廣深港客運專線福田站及相鄰區間隧道通風系統研究

陳玉遠

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 湖北 武漢 430063)

廣深港客運專線福田站及相鄰區間隧道通風系統研究

陳玉遠

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 湖北 武漢 430063)

廣深港客運專線福田站及相鄰區間隧道為單洞雙線隧道，具有時速高、斷面大、阻塞比小、活塞效應弱和散熱量大的特點。為保證隧道內人員舒適性要求，必須解決隧道內溫度和新風量控制等關鍵技術問題。從區間和車站活塞風井設置、風井面積及車站排熱風量3個方面進行研究，主要結論如下： 1)隧道內共需設5處活塞風井，分別為益田路1#風井和2#風井、福田車站兩端活塞風井、皇崗公園風井； 2)福田車站兩端活塞風井面積均為60 m2，其余3處活塞風井面積均為40 m2； 3)福田車站排熱風量為540 m3/s； 4)優化后隧道最高溫度為39.3 ℃，人均新風量為76 m3/h，均滿足設計標準要求。

客運專線地下車站； 區間隧道； 運營通風系統； 優化

0 引言

隨著城市用地的日趨緊張，鐵路引入城市中心變得越來越困難，修建地下車站和區間隧道逐漸成為各國研究的課題。郝娜[1]介紹了地鐵隧道通風系統中單、雙活塞2種系統的工作原理，給出了單、雙活塞系統各自適用區域的應用建議； 匡江紅等[2]通過數值分析，對地鐵隧道通風系統進行了研究，從改變進氣溫度的角度研究了風井合并問題，提出室外合并風井的方案，減少了風井數量和地鐵投資； 王峰等[3]對地鐵不同運營期、不同排熱風量的熱環境進行了研究，得到了不同工況下的排熱風量，并對活塞風井的風量和進出風情況進行了研究； 吳妍等[4]采用CFD方法對活塞風井的通風性能進行了研究，分析了實際列車運營情況下，地鐵車站風量不同數量和位置對風井通風性能的影響； 劉江[5]針對地鐵單雙活塞風井，通過軟件模擬了兩者在通風效果上的差異，分析了不同行車密度、不同排熱風機風量對區間通風效果的影響； 余濤等[6]以莞惠城際鐵路為研究對象，得到了取消車站軌道排熱系統可以滿足隧道內熱環境的結論；趙望達等[7-8]、姜學鵬等[9]、趙紅莉等[10]對高鐵隧道火災時煙氣擴散、氣流組織進行了研究。目前的研究多集中在地鐵、城際鐵路隧道運營通風以及鐵路隧道火災煙氣控制方面，針對包含地下車站的高鐵隧道運營通風系統的研究較少。

福田站為國內首座全地下高鐵站，兩端均與地下隧道相連，關于地下區間的通風設計無相關規范標準和案例可供參考，本文將介紹隧道運營通風系統方案和研究過程。

1 工程概況

廣深港客運專線是國家《中長期鐵路網規劃》中的一條重要線路，主要承擔深圳、香港與北京方向長途客運功能及廣、深、港城市中心之間的高速城際客運功能。福田站及相關工程線路全長11.14 km，由益田路隧道、福田站和深港連接隧道組成，3段長度分別為6 236、1 021、3 886 m，深港連接隧道段往南為香港段，全長 25.9 km，由隧道和地下車站組成。益田路隧道和深港隧道(深圳段)(里程為DK111+987～DK114+017)為單洞雙線隧道，隧道斷面尺寸為89 m2；DK114+017以南區段為雙洞單線隧道，隧道斷面尺寸為50 m2。福田站為國內首座全地下客運站，車站設4條島式站臺和8條到發線[11-12]。線路示意如圖1所示。設計行車速度為200 km/h，車輛采用CRH動車組。

圖1 線路平面示意圖(單位： m)

2 福田站及相關工程隧道通風特點

2.1列車速度高、重量大、散熱量大

地鐵列車運行速度一般為80～100 km/h，本工程列車最高速度高達200 km/h，為地鐵列車的2～2.5倍。地鐵列車單節車廂質量為30～35 t，CRH動車組每節車廂質量約50 t，為地鐵的1.4～1.7倍。在列車制動過程中，列車的動能大部分將轉化為熱量散發到隧道內，故本工程單節車廂的制動散熱量遠高于地鐵列車，為地鐵的2.8～4.3倍。

2.2制動距離長、高溫區段大

列車時速高，在加減速度相同的情況下，列車加減速的時間和距離均較地鐵列車長，以0.55 m/s2的減速度計算，列車從200 km/h到完全停止的制動距離為2 800 m，列車的產熱主要是在制動過程中產生的，故在減速的區段內，列車的散熱量較多。由于軌道排風系統只在車站隧道內設置，對區間隧道的作用較弱，故在列車制動的區段內溫度較高。

2.3斷面大、阻塞比小、活塞效應弱

地鐵多為雙洞單線，隧道斷面在20 m2左右，列車阻塞比為0.4～0.5，列車活塞效應較強。本工程為單洞雙線，隧道斷面積為89 m2，列車阻塞比僅為 0.15，活塞效應較弱，并且列車為雙向行駛，活塞效應會進一步減弱，導致隧道內的散熱量不能夠及時排出，勢必會造成隧道溫度升高。

由以上分析可以得出如下結論： 本工程隧道具有散熱量大、斷面大、阻塞比小等特點，與常規的地鐵設計不同，故需對隧道通風系統的配置進行研究，以確保隧道內的溫度和新風量滿足設計的要求。

3 隧道運營通風系統研究

3.1設計標準

文獻[13]規定隧道內設計溫度不高于28 ℃，由于本工程包含有地下車站，列車制動、停車和啟動過程中會散發大量的熱量。若按28 ℃進行設計，會導致運營通風系統配置和后期運營費用過大，故本工程的設計標準按《地鐵設計規范》[14]執行。主要設計標準如下。

1)室外設計參數。隧道通風夏季室外計算干球溫度為32.0 ℃； 隧道通風夏季室外計算濕球溫度為28.0 ℃。

2)隧道溫度設計標準。正常運行時區間隧道小時平均溫度不超過40 ℃。

3)新風量設計標準。隧道內乘客新風量不小于12.6 m3/(h·人)。

3.2隧道運營通風系統配置

隧道內共設置5處活塞風井，其中益田路隧道2處、福田車站2處、深港隧道(深圳段)1處。益田路隧道利用1#豎井和2#豎井作為活塞風井，福田車站在車站進出站端各設1處活塞風井，深港隧道(深圳段)利用皇崗公園工作井做為活塞風井，風井間距分別為 1 498、1 576、1 021、1 620 m，風井內均設置事故隧道風機。在香港段利用米浦豎井設置活塞風井，設置里程為DK117+363。

為了及時排出列車停站時制動系統和空調系統的散熱量，在福田車站隧道內設置軌道排熱系統。隧道通風系統原理圖見圖2。

圖2 隧道通風系統原理圖

3.3計算邊界條件

福田車站按車站站臺設置屏蔽門設計。

車輛采用CRH型動車組，8輛編組，車輛長度為214 m，平均加速度為0.406 m/s2，平均減速度為0.55 m/s2，列車最高速度為200 km/h，高峰小時列車對數為20對。

3.4活塞風井設置研究

在列車正常運營時，應充分利用列車產生的活塞風進行通風換氣，從而達到對隧道降溫除濕的目的，在確保隧道內新風量、人員舒適性與溫度的同時，盡可能減少風機的運行時間，降低系統的運行能耗。為了對不同通風系統的設置進行對比分析，研究中提出了多種通風方案，以對正常運營時的通風系統進行優化。

3.4.1 區間隧道活塞風井設置研究

對益田路和深港隧道(深圳段)3種活塞風井設置面積(見表1)進行研究。采用SES4.1模擬軟件對隧道內新風量和溫度進行模擬計算，計算結果見圖3和表2。

表1 區間隧道活塞風井比選方案

圖3 不同區間風井面積下隧道內空氣溫度分布Fig. 3 Temperature distributions in tunnel with different interval shaft areas

表2不同區間風井面積下隧道通風模擬結果
Table 2 Simulation results of tunnel ventilation with different interval shaft areas

方案新風量/(m3/s)人均新風量/(m3/(人·h))隧道最高溫度/℃14365940．525237139．935857939．5

由圖3的溫度分布結果可以得出如下結論：

口譯釋意中的解釋表明譯員做口譯時并不拘泥于源語的語言形式，而是充分考慮到源語發布的情境并融入自己的相關知識，透徹理解源語的信息意義，擯棄字詞對應的翻譯方式，集中精力搜覓合適的詞語在規定時間內傳達語境中的特定信息意義[3]。例如社科院農村發展研究所的吳國寶教授在中國減貧工作經驗講座中談道：“越來越多農村青壯年選擇去城里打工來提高收入，給城市發展增加了勞動力，卻也造成了空心村現象。”在處理“空心村”一詞時，筆者為促進外賓的現場理解，采取了解釋的方式，將其譯為Without young people living in their hometown,villagesbecomeempty.

1)隧道溫度呈現兩端低、車站高的趨勢，有3個溫度最高點，分別為福田車站、靠近車站左端和右端活塞風井處，其中最高溫度出現在靠近車站左端的活塞風井處。

2)車站兩端高溫區段長度多達4 000 m，均分布在車站和靠近車站兩側的區間隧道，說明散熱量主要集中在該段區域。

3)車站兩端活塞風井降溫效果明顯，經過活塞風井后最高溫度降低3.5～5 ℃。

由表2可知： 1)隨著活塞風井面積的增加，進入隧道的新風量也隨之增加。風井面積每增加20 m2，新風量增加60～80 m3/s。3種方案隧道內人員新風量均大于30 m3/(人·h)，能滿足規范要求。2)風井面積增加會降低隧道內的溫度，風井面積每增加20 m2，平均溫度降低1～1.5 ℃。3)隨著風井面積的增加，新風量增加幅度和溫度降低幅度逐漸減小，且會造成土建投資加大。

綜合經濟性和實施效果2方面考慮，推薦采用方案2，即區間活塞風井面積取40 m2，隧道內的最高溫度為39.9 ℃。

3.4.2 福田車站活塞風井設置研究

采用SES4.1模擬軟件對福田車站兩端不同活塞風井面積進行計算，共選取以下3種方案(見表3)。新風量與溫度計算結果見圖4和表4。

表3 福田車站活塞風井比選方案

圖4 不同車站風井面積下隧道內空氣溫度分布Fig. 4 Temperature distributions in tunnel with different station shaft areas

表4 不同車站風井面積下隧道通風模擬結果Table 4 Simulation results of tunnel ventilation with different station shaft areas

綜合經濟性和實施效果考慮，福田站兩端的活塞風井面積按60 m2進行選取。

3.5車站隧道排熱風量研究

采用SES4.1軟件對不同排熱風量進行模擬計算，計算邊界條件見表5，計算結果見圖5和表6。

表5 福田車站排熱風量比選方案

圖5 不同排熱風量下隧道內空氣溫度分布Fig. 5 Temperature distributions in tunnel under different air exhausting volumes

表6不同排熱風量下隧道通風模擬結果
Table 6 Simulation results of tunnel ventilation under different air exhausting volumes

方案新風量/(m3/s)人均新風量/(m3/(人·h))隧道最高溫度/℃15237139．925617639．336118239．1

隨著排熱風量的增加，新風量逐漸增加，隧道溫度逐漸降低，并且隨著排熱風量的增加，空氣的降溫幅度逐漸減小。當排熱風量高于450 m3/s時，人均新風量和隧道最高溫度均滿足設計標準要求。考慮到一定的安全余量和經濟性，排熱風量取540 m3/s，隧道最高溫度為39.3 ℃，新風量為76 m3/(人·h)。

4 結論與討論

對于設有地下車站的高速鐵路隧道，與常規地鐵隧道相比，具有列車時速高、隧道斷面大、列車阻塞比小、散熱量大等特點，隧道通風系統的設計與地鐵不同。根據以上模擬研究，得到了如下結論。

1)隧道內共設5處活塞風井，分別為益田路1#風井和2#風井、福田站小里程和大里程端風井以及皇崗公園風井，風井間距分別為1 498、1 576、1 021、1 620 m。

2)福田車站兩端活塞風井面積均為60 m2，其余3處活塞風井面積均為40 m2。

3)福田車站內設置軌道排風系統，排熱風量為540 m3/s。

4)優化后人均新風量為76 m3/(人·h)，隧道最高溫度為39.3 ℃，均滿足設計標準要求。

本文對運營通風系統進行了研究，而阻塞和火災通風系統將是本課題下一步的研究方向。

[1] 郝娜.地鐵隧道通風系統活塞風井布置探討[J].城市軌道交通研究,2012,15(8)： 141.

HAO Na.Comparative analysis about arrangement of piston air shaft in subway [J]. Urban Mass Transit, 2012,15(8)： 141.

[2] 匡江紅，余斌，何法江，等.地鐵活塞風井設置的優化研究[J].機電設備,2007,24(12)： 24.

KUANG Jianghong, YU Bin, HE Fajiang，et al. Study of optimizing displacement of piston wind well of subway station [J].Mechanical and Electrical Equipment, 2007,24(12)： 24.

[3] 王峰，雷波.地鐵隧道通風系統節能研究[J].地下空間與工程學報,2012,8(1)： 172.

WANG Feng, LEI Bo. Energy-saving research on ventilation system of tunnel in subway [J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2012,8(1)： 172.

[4] 吳妍，高乃平，王麗慧，等.地鐵隧道活塞風井通風性能的數值模擬研究 [J].建筑科學，2012，28(8)： 70.

WU Yan, GAO Naiping ,WANG Lihui,et al. Numerical simulation on ventilation performance of ventilation shafts in a subway tunnel [J].Building Science, 2012，28(8)： 70.

[5] 劉江.地鐵區間活塞通風形式對比研究[J].制冷與空調，2014，28(2)： 158.

LIU Jiang. Comparative research on piston ventilation of subway tunnel [J].Refrigeration and Air Conditioning, 2014，28(2)： 158.

[6] 余濤，雷波.莞惠城際鐵路隧道通風系統性能研究[J].鐵道建筑，2012(6)： 70.

YU Tao，LEI Bo. Study of performance of ventilation system in tunnel of Dongguan-Huizhou intercity railway [J].Railway Engineering, 2012(6)： 70.

[7] 趙望達，李洪，徐志勝，等.鐵路隧道火災中煙氣逆流層長度的研究[J].防災減災工程學報，2010，30(3)： 246.

ZHAO Wangda，LI Hong，XU Zhisheng，et al. Study of backflow distance of smoke under the fire situation in railway tunnel [J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering, 2010，30(3)： 246.

[8] 趙望達，李洪，徐志勝.鐵路隧道火災拱頂附近最高溫度預測模型研究[J].中國安全科學學報，2010，20(4)： 27.

ZHAO Wangda，LI Hong，XU Zhisheng. Study of prediction model for maximum temperature around the vault of railway tunnels on fire [J].China Safety Science Journal, 2010，20(4)： 27.

[9] 姜學鵬，胡杰，徐志勝，等.鐵路隧道火災中煙氣逆流的計算模型[J].中南大學學報(自然科學版)，2011，42(9)： 2838.

JIANG Xuepeng，HU Jie，XU Zhisheng，et al. Computation model for back-layering flow of fire smoke in railway tunnel[J].Journal of Central South University (Science and Technology), 2011，42(9)： 2838.

[10] 趙紅莉，徐志勝，姜學鵬，等.鐵路隧道火災煙氣溫度場分布規律的試驗研究[J].安全與環境學報，2012，12(5)： 101.

ZHAO Hongli，XU Zhisheng，JIANG Xuepeng，et al. Experimental study of the temperature distribution of fire-induced smoke in railway tunnel fires [J].Journal of Safety and Environment, 2012，12(5)： 101.

[11] 楊芳龍.地下高鐵站廣深港客運專線深圳福田站設計[J].山西建筑,2010,36(19)： 48.

YANG Fanglong .On design for futian station in Shenzhen along Guangzhou-Shenzhen-Hong Kong passenger spcial line of underground express subway[J]. Shanxi Architecture, 2010,36(19)： 48.

[12] 張麒.城市中心區大型地下高鐵車站施工關鍵技術[J].鐵道標準設計,2012(9)： 93.

ZHANG Qi.Key construction technology of large-scale underground high-speed railway station in city district [J]. Railway Swtandard Design, 2012(9)： 93.

[13] 鐵路隧道運營通風設計規范： TB 10068—2010[S].北京： 中國鐵道出版社，2010.

Code for design on operating ventilation of railway tunnel： TB 10068—2010[S]. Beijing： China Railway Publishing House,2010.

[14] 地鐵設計規范: GB 50157—2013[S].北京： 中國建筑工業出版社，2014.

Code for design of metro: GB 50157—2013[S].Beijing： China Architecture & Building Press,2014.

StudyofVentilationSystemofFutianStationandAdjacentIntervalTunnelsonGuangzhou-Shenzhen-HongkongPassenger-dedicatedLine

CHEN Yuyuan

(ChinaRailwaySiyuanSurveyandDesignGroupCo.,Ltd.,Wuhan430063,Hubei,China)

The Futian Station and adjacent interval tunnels on Guangzhou-Shenzhen-Hongkong Passenger-dedicated Line are single-tube double-line tunnels characterized by high speed, large cross-section, small blocking ratio, low piston effect and large heat dissipation. In order to ensure the personnel comfortable requirements inside the tunnel, the key technologies of controlling the temperature and fresh air inside the tunnel should be solved. The setting of piston shafts of intervals and station, shaft area and volume of exhaust air are studied. Some conclusions are drawn as follows: 1) Five piston shafts should be set inside the tunnel in total, namely shaft No. 1 and No. 2 on Yitian Road, one on both ends of Futian Station and one in Huanggang Park. 2) The shaft area on both ends of Futian station is 60 m2respectively; and the other three are 40 m2respectively. 3) The air exhausting volume of Futian Station is 540 m3/s. 4) The optimized highest temperature inside the tunnel is 39.3 ℃; and the per-person ventilation rates is 76 m3/h, which coincides with the design standards.

underground station of passenger-dedicated line; interval tunnel; ventilation system; optimization

2017-01-10;

2017-04-20

陳玉遠(1982—)，男，安徽蕭縣人，2007年畢業于重慶大學，暖通專業，碩士，高級工程師，主要從事于地鐵和市政隧道通風系統的設計與研究工作。 E-mail： 28158604@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.10.016

U 45

A

1672-741X(2017)10-1317-05