi)徑為5.4m 的盾構(gòu)隧道。

2 地鐵線路隧道通風(fēng)方案

2.1 隧道通風(fēng)方案

隧道通風(fēng)系統(tǒng)按全高封閉式站臺門進(jìn)行設(shè)計，采用分段縱向通風(fēng)系統(tǒng)。區(qū)間隧道采用雙活塞模式，車站隧道設(shè)排熱系統(tǒng)。典型區(qū)間隧道模擬計算節(jié)點(diǎn)如圖1 所示。

圖1 典型區(qū)間隧道模擬計算節(jié)點(diǎn)圖

2.2 設(shè)備配置

該工程車站排熱風(fēng)機(jī)（TEF）按50 m3/s 進(jìn)行配置，區(qū)間隧道風(fēng)機(jī)（TVF）風(fēng)量按60 m3/s 進(jìn)行配置。

3 通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)的確定

3.1 維護(hù)檢修特點(diǎn)

地鐵區(qū)間隧道檢修與維護(hù)一般包括焊接和打磨等工種，易產(chǎn)生少量的煙塵以及臭氧、一氧化碳和氮氧化物等有害氣體[4-5]。每個維護(hù)檢修點(diǎn)通常為3 人～5 人同時作業(yè)，檢修工況人員數(shù)量少。由于可能存在單點(diǎn)或多點(diǎn)同時需要檢修的情況，檢修位置具有隨機(jī)性。

3.2 維護(hù)檢修人員需求

調(diào)研地鐵運(yùn)營公司檢修人員需求，得到工務(wù)作業(yè)人員反饋如下：要求有吹風(fēng)感，以緩解悶熱。根據(jù)風(fēng)力等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，能使人面有吹風(fēng)感的風(fēng)速為1.6m/s～3.3m/s 的輕風(fēng)[6]，如果隧道內(nèi)能夠產(chǎn)生相應(yīng)的斷面風(fēng)速，那么在理論上能夠滿足檢修人員的通風(fēng)需求。

3.3 制定通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)

《鐵路隧道施工規(guī)范》（TB 10204—2002）和《鐵路隧道工程施工安全技術(shù)規(guī)程》（TB 10304—2020）[7]中的相關(guān)條文為工程建設(shè)期的施工通風(fēng)要求，建設(shè)期隧道內(nèi)粉塵和有害氣體等濃度高[8]，溫度和濕度高[9]，通風(fēng)環(huán)境與天窗期的隧道環(huán)境有較大區(qū)別；《地鐵設(shè)計規(guī)范》（GB 50157—2013）主要針對運(yùn)營期隧道內(nèi)乘客的新風(fēng)量要求，乘客數(shù)量大，乘車時間短，與天窗期檢修環(huán)境有明顯不同，因此上述規(guī)范無法指導(dǎo)區(qū)間隧道檢修通風(fēng)設(shè)計。

綜上所述，通風(fēng)設(shè)備應(yīng)在隧道內(nèi)形成1.6m/s～3.3m/s 的斷面風(fēng)速，為了盡量減少運(yùn)行能耗，風(fēng)速按1.6m/s 控制。模擬計算建議考慮1.2 富裕系數(shù)，即按照不小于1.92m/s 的風(fēng)速來控制。

4 通風(fēng)方案研究

4.1 通風(fēng)方案

區(qū)間隧道檢修通風(fēng)考慮采用分段縱向通風(fēng)方式。

鑒于地鐵區(qū)間隧道夜間檢修工況具有隨機(jī)性，加上地鐵全線車站和區(qū)間隧道較多，為了避免全線檢修通風(fēng)控制模式過多，控制過于復(fù)雜，考慮盡可能將多個區(qū)間組合為一個通風(fēng)區(qū)段，同一通風(fēng)區(qū)段采用同一通風(fēng)模式，由中控室統(tǒng)一控制。

4.2 適用長度影響因素分析

通風(fēng)區(qū)段越長，全線控制模式越少、越簡潔，但由于通風(fēng)區(qū)段內(nèi)含有車站站臺，站臺門的漏風(fēng)導(dǎo)致通風(fēng)區(qū)段無法成為封閉的獨(dú)立隧道，因此隨著通風(fēng)區(qū)段長度增加，其風(fēng)量損失越大。站臺門漏風(fēng)縫大致分為站臺門頂部安裝縫隙、滑動門頂部和底部縫隙、應(yīng)急站臺門縫隙，對6B 型車，經(jīng)計算單條線路漏風(fēng)面積為3 m2，整個站臺的漏風(fēng)面積為6 m2。同一通風(fēng)區(qū)段車站站臺數(shù)量越多，漏風(fēng)面積越大，直接影響檢修通風(fēng)效果，在該模擬計算確定適用長度過程中主要考慮車站站臺門漏風(fēng)的不利影響。

4.3 通風(fēng)區(qū)段的確定

4.3.1 控制模式

為了保證檢修區(qū)段盡可能長且能滿足斷面風(fēng)速要求，考慮充分利用現(xiàn)有隧道通風(fēng)設(shè)備，例如每個通風(fēng)區(qū)段開啟首末站全部的TVF 風(fēng)機(jī)，其中首站4 臺TVF 風(fēng)機(jī)送風(fēng)，末站4臺TVF 風(fēng)機(jī)排風(fēng)，其余風(fēng)機(jī)和對應(yīng)風(fēng)閥關(guān)閉，即4 送4 排通風(fēng)模式。

鑒于維護(hù)檢修特點(diǎn)，可能存在單線和雙線同時檢修的工況，可以將送排風(fēng)模式分為以下兩種：單線4 送4 排和雙線4 送4 排。以6 站作為一個通風(fēng)區(qū)段為例，單線4 送4 排工況以右線為例，首末站的TVF 風(fēng)機(jī)僅對右線進(jìn)行送排風(fēng)。雙線4 送4 排模式首末站的TVF 風(fēng)機(jī)分別對左右線進(jìn)行送排風(fēng)。模擬結(jié)果如圖2 所示，計算考慮車站屏蔽門漏風(fēng)影響。

圖2 控制模式確定模擬計算結(jié)果（風(fēng)速單位：m/s）

由圖2 可以看出，對單線4 送4 排的模式，右線最小斷面風(fēng)速為2.11m/s，滿足設(shè)計要求；左線最小斷面風(fēng)速僅為0.61m/s。對雙線4 送4 排的模式，左、右線的最小斷面風(fēng)速分別為2.39m/s 和2.36m/s，均大于1.92m/s，滿足設(shè)計要求。兩種控制模式均能滿足各自條件下的斷面風(fēng)速要求，但僅針對單線送排風(fēng)，區(qū)段兩端斷面風(fēng)速較大，中部斷面風(fēng)速偏低，通風(fēng)效果較差。主要原因是地鐵線路存在多種配線，配線導(dǎo)致左、右線連通，當(dāng)對單一隧道通風(fēng)時，配線的連通處導(dǎo)致氣流分流，無法有效控制連續(xù)多個區(qū)間斷面風(fēng)速。

鑒于雙線4 送4 排模式能同時滿足左線和右線單獨(dú)檢修的要求，且最小斷面風(fēng)速大于單線4 送4 排的最小斷面風(fēng)速，通風(fēng)效果更佳，無論是單線還是雙線檢修均推薦采用雙線4送4 排的控制模式，既滿足斷面風(fēng)速要求，又可以使控制模式盡量簡潔。

4.3.2 通風(fēng)區(qū)段劃分

地下至地上的出入場、出入段線由于存在隧道洞口，對隧道分段縱向通風(fēng)效果影響較大，因此關(guān)于通風(fēng)區(qū)段的劃分首先以出入場和段線為界。該線由于車站2 大里程端設(shè)有出入場線，因此考慮起點(diǎn)車站1～車站2 為一個通風(fēng)區(qū)段，開啟車站1 的所有TVF 分別對左、右線送風(fēng)，開啟車站2 的所有TVF 分別對左、右線排風(fēng)，車站1 和車站2 的TEF 均關(guān)閉，兩站TVF 風(fēng)量均為60m3/s。模擬計算結(jié)果，可以看出采用4 送4 排的通風(fēng)模公式（左、右線均開啟2 臺TVF 分別對左、右線送排風(fēng)）能夠保證通風(fēng)區(qū)段1 達(dá)到2.36m/s 的斷面風(fēng)速，滿足設(shè)計要求。

為了簡化全線檢修通風(fēng)控制模式，基于上述雙線4 送4排的控制模式，初步考慮8 站、7 站和6 站等3 種劃分方案，通風(fēng)方案仍為4 送4 排。例如8 站的劃分方案，即當(dāng)車站3～車站10 左、右線同時須檢修時，考慮開啟車站3 的所有TVF 分別對左、右線送風(fēng)，開啟車站10 的所有TVF 分別對左、右線排風(fēng)，兩站TVF 風(fēng)量均為60m3/s，車站3～車站10的所有TEF 均關(guān)閉，車站4～車站9 的活塞風(fēng)閥均關(guān)閉。模擬結(jié)果如圖3 所示。

從圖3 可以看出7 站和8 站的區(qū)段劃分方式，由于通風(fēng)區(qū)段長度長、沿程阻力大、屏蔽門漏風(fēng)量大，導(dǎo)致該區(qū)段內(nèi)最小斷面風(fēng)速分別為1.70m/s 和1.81m/s，低于1.92m/s，不滿足設(shè)計要求，因此對不含出入場和段線的區(qū)間，建議最多考慮將6 站劃分為同一通風(fēng)區(qū)段。

同理，將車站9～車站14 納入通風(fēng)區(qū)段3，采用4 送4排的通風(fēng)模式，通風(fēng)區(qū)段3 最小斷面風(fēng)速為2.47m/s，滿足設(shè)計要求，模擬計算結(jié)果如圖4 所示。

4.3.3 多通風(fēng)區(qū)段相互影響的研究

由于檢修通風(fēng)工況具有隨機(jī)性，可能出現(xiàn)多個通風(fēng)區(qū)段同時需要檢修的情況，以下分別對不相鄰?fù)L(fēng)區(qū)段、相鄰?fù)L(fēng)區(qū)段同時動作工況進(jìn)行驗(yàn)算。

4.3.3.1 不相鄰?fù)L(fēng)區(qū)段

對不相鄰的通風(fēng)區(qū)段1 和3，如果需要同時檢修通風(fēng)，考慮分別啟動各自通風(fēng)檢修模式，其余通風(fēng)區(qū)段設(shè)備不動作，模擬結(jié)果如圖5 所示。

將圖3、圖4 和圖5 進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)2 個不相鄰?fù)L(fēng)區(qū)段（相隔6 站）一起動作時，隧道區(qū)間斷面風(fēng)速相差不大且均大于1.92m/s，兩個模式同時開啟對兩者斷面風(fēng)速基本沒有影響。

圖3 檢修通風(fēng)區(qū)段長度確定模擬計算結(jié)果（風(fēng)速單位：m/s）

圖4 檢修通風(fēng)區(qū)段3 模擬計算結(jié)果（風(fēng)速單位：m/s）

圖5 2.95 不相鄰?fù)L(fēng)區(qū)段1、3 同時開啟模擬計算結(jié)果（風(fēng)速單位：m/s）

4.3.3.2 相鄰?fù)L(fēng)區(qū)段

同理，模擬計算得到如下結(jié)果：通風(fēng)區(qū)段1、2 同時動作，區(qū)段1 斷面風(fēng)速為2.08m/s，區(qū)段2 中最小斷面風(fēng)速為2.32m/s（車站4 區(qū)間～5 區(qū)間）；通風(fēng)區(qū)段2、3 同時動作，區(qū)段2 中最小斷面風(fēng)速為2.09m/s（車站5 區(qū)間～6 區(qū)間），區(qū)段3 中最小斷面風(fēng)速為2.23m/s（車站10 區(qū)間～11 區(qū)間）；通風(fēng)區(qū)段1、2、3 同時動作，區(qū)段1 斷面風(fēng)速為2.08m/s，區(qū)段2中最小斷面風(fēng)速為2.06m/s（車站5 區(qū)間～6 區(qū)間），區(qū)段3 中最小斷面風(fēng)速為2.22m/s（車站10 區(qū)間～11 區(qū)間），如圖6 所示。

圖6 通風(fēng)區(qū)段1、2、3 同時動作模擬計算結(jié)果（風(fēng)速單位：m/s）

根據(jù)比較發(fā)現(xiàn)，加開相鄰?fù)L(fēng)區(qū)段的設(shè)備后，原通風(fēng)區(qū)段兩端區(qū)間風(fēng)速有不同程度的增大，區(qū)段中部區(qū)間的風(fēng)速有不同程度的衰減。加開相鄰?fù)L(fēng)區(qū)段后，原通風(fēng)區(qū)段最小斷面風(fēng)速有衰減，但加開后各個通風(fēng)區(qū)段的斷面風(fēng)速均大于1.92m/s，滿足設(shè)計要求。對相鄰?fù)L(fēng)區(qū)段的加開，雖然對原通風(fēng)區(qū)段的通風(fēng)效果有不同程度的影響，但是加開后各個通風(fēng)區(qū)段的斷面風(fēng)速仍能滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)論

該文通過研究地鐵區(qū)間隧道檢修通風(fēng)方案與控制，得到結(jié)論如下：1）為了滿足地鐵檢修人員新風(fēng)量以及心理需求，建議當(dāng)采用縱向通風(fēng)方式時，將斷面風(fēng)速控制在≥1.6m/s。2）在劃分檢修通風(fēng)區(qū)段時，建議將設(shè)有出入場、段線的車站以及相鄰的一個車站、區(qū)間單獨(dú)劃分為一個通風(fēng)區(qū)段，其余車站可按不超過6 站的原則來劃分通風(fēng)區(qū)段，每個通風(fēng)區(qū)段首站小里程端的區(qū)間建議納入該通風(fēng)區(qū)段。建議將該工程劃分為5 個通風(fēng)區(qū)段。3）每個通風(fēng)區(qū)段均可采取4 送4 排的通風(fēng)模式，即開啟該通風(fēng)區(qū)段首站的4 臺TVF 分別對左、右線送風(fēng)，開啟該通風(fēng)區(qū)段末站的4 臺TVF 分別對左、右線排風(fēng)，該區(qū)段的所有車站TEF 均關(guān)閉，中間車站的TVF 和活塞風(fēng)閥均關(guān)閉。4）當(dāng)多個通風(fēng)區(qū)段須同時通風(fēng)時，可直接同時開啟各個區(qū)段檢修通風(fēng)模式。5）以上通風(fēng)區(qū)段的劃分及控制模式的確定適用于5.4m 盾構(gòu)內(nèi)徑和6B 車型的地下線路，個別特殊配線區(qū)間的檢修通風(fēng)模式建議結(jié)合設(shè)備配置及模擬計算確定。