莞惠城际铁路隧道通风系统性能研究

余 涛，雷 波

(西南交通大学机械工程学院，四川成都 610031)

莞惠城际铁路隧道通风系统性能研究

余 涛，雷 波

(西南交通大学机械工程学院，四川成都 610031)

针对莞惠城际铁路松山湖隧道的通风初步设计方案，建立隧道通风系统的网络模型，并对该隧道通风系统进行一维数值模拟计算分析。研究了取消车站轨道排热系统的可行性，得出取消车站轨道排热系统前后隧道内热环境都能满足设计要求，轨道排热系统的取消不但可以缩短工程周期，还能节省初投资和风机运行能耗;针对正常运行时部分活塞风井内风速超过工程限制，从而影响系统安全的情况，提出采用在活塞风道内增加局部阻力的措施，可使最高风速降到工程允许的范围内，系统的安全性提高。

城际铁路 隧道热环境 通风系统 数值模拟

近年来，我国城际铁路建设的发展势头迅猛。鉴于地理条件的限制，城际铁路设计中出现越来越多的地下车站，且站与站之间的区间隧道较长。列车的制动过程和空调系统的运行，都会向隧道内排放大量的热，随着列车的运行，隧道内的空气温度将会逐渐升高，需要设置合理的通风系统排除隧道内积累的热量。按照城市轨道交通工程项目建设标准的要求，城际铁路区间隧道夏季最热日的日平均温度不得超过40℃[1]，并且基于工程安全性的考虑，活塞风井内的风速不得高于11 m/s。在实际隧道建设中，为了节约风机能耗、方便施工，在满足隧道热环境的条件下，可考虑取消车站轨道排热系统。因此需要对城际铁路隧道通风系统进行必要的深入研究。

国内外有大量关于地铁隧道通风系统的研究，包括轨道排热系统对地铁温度场的影响和通风井的面积对通风量的影响[2]，地铁区间热环境主要影响因素的分析和热环境的优化[3]，地铁区间隧道速度场和温度场特性的研究[4]等，但缺乏对城际铁路隧道热环境和通风系统的研究。

本文对莞惠城际铁路松山湖隧道的热环境进行模拟计算，研究取消轨道排热系统的可行性和改进活塞风井的设计，以期优化隧道通风系统，提高系统的节能性和安全性。

1 计算模型和计算条件

1.1 工程概况

莞惠城际铁路是珠三角城际轨道交通线网规划的放射线之一，该线路起于广东省东莞市洪梅站，止于惠州市惠州大道站，线路全长约97 km。沿线分别穿越松山湖隧道和东江隧道，区间隧道为双洞单线形式，地下区间主要采用单圆盾构，明挖、暗挖区间隧道等形式。线路沿途共开设17个车站，其中高架站台6座，地面站台1座，地下站台10座，本文仅对较长的松山湖隧道进行研究。

根据初步设计方案，松山湖隧道全长41.225 km，共设有6座地下岛式站台车站，分别为新城中心站、东城南站、寮步站、松山湖北站、大朗站和常平站，最大站间距8.536 km，为东城南站至寮步站之间的区间隧道。地下车站设置屏蔽门系统，每个车站站台有效长度为120 m，车站进站端和出站端分别设有两个活塞风井，区间隧道根据站间距长度每隔一段距离也设有中间活塞风井，活塞风井横截面积均为32 m2，分别连接到地面的活塞风亭。车站轨行区设有轨道排热系统，排热风井横截面积均为25 m2，风井分别连接至地面排热风亭。地下车站隧道通风系统如图1所示。

1.2 计算模型

针对松山湖隧道的物理模型，本文采用一维数值模拟的方法来研究隧道内的通风和热环境，一维数值模型的网络节点如图2所示。

1.3 计算条件

隧道通风室外空气计算温度采用夏季近20年最热月月平均温度的平均值，东莞惠州地区室外空气计算温度为28.5℃。

图1 地下车站隧道通风系统

根据初步设计方案，莞惠城际铁路采用CRH6型动车组，最高运行速度200 km/h，列车阻塞比为0.24，开设大站停和站站停两种运行模式。运行初期晚高峰列车开行9对，大站停和站站停模式的发车间隔分别为1 800 s和514 s;远期晚高峰列车开行12对，大站停和站站停模式的发车间隔分别为1 200 s和400 s。正常运营时，列车停站时间按45 s进行计算。初步设计方案中车站设有轨道排热系统，排热风机风量为67 m3/s。

根据工程设计要求，隧道内空气温度不得超过40℃，并且通风井内最高风速不得超过11 m/s。列车运行过程中，晚高峰客流量相对较大，外界大气温度也相对较高，列车运行时间也较长，正常运营工况时隧道内温度最高时刻一般出现在晚高峰[5-6]，且远期运营工况为最不利工况。因此，本文仅对列车远期晚高峰正常运行工况进行研究。

图2 网络节点

2 结果及讨论

2.1 隧道热环境的模拟计算[7]

本研究的模拟时间为17∶00的晚高峰时刻，模拟持续14 400 s，取最后3 600 s的平均值进行分析。图3给出了松山湖隧道远期正常运行时，下行线晚高峰时刻隧道内的温度分布模拟结果。

从图3可以看出，车站轨道排热风机开启时，隧道内空气平均温度最高为32.8℃，出现在常平车站隧道区域。由于环控系统采用屏蔽门系统，列车停站过程中，列车的制动和空调冷凝器的运行向周围隧道大量散热，轨道排热系统不能完全排除这部分热量，导致车站隧道温度比区间隧道温度高。随着热量的积累和活塞风的作用，隧道内空气平均温度沿纵向逐渐升高。图3中，隧道内空气平均温度均＜40℃，满足设计温度要求。隧道出口空气温度比入口空气温度高1.8℃，这是由于列车运行中的散热被隧道内空气吸收，使空气流经隧道后温度有明显的升高。

图3 隧道内空气平均温度分布

为了节约风机能耗和方便施工，实际工程中开始关注取消轨道排热系统的问题。但排热系统的取消会造成列车停站过程中散发的热量不能及时排走，热量的累积会导致隧道空气温度持续升高。

在其他条件保持不变的情况下，模拟取消车站轨道排热系统后隧道的热环境。从图3可以看出，取消车站轨道排热系统后，隧道空气平均温度最高值仍然出现在常平车站隧道区域，达到34.5℃，比开启轨道排热系统时高1.7℃。这是由于列车停站时散发的大量热量不能被及时排走，更多的热量会累积到隧道内。隧道内空气温度仍然沿纵向逐渐升高，出口空气温度比入口空气温度升高3.9℃。隧道内空气平均温度均＜40℃，仍然满足温度设计要求，说明莞惠城际铁路地下车站取消轨道排热系统是可行的。

2.2 活塞通风井的优化

活塞风是随时间变化的，它与列车速度、车流密度、隧道结构、阻塞比等因素有关[8]。莞惠城际列车运行速度达到200 km/h，会在活塞风井内引起较高的瞬时风速。出于对人员和设备安全性的考虑，设计中规定活塞风井内风速不得超过11 m/s。根据对初步设计方案的模拟计算，晚高峰时刻下行线隧道各活塞风井内最大瞬时风速如图4所示。从图4可以看出，初步设计方案的计算结果中有6个车站出站端的活塞风井内最大瞬时风速超过11 m/s，尤其95号风井内的瞬时风速已经达到14.2 m/s。

图4 下行线隧道各活塞风井最大瞬时风速

图5给出了瞬时风速最高的95号活塞风井晚高峰时段某1 h内风速随时间的变化情况。图5表明，活塞风井内风速随时间变化是一个复杂的过程，风速的变化具有周期性，其变化周期为1 200 s，正好与列车大站停模式发车间隔一致。当城际列车车头到达风井位置时，风井内压力有一个突然升高的过程，车尾经过风井时，风井内出现负压，风井内压力的突变过程造成风速的突变。图5中活塞风井内风速大部分时刻都低于11 m/s的限制，只有在大站停列车到达风井位置时，出现最大值，瞬时最高风速达到14.2 m/s，超过该工程的限制。由于95号风井为出站端的活塞风井，当站站停列车经过风井位置时，列车正处于加速过程，此时风井内的风速较小，只有2.0 m/s。

图5 95号活塞风井内风速

为了降低活塞风井内风速，可以采取增大风井断面积或增加风道内阻力的措施。增大风井断面积，会增大初投资，而且受结构等因素的影响大;增加风道内的阻力，可以通过增大壁面粗糙度来增大沿程阻力，或者通过在风道内增加局部阻力实现，后者是一种较为方便的工程措施。

莞惠线设计考虑采用在活塞风道内加十字梁增加局部阻力的方案。通过在下行线6个风速超过限制的活塞风井内加十字梁，其余活塞风井结构不变。通过计算分析比较，当十字梁位置的空气流通面积比为30%时，活塞风井内的最大风速才能达到工程要求。此时，风井内总局部阻力系数由10增加到30，增加阻力优化后风井内最大瞬时风速如图4所示。

从图4可以看出，通过在活塞风道内加十字梁增大局部阻力的措施对隧道通风系统进行优化改善，6个超过风速限制的活塞风井内的最大瞬时风速都下降到11 m/s的范围内，其他风井内最大瞬时风速变化不大，系统的安全性大大提高。

3 结论

本文针对莞惠城际铁路松山湖隧道的通风初步设计方案，采用一维数值模拟的方法，对正常运营工况隧道热环境和通风做了模拟计算分析，得到以下结论:

1)初步设计方案开启轨道排热系统，隧道内空气平均温度最高为32.8℃，出现在常平车站隧道区域，满足隧道热环境控制的要求。

2)取消轨道排热系统后，隧道内各段空气平均温度相比开启轨道排热系统时都有所升高，隧道内空气平均温度最高达到34.5℃，满足热环境控制的要求，因此取消轨道排热系统是可行的。

3)针对初步设计方案有6个活塞风井内瞬时风速超过允许的11 m/s，提出采用在活塞风道内加十字梁的措施，增大风井内的局部阻力，可以将风速控制在允许的范围内。

[1]中华人民共和国交通部.建标104—2008 城市轨道交通工程项目建设标准[S].北京:人民交通出版社，2008.

[2]MINGTSUN KE，TSUNGCHE CHENG，WENPOR WANG.Numericalsimulation for optimizing the design ofsubway environmental control system[J].Building and Environment，2002(37):1139-1152.

[3]彭博，吴喜平，郑懿.地铁区间热环境影响因素分析研究[J].建筑热能通风空调，2010(4):14-17.

[4]王丽慧，吴喜平.地铁区间隧道速度场温度场特性研究[J].制冷学报，2010(3):55-62.

[5]王峰.变频技术在地铁通风空调工程中的运用技术研究[D].成都:西南交通大学，2007.

[6]周亚宇.高速动车组通过合武铁路湖北段隧道空气动力性能测试[J].铁道建筑，2011(4):73-75.

[7]冯炼.地铁网络系统环境控制模拟研究[D].成都:西南交通大学，2001.

[8]袁艳平，何青青，曹晓玲，等.铁路隧道热湿环境研究综述[J].铁道建筑，2011(8):49-52.

Study on Performance of Ventilation System in Tunnel of Dongguan-Huizhou Intercity Railway

YU Tao，LEI Bo
(Mechanical Engineering School，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)

Based on the preliminary design scheme of the ventilation system in the Song-shan Lake tunnel of Guan-Hui intercity railway，this paper introduced the network model of this tunnel ventilation system and established one-dimensional numerical method to simulate the tunnel ventilation.This paper also studied the feasibility of removing the track exhaust system under the platform，which can not only shorten the project cycle but also save the initial investment and fan energy consumption，and concluded that the thermal environment in the tunnel can satisfy the design requirement.For the air velocity in some piston ventilation shafts exceeding the project limitation during normal operation and affecting the system security，this paper presented the method of increasing the local resistance in the piston ventilation shaft，the results of which show that the maximum velocity can decrease to the project requirement value and the system safety can be improved.

Intercity railway;Tunnel thermal environment;Ventilation system;Numerical simulation

U453.5

A

1003-1995(2012)06-0070-04

2011-12-22;

2012-04-03

余涛(1987— )，男，四川乐山人，博士研究生。

(责任审编 王天威)