地鐵站臺門漏風(fēng)量特性分析

何壘 王帥

中鐵二院華東勘察設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司

0 引言

截止2018 年底，中國大陸地區(qū)共有33 座城市開通地鐵，運(yùn)營里程4354.3 km，占城市軌道交通系統(tǒng)總里程的75.6%。地下鐵路余熱余濕和有害氣體需采取合理的通風(fēng)、空調(diào)等措施排至室外，但其運(yùn)營能耗已接近地鐵運(yùn)營總能耗的50%，且仍在持續(xù)上漲[1]。

地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算的準(zhǔn)確性關(guān)系著設(shè)備選型是否準(zhǔn)確及運(yùn)行能耗大小。但負(fù)荷計(jì)算中的站臺門漏風(fēng)負(fù)荷由于其不穩(wěn)定性一直采用估算方法，通常認(rèn)為站臺門開啟時(shí)由站臺流入隧道的漏風(fēng)量為8～10 m3/s[2]，此法計(jì)算負(fù)荷通常偏大，使得空調(diào)設(shè)備供冷過量。本文利用一維數(shù)值模擬軟件，基于實(shí)際地鐵工程簡化建立了五站六區(qū)間一維地鐵線路數(shù)值模型，旨在對停站時(shí)間、行車周期、軌行區(qū)排風(fēng)量影響下的站臺門漏風(fēng)量進(jìn)行研究。

1 模型的建立及參數(shù)設(shè)置

1.1 一維數(shù)值模型建立

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)島式地鐵站簡化建立了5 站6 區(qū)間一維地鐵線路數(shù)值模型，如圖1 所示。其中，地鐵站均為雙活塞風(fēng)井系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)島式地鐵站，并采用全封閉式站臺門系統(tǒng)，如圖2[3]。選取中間車站C 為研究對象。各單元構(gòu)件尺寸參數(shù)見表1。列車行車速度曲線見圖3。

圖1 一維地鐵線路網(wǎng)絡(luò)模型及地鐵站結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 地鐵站站臺門制式

圖3 列車行駛速度曲線

表1 標(biāo)準(zhǔn)島式地鐵站各構(gòu)件尺寸參數(shù)

1.2 模擬參數(shù)的設(shè)置

模擬中，車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)均關(guān)閉。結(jié)合實(shí)際地鐵運(yùn)行現(xiàn)狀，模型參數(shù)的設(shè)置如下：

1）停站時(shí)間：列車停站時(shí)間設(shè)置為20 s、30 s、40 s。

2）行車周期：地鐵列車運(yùn)行的行車周期設(shè)置為120 s、144 s、180 s，同時(shí)考慮地鐵運(yùn)營初期的最大行車周期360 s。

3）軌行區(qū)排熱風(fēng)量：行車周期為120 s 時(shí)，站臺每側(cè)軌行區(qū)的排熱風(fēng)量設(shè)置為30 m3/s、40 m3/s、50 m3/s；行車周期為144 s 時(shí)，站臺每側(cè)軌行區(qū)的排熱風(fēng)量設(shè)置為50 m3/s；行車周期為180 s 時(shí)，站臺每側(cè)軌行區(qū)的排熱風(fēng)量設(shè)置為40 m3/s；行車周期為360 s 時(shí)，站臺每側(cè)軌行區(qū)的排熱風(fēng)量設(shè)置為30 m3/s。同時(shí)，考慮軌行區(qū)排熱系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)，排熱風(fēng)量設(shè)置為0 m3/s。

此外，本文中一維數(shù)值模型的準(zhǔn)確性已經(jīng)在之前的研究中得到驗(yàn)證[3-4]。

2 結(jié)果與分析

本研究中，站臺門風(fēng)量以進(jìn)入地鐵站臺為正，以流出地鐵站臺為負(fù)。

2.1 停站時(shí)間的影響

從圖4 可以看出，不同停站時(shí)間情況下，各行車周期的上、下行線的站臺門風(fēng)量變化趨勢基本一致。由于列車進(jìn)出站時(shí)間的不同，站臺門風(fēng)量變化僅出現(xiàn)一定的時(shí)間延遲。

圖4 各行車周期下停站時(shí)間對站臺門風(fēng)量的影響

從圖5 可以看出，行車周期120 s、144 s、180 s、360 s 時(shí)，站臺門平均進(jìn)風(fēng)量、出風(fēng)量均隨著停站時(shí)間的增大而增大。行車周期120 s，站臺每側(cè)軌行區(qū)排風(fēng)量50 m3/s 時(shí)，停站時(shí)間由20 s 增至40 s，站臺門平均進(jìn)風(fēng)量由14.31 m3/s 增至18.87 m3/s，增加31.90%；站臺門平均出風(fēng)量由36.48 m3/s 增至40.22 m3/s，增加10.23%。行車周期144 s，站臺每側(cè)軌行區(qū)排風(fēng)量50 m3/s 時(shí)，停站時(shí)間由20 s 增至40 s，站臺門平均進(jìn)風(fēng)量由11.51 m3/s 增至16.16 m3/s，增加40.45%；站臺門平均出風(fēng)量由36.55 m3/s 增至40.78 m3/s，增加11.57%。行車周期180 s，站臺每側(cè)軌行區(qū)排風(fēng)量40 m3/s 時(shí)，停站時(shí)間由20 s 增至40s，站臺門平均進(jìn)風(fēng)量由10.50 m3/s 增至14.78 m3/s，增加40.74%；站臺門平均出風(fēng)量由31.61 m3/s 增至35.45 m3/s，增加12.13%。行車周期360 s，站臺每側(cè)軌行區(qū)排風(fēng)量30 m3/s 時(shí)，停站時(shí)間由20 s 增至40 s，站臺門平均進(jìn)風(fēng)量由5.25 m3/s 增至7.32 m3/s，增加39.30%；站臺門平均出風(fēng)量由21.02 m3/s 增至24.2 1m3/s，增加15.16%。

圖5 一天內(nèi)地鐵運(yùn)營時(shí)段的站臺門平均進(jìn)、出風(fēng)量

綜上所述，行車周期120 s、144 s、180 s、360 s 時(shí)，停站時(shí)間由20 s 增至40 s，站臺門平均進(jìn)風(fēng)量增加約31.39%～40.74%，站臺門平均出風(fēng)量增加約為10.23%～15.16%。

2.2 行車周期的影響

從圖6 可以看出，停站時(shí)間為30 s，軌行區(qū)排熱系統(tǒng)關(guān)閉，行車周期為120 s、144 s、180 s、360 s 時(shí)，站臺門平均進(jìn)風(fēng)量隨著行車周期的增大而減小，站臺門平均出風(fēng)量隨著行車周期的增大先增大后減小。行車周期從120 s 增至360 s，站臺門平均進(jìn)風(fēng)量由39.44 m3/s降至10.47 m3/s，下降73.46%；站臺門平均出風(fēng)量先由16.68 m3/s 增至18.77 m3/s，而后降至14.70 m3/s，最大差值占最小站臺門平均出風(fēng)量的27.71%。

圖6 一天內(nèi)地鐵運(yùn)營時(shí)段行車周期對站臺門平均進(jìn)、出風(fēng)量的影響

2.3 站臺軌行區(qū)排風(fēng)量的影響

從圖7 可以看出，行車周期120 s 的上、下行線的站臺門風(fēng)量變化規(guī)律受站臺軌行區(qū)排風(fēng)量的影響并不顯著，但是站臺門風(fēng)量有所變化。隨著軌行區(qū)排風(fēng)量的增加，站臺門風(fēng)量變化曲線向下移動(dòng)，即站臺門進(jìn)風(fēng)量下降，站臺門出風(fēng)量增加。停站時(shí)間20 s 情況下，站臺軌行區(qū)排風(fēng)量為30 m3/s、40 m3/s、50 m3/s 時(shí)，上行線和下行線站臺門進(jìn)風(fēng)量的最大值依次為45.25 m3/s、40.70 m3/s、35.66 m3/s 和61.43 m3/s、54.58 m3/s、47.30 m3/s；而上行線和下行線站臺門出風(fēng)量的最大值依次為48.45 m3/s、52.25 m3/s、57.77 m3/s 和52.88 m3/s、56.29 m3/s、59.50 m3/s。停站時(shí)間30 s 情況下，站臺軌行區(qū)排風(fēng)量為30 m3/s、40 m3/s、50 m3/s 時(shí)，上行線和下行線站臺門進(jìn)風(fēng)量的最大值依次為41.06 m3/s、36.48 m3/s、32.28 m3/s 和63.32 m3/s、58.26 m3/s、52.49 m3/s；而上行線和下行線站臺門出風(fēng)量的最大值依次為50.85 m3/s、54.59 m3/s、57.91 m3/s 和54.39 m3/s、57.87 m3/s、62.15 m3/s。停站時(shí)間40 s 情況下，站臺軌行區(qū)排風(fēng)量為30 m3/s、40 m3/s、50 m3/s 時(shí)，上行線和下行線站臺門進(jìn)風(fēng)量的最大值依次為37.71 m3/s、33.73 m3/s、30.57 m3/s 和64.71 m3/s、62.04 m3/s、58.87 m3/s；而上行線和下行線站臺門出風(fēng)量的最大值依次為51.95 m3/s、55.60 m3/s、58.94 m3/s 和58.40 m3/s、62.78 m3/s、66.93 m3/s。

圖7 行車周期120 s，軌行區(qū)排風(fēng)量對站臺門風(fēng)量的影響

從圖8 可以看出，在行車周期120 s 時(shí)，站臺門平均進(jìn)風(fēng)量均隨著站臺軌行區(qū)排風(fēng)量的的增大而減小；而站臺門平均出風(fēng)量均隨著站臺軌行區(qū)排風(fēng)量的的增大而增加。對于站臺門平均進(jìn)風(fēng)量，停站時(shí)間20 s時(shí)，站臺軌行區(qū)排風(fēng)量由30 m3/s 增至50 m3/s，站臺門平均進(jìn)風(fēng)量由21.70 m3/s 降至14.31 m3/s，下降34.07%；停站時(shí)間30 s 時(shí)，站臺軌行區(qū)排風(fēng)量由30 m3/s 增至50 m3/s，站臺門平均進(jìn)風(fēng)量由24.82 m3/s 降至16.95 m3/s，下降31.71%；停站時(shí)間40 s 時(shí)，站臺軌行區(qū)排風(fēng)量由30 m3/s 增至50 m3/s，站臺門平均進(jìn)風(fēng)量由27.14 m3/s 降至18.87 m3/s，下降30.46%。對于站臺門平均出風(fēng)量，停站時(shí)間20 s 時(shí)，站臺軌行區(qū)排風(fēng)量由30 m3/s 增至50 m3/s，站臺門平均出風(fēng)量由27.13 m3/s 增至36.48 m3/s，增加34.46%；停站時(shí)間30 s 時(shí)，站臺軌行區(qū)排風(fēng)量由30 m3/s 增至50 m3/s，站臺門平均出風(fēng)量由29.06 m3/s 增至38.88 m3/s，增加33.78%；停站時(shí)間40s 時(shí)，站臺軌行區(qū)排風(fēng)量由30 m3/s 增至50 m3/s，站臺門平均出風(fēng)量由30.22 m3/s 增至40.22 m3/s，增加33.10%。

圖8 一天內(nèi)地鐵運(yùn)營時(shí)段的站臺門平均進(jìn)、出風(fēng)量

綜上所述，站臺每側(cè)軌行區(qū)排風(fēng)量由30 m3/s 增至50 m3/s，站臺門平均進(jìn)風(fēng)量下降約為30.46%～34.07%；站臺門平均出風(fēng)量增加約為33.10%～34.46%。

3 結(jié)論

本課題利用一維數(shù)值模擬軟件，簡化建立了一維地鐵線路數(shù)值模型，對停站時(shí)間、軌行區(qū)排風(fēng)量影響下的站臺門漏風(fēng)量進(jìn)行研究分析。研究結(jié)果表明：

1）行車周期120 s，站臺每側(cè)軌行區(qū)排風(fēng)量50 m3/s，停站時(shí)間20 s～40 s 時(shí)，站臺門平均進(jìn)風(fēng)量處于14.31 m3/s～18.87 m3/s；站臺門平均出風(fēng)量為36.48 m3/s～40.22 m3/s。行車周期144 s，站臺每側(cè)軌行區(qū)排風(fēng)量50 m3/s，停站時(shí)間20 s～40 s 時(shí)，站臺門平均進(jìn)風(fēng)量處于11.51 m3/s～16.16 m3/s；站臺門平均出風(fēng)量為36.55 m3/s～40.78 m3/s。行車周期180 s，站臺每側(cè)軌行區(qū)排風(fēng)量40 m3/s，停站時(shí)間20 s～40 s 時(shí)，站臺門平均進(jìn)風(fēng)量處于10.50 m3/s～14.78 m3/s；站臺門平均出風(fēng)量為31.61 m3/s～35.45 m3/s。行車周期360 s，站臺每側(cè)軌行區(qū)排風(fēng)量30 m3/s，停站時(shí)間20 s～40 s 時(shí)，站臺門平均進(jìn)風(fēng)量處于5.25 m3/s～7.32 m3/s；站臺門平均出風(fēng)量為21.02 m3/s～24.21m3/s。

2）行車周期120 s、144 s、180 s、360 s 時(shí)，停站時(shí)間由20s 增至40 s，站臺門平均進(jìn)風(fēng)量增加約31.39%～40.74%，站臺門平均出風(fēng)量增加約為10.23%～15.16%。

3）停站時(shí)間為30 s，軌行區(qū)排熱系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)，行車周期從120 s 增至360 s，站臺門平均進(jìn)風(fēng)量由39.44 m3/s 降至10.47 m3/s，下降73.46%；站臺門平均出風(fēng)量先由16.68 m3/s 增至18.77 m3/s，而后降至14.70 m3/s，最大差值占最小站臺門平均出風(fēng)量的27.71%。

4）行車周期120 s 時(shí)，站臺每側(cè)軌行區(qū)排風(fēng)量由30 m3/s 增至50 m3/s，站臺門平均進(jìn)風(fēng)量下降約為30.46%～34.07%；站臺門平均出風(fēng)量增加約為33.10%～34.46%。