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山地城市轨道交通隧道通风系统设计

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摘要:通过对重庆市轨道交通环线隧道通风系统的设计研究,结合山地城市地形地域的特征,综合分析轨道交通制式区间隧道通风系统的设计重难点。针对深埋地下车站隧道风机房布置、大断面暗挖区间通风量计算、地面及高架车站与隧道区间结合部位处理、隧道通风及烟控模式等问题进行梳理,归纳总结了山地城市轨道交通区间隧道通风系统的优化方案。

关键词:山地城市;城市轨道交通;隧道通风;控制模式

引言

山地城市是指分布在山地、丘陵和崎岖不平的高原等地形地域的城市,其城市形态、生态环境、气候特征与平原城市不同。我国在建和已建轨道交通的山地城市有重庆、贵阳、南宁、乌鲁木齐,其中“山城、雾都”重庆的建设规模最大,截至2017年底,重庆市轨道交通运营线路总里程为264.3km,除已开通的2号、3号线为单轨系统,其余1号、5号、6号、10号线及后续在建线路均为地铁系统。重庆市轨道交通环线工程(后文简称“环线”)全长50.8km,共设28座地下车站、3座高架车站、2座地面车站,其中地下段长度约45.8km,车站及区间轨面埋深为-25~-80m不等,采用6节编组As型车辆。全线由江河天堑(2次跨越长江,1次跨越嘉陵江)、高架区间、地面线区间、既有预留工程分隔为4段地下隧道。本文将结合环线地下车站及区间隧道特点,分析深埋车站隧道风机房布置、大断面暗挖区间通风量计算、区间隧道与车站结合处的风机设置、区间通风及烟控模式等问题。

1深埋暗挖车站隧道风机房布置

与常规浅埋式明挖车站不同,山地城市轨道交通地下车站及区间多采用暗挖法施工,具有埋深大、空间高、风道长的特点。以环线某典型暗挖车站隧道风机房为例(图1),车站轨面埋深约-35m。隧道通风采用双活塞风井方案[1],为减小暗挖风道的拱形断面尺寸,车站两端隧道风机(TVF)风机房上、下层布置分别对应上、下行线区间隧道,通过中板的转换风阀实现风机的互为备用。对于设有存车线、联络线、单渡线、折返线等配线的车站,车站隧道风机房及地面风井应靠近区间侧设置(即配线与正线段之间)[3],以避免上、下行线连通处的气流短路。当配线长度较长时,应设置轨顶土建风道横向排烟。

2大断面暗挖区间通风量计算

根据《地铁设计规范》(GB50157-2013)第28.4.12条、第28.4.15条规定:“区间隧道火灾的排烟量,应按单洞区间隧道断面的排烟流速不小于2m/s且高于计算的临界风速计算,但排烟流速不得大于11m/s”;“列车阻塞在区间隧道时的送排风量,应按区间隧道断面风速不小于2m/s计算,并应按控制列车顶部最不利点的隧道温度低于45℃校核确定,但风速不得大于11m/s”。目前国内大部分城市的隧道风机采用风量60~70m3/s的可逆转轴流风机,经数值模拟计算及运营隧道实际测试,事故时开启前后车站的隧道风机进行纵向通风,区间风速可达到2.0~3.0m/s,且能够满足防止烟气回流的临界风速要求[4]。本工程带配线地下车站的配线区段、单洞双线(设中隔墙)区段,当采用明挖、暗挖、TBM盾构等不同工法时,隧道结构净面积在30~160m2不等(表1)。设计时通过压缩暗挖隧道面积、设置中隔墙等措施,单洞单线隧道净通风面积可缩小至40m2以下,但若选用常规风量风机,仍难以保证区间风速。本文采用SES地铁环境模拟计算软件进行数值分析,通过调整风机计算风量、启动台数(并联送、排风)等措施,确定隧道风机选型风量为77~83m3/s。而针对正线区间局部单洞双线、出入场线四线大断面等复杂断面情况,增加射流风机(壁龛侧装),可满足事故工况下事故列车在线路最不利坡度的风速要求。同时为保证数值模型的准确性,对于带联络线的区段,应纳入相邻线路区间模型(图2),正常运行及事故工况时需考虑其产生的活塞风对本线隧道内气流的影响。

3地面车站及洞口高架车站隧道通风

由于线路纵向爬坡及山地城市地形因素,部分车站采用地面形式,即站厅地面一层、站台地下一层,且站台中心里程距离洞口仅200m,当启动TVF风机时,靠近洞口的区间隧道阻力小、气流量大,隧道内阻力不平衡造成另一侧区段风量偏小。为解决气流短路的问题,可在TVF风机出口段设置喷嘴(图3),通过提高送风气流流速,形成射流送风,喷嘴的出口风速≯7m/s,以避免造成过大的阻力损失。同时为保证地下区间及站台公共区的温度环境,仍需设置活塞通风及轨顶排热系统,但可酌情考虑单活塞风井的方案[5],以减少地面车站与周边规划用地协调问题。同时由于线站位的设置,个别高架车站与区间隧道洞口距离仅数十米甚至于紧贴洞口,正常运行时的活塞风废气、火灾工况下列车烟气将直冲站台,给候车乘客造成二次危害。故需在洞口设置机械/活塞风机房,对区间活塞风进行泄压,并在事故工况时启动TVF风机,将区间的烟气间接排出地面(图4)。

4区间隧道通风及烟控模式

城市轨道交通隧道区间通风主要分为日间运营、夜间停运、阻塞工况、火灾工况等情况,具体运行模式如下。(1)日间正常运营时,借助于列车活塞风对区间进行通风换气[6]。车站排热风机随列车空调的开启而季节性启动,并根据区间温度、CO2浓度、室外干球温度和列车行车对数进行变频调节。同时根据室内外温、湿度情况,充分利用山地深层土壤“冬季蓄热、夏季蓄冷”的特性,间歇通风以达到节能运行,并保证地下区间的空气新鲜度。(2)夜间列车停运时,为保证运营检修人员的工作环境,区间隧道风保持开启状态(车站活塞风阀开启),车轨区排热系统可关闭。可根据实际需求对检修区段上、下行线隧道分别进行单向送风、单向排风、并联送风、并联排风及隔站送排风等模式控制。(3)当列车阻塞在区间内,根据中控室指令进入阻塞通风模式,分为单点阻塞及多点阻塞(多列车在不同区段连续阻塞,通常发生在高峰时段),启动相应区段风机设备,向阻塞区段提供新风,并保证该区段最高温度不超过45℃。(4)当列车停在正线区间隧道发生火灾,应根据中控室指令确定乘客疏散方向后启动相关排烟控烟模式,控制烟流方向与乘客疏散方向相反,并应能防止烟气逆流和进入相邻车站、区间[2,7]。当列车在车站配线区发生火灾,开启火灾侧TVF风机、OTE风机及与之相连的配线排烟风道和火灾侧轨顶排热风道。考虑到深埋车站自然补风阻力较大,需开启公共区送风系统对站厅机械补风。

5联络线区间的防排烟设计

本线为环线工程,分别与城市轨道交通4号、5号、10号线设有联络线,长度50~200m不等,且通常为两线换乘节点车站(L型、平行换乘等),设计界面划分由后建线路负责联络线区段的土建、机电系统设计。如前文所述,相邻线路区间活塞风对本线隧道内气流存在扰动,尤其当正、负压力叠加时,故隧道通风计算时应予以考虑。此外,当联络线连接的隧道区间发生火灾事故时,为避免烟气窜向相邻线路,应开启联络线射流风机(若有)反向通风、抵御烟气,或通过控制中心OCC联动联络线相邻车站的隧道风机,使正常运行的区间保持正压状态,也可确保事故隧道的排烟效果。

6结论

(1)由于山地地势、线站位选址的关系,山地城市地铁区间多由地下段、地面段、高架段等组成,隧道通风系统“天然”地被分隔为多段不连续区间,有利于隧道内余热、余湿及废气的排放。(2)山地城市暗挖地下车站具有埋深大(-30~-60m)、风道长(50~100m)的特点,隧道风机房采用上下叠放的布置形式,可有效利用暗挖结构断面空间高度,节约土建工程投资。(3)靠近区间隧道洞口的地面车站,为避免洞口气流短路对隧道通风效果的影响,可在TVF风机出口增加喷嘴装置,以利于事故工况下的送风气流组织。(4)靠近区间隧道洞口的地面车站,为避免区间烟气对车站的影响,应在高架车站设置机械/活塞风道及风机房,正常运营时对活塞风泄压,事故工况时排除隧道烟气。(5)在车站级增加区间隧道单向送风、单向排风、并联送风、并联排风等模式,灵活控制隧道通风及车站排热系统,并根据实际情况间歇开启排热风机机械通风。在节约能源的同时,满足日常运营、事故状态、调试检修等情况下区间隧道环境的空气质量要求。

作者:张文斌 单位:上海市隧道工程轨道交通设计研究院

山地城市轨道交通隧道通风系统设计责任编辑:张雨    阅读:人次
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