郑州地铁17号线长大区间隧道中间风井通风方案研究

张　雄

(中铁四院集团西南勘察设计有限公司， 云南 昆明　650220)

0　引言

国内部分城市地铁工程有长大区间隧道，此类区间行车密度大，区间较长，存在多辆列车同时运行的可能。一旦区间内发生火灾等事故，通风下游侧的非事故列车将会受到影响[1]。目前业内普遍采用设置中间风井等方式将长大区间分成多个通风区段，保证每个通风区段内不会出现列车同向追踪运行的情况[2]。郝世杰[3]结合青岛地铁1号线，通过风井和集中排烟口将瓦屋庄站—贵州路站区间分成5个通风区段。 夏继豪[4]通过SES与FDS软件计算研究了某地铁跨海超长区间隧道通风排烟方案，采取在岸边设置中间风井和海域中部设置集中排烟口的形式，将跨海区间分成4个通风区段。张之启[5]基于南京地铁过江隧道，研究得到对于同时存在多列车同向运行的长大区间隧道，当区间隧道采用大洞方案时，设置顶部风道、风口来组织隧道内的通风排烟； 当区间隧道采用小洞方案时，在区间隧道上设置中间风井，利用中间风井进行通风排烟。

对于部分地铁工程，由于正常运营时中间风井活塞通风作用对地铁环境优化效果不明显，因此相关学者对中间风井活塞风功能的必要性提出了质疑。何剑锋[6]通过SES软件计算分析了不同风井设置方案下，成都7号线琉璃场站与科华路站区间隧道内的温度分布与空气流量，认为可取消中间风井的活塞通风作用； 林放等[7]基于成都某地铁线路，以温度为评价指标，从地铁环控通风系统的节能角度认为取消中间风井活塞通风作用利大于弊。为了保证事故工况时的通风要求，部分地铁工程对中间风井进行了改进，采用取消活塞风功能、保留机械通风功能的通风方案。孙勋考[8]通过计算，得到某跨海中间风井不设置活塞通风功能时，区间内温度和新风量也可满足规范要求，因此中间风井只设机械通风功能； González等[9]基于典型区间和车站，通过Fluent软件计算得到区间中部机械通风能够有利于运行列车产生活塞效应。

以往关于中间风井通风方案的研究主要集中在取消活塞风功能方面，但基本只针对非长大地铁区间隧道，且主要通过分析隧道环境来进行研究，并未依据隧道环境与工程经济性等指标对地铁长大区间隧道中间风井的通风方案进行综合分析。本文采用SES软件计算，对郑州地铁17号线长大区间隧道(机场站—新港八路站)中间风井通风方案进行研究。

1　工程概况

1.1　区间概况

郑州地铁17号线长大区间隧道(机场站—新港八路站)长度约为6.7 km，主体为双洞单线盾构隧道。结合车辆追踪能力，设置2座中间风井，与小里程端车站的中心距离分别为2 322、4 572 m。工程概况如图1所示。

图1　工程概况图(单位： m)

1.2　通风方案

中间风井与车站隧道风机风量为60 m3/s，车站排热风机风量为35 m3/s。根据中间风井保留与取消活塞风功能，即根据活塞风道数量的不同情况，将通风方案分为取消活塞风功能(仅保留机械通风功能)、单活塞通风模式和双活塞通风模式，分别简称为方案A、B、C。图2示出不同中间风井通风方案原理，考虑到新风换气效果，设置方案B为保留中间风井1左线与中间风井2右线的活塞风功能[10]。

(a) 方案A (b) 方案B(c) 方案C

图2通风方案原理图

Fig. 2Sketch of ventilation schemes

2　计算模型与条件

2.1　计算模型

本文主要采用SES软件对正常运行工况下该区间隧道的新风量、温度和牵引能耗进行计算。根据线路、隧道、车辆和行车等多个专业提供的资料，对全线地铁线路进行建模，包括该长大区间隧道在内的2站1区间节点，如图3所示。

图中编号代表区间或风井段。

图3计算节点图

Fig. 3Sketch of calculation nodes

2.2　计算条件

隧道夏季通风计算干球温度为26.5 ℃，地层恒温层温度为17 ℃。依据地质专业提供的资料，计算得到土壤平均导热系数为1.67 W/(m·K)，平均热扩散率为2×10-3m2/h； 混凝土导热系数为1.3 W/(m·K)，热扩散率为2.3×10-3m2/h。

采用B型车6辆编组，最高运行速度为100 km/h。初、近、远期高峰小时行车对数为15、24、27对/h。列车采用架空接触网供电，电压为DC 1 500 V。车站隧道仅设置轨顶排热风道[11]。

3　计算结果及分析

3.1　隧道环境

3.1.1新风量

地铁运营一般采用等时距发车，因此隧道内的风量分布基本呈周期变化。计算得到正常运行工况下远期高峰小时右线平均风量分布如图4所示。A方案区间隧道风向与车行方向相同，外界新风只能通过机场站的活塞风道抽吸进入该区间隧道，隧道内平均新风量仅为(21.9+58.7) m3/s=80.6 m3/s。保留活塞风功能的风井兼顾自然进、排风功能，因此随着活塞风道数量的增加，通过中间风井抽吸进入隧道的新风量显著增加，B、C方案隧道内平均新风量分别增大至97.4、128 m3/s。

(a) 方案A

(b) 方案B

(c) 方案C

图中“+”、“-”分别表示排风和进风。

图4远期高峰小时右线平均风量分布

Fig. 4Average air volume distribution at right route in long-term peak hours

图5示出正常运行工况下高峰小时该区间隧道新风换气次数。中间风井取消活塞风功能时，新风只能通过机场站的活塞风道进入该区间隧道，计算得到A方案新风换气次数小于2 次/h，不满足《城市轨道交通工程项目建设标准》[12]中所规定的换气次数不得小于3 次/h的要求。随着活塞风道数量的增加，中间风井换气能力增强，B方案新风换气次数增大至2～3 次/h； C方案新风换气次数最大，除行车对数为15对/h且排热风机关闭时换气次数略低于3 次/h外，其他工况下换气次数均大于3 次/h，满足规范要求。

(a) 隧道左线

(b) 隧道右线

图中K和G分别表示车站排热风机开启和关闭。

图5高峰小时隧道新风换气次数

Fig. 5Air changing times of tunnel in peak hours

3.1.2隧道温度

正常运行工况下远期高峰小时该区间隧道内温度分布如图6所示。A方案的隧道左、右线平均温度分别为31.9、32.0 ℃，且不同纵向位置处的温度差距较小。随着活塞风道数量的增加，通过中间风井抽吸进入隧道的新风量显著增加，新风随着隧道风向风井下游侧流动，下游侧的空气温度逐渐降低。相较于A方案，B、C方案的隧道内平均温度分别降低0.2、0.4 ℃。由图6可知，不同通风方案的隧道内最高温度都小于35 ℃，满足《地铁设计规范》[13]等相关规范的要求。

(a) 隧道左线

(b) 隧道右线

3.2　工程经济性

3.2.1初投资

初投资主要分为土建投资与设备投资两部分。随着活塞风道数量的增加，需增加额外的土建面积、电动组合风阀等。中间风井地下部分共3层，不同通风方案的土建与设备差别主要集中在地下一层附属部分，如图7所示，其中每组电动组合风阀配1台低压就地控制箱。

(a) 方案A(b) 方案B (c) 方案C

图7地下一层平面图(单位： mm)

Fig. 7Plan of basement 1(unit: mm)

不同中间风井通风方案初投资比较见表1，表中投资节省以A方案为基准。相较于A方案，B、C方案单个中间风井土建面积分别增加100、170 m2，且主要为附属部分，计算后可知土建总投资分别增加200、340万元。相较于A方案，B方案单个中间风井增加1组活塞风阀，C方案增加2组活塞风阀和1组机械风阀，B、C方案单个中间风井电动组合风阀总面积分别增加20、52 m2，计算得到设备总投资分别增加10、26万元。

表1　不同通风方案初投资比较

注： “+”、“-”分别表示投资附加和节省； 风阀、低压就地控制箱及相关回路合计总价按0.25 万元/ m2风阀面积计算。

3.2.2牵引能耗费用

保留活塞风功能的风井兼顾自然进、排风功能，能够起到泄压补风的作用。随着活塞风道数量的增加，隧道内压力降低、行车阻力减小、列车牵引能耗降低。以车辆、行车、经调及线路等多个专业提供的资料为基础边界条件，通过SES软件计算得到左、右线单辆列车牵引能耗。将A方案通过SES计算得到的能耗数据与供电专业的计算数据进行对比，误差在15%以内，因此所有通风方案的牵引能耗均采用SES软件进行计算。

不同通风方案牵引能耗费用比较见表2，表中牵引能耗费用以A方案为基准。A方案左、右线单辆列车牵引能耗分别为40.45、43.13 kW·h。随着活塞风道数量的增加，B方案左、右线单辆列车牵引能耗分别降低至39.01、41.70 kW·h，C方案分别降低至37.89、40.68 kW·h。根据行车资料，初、近、远期日行车对数分别为180、276、292对，计算得到初、近、远期B方案比A方案分别节省能耗费用15.5、23.7、25.1 万元/年； C方案比A方案分别节省27.0、41.4、43.8万元/年。

表2　不同通风方案牵引能耗费用比较

注： “+”、“-”分别表示费用附加和节省。

3.2.3经济性比较

不同中间风井通风方案经济性差别主要集中在初投资和牵引能耗费用。不同通风方案投资费用比较见表3，费用以A方案为基准。由表3可知： A方案初投资最低，牵引能耗费用最高； C方案初投资最高，牵引能耗费用最低。

表3　不同通风方案投资费用比较

注： “+”、“-”分别表示费用附加和节省。

地铁工程土建设计使用年限约为100年[14]，设备20年更换一次，设备年维护费用[15]取设备总值的3%。按复利法[16]计算贷款利息，贷款年利率取5%。工程建设期为5年，近、远期分别按建成通车后10、25年确定。以A方案为基准，计算得到建成通车后，B、C方案总节省牵引能耗费用抵消额外投资分别需要23、24年；以B方案为基准，C方案抵消额外投资需要26年，见图8。综合比较可知，C方案的经济性最好。

图8　不同通风方案经济性比较

4　结论与建议

通过分析对比郑州地铁17号线长大区间隧道(机场站—新港八路站)不同中间风井活塞通风模式下，区间隧道的新风量、温度、初投资和牵引能耗费用等，得到以下结论。

1)双活塞通风模式下，该区间隧道新风换气次数最大且大于3 次/h； 远期高峰小时隧道内平均温度最低，比取消活塞风功能时低0.4 ℃，隧道环境优于其他通风方案。

2)双活塞通风模式的初投资最高，牵引能耗费用最低，相较于其他通风方案，建成通车后26年的总节省牵引能耗费用可抵消额外投资，经济性最好。

3)本文在前人研究的基础上，依据隧道环境和工程经济性等指标进行综合分析，推荐采用双活塞通风模式。研究成果可为地铁隧道通风系统设计提供参考。

4)本文主要通过数值模拟和理论计算进行研究，实际工程中隧道环境需通过现场实测进行核实，工程经济性也需根据实际建设、运营情况进行确定。同时，地铁设计需满足正常运行、阻塞、火灾等多种工况的设计原则与标准，本文仅对正常运行工况进行了分析，下一步将对阻塞与火灾工况时各中间风井通风方案的通风排烟效果进行研究。