南方某地鐵線路活塞風亭及活塞風道面積的取值優化研究

龔保偉

（廣州地鐵設計研究院股份有限公司,廣東 廣州 510000）

0 引言

車站按通風、空調工藝要求設置新風亭、排風亭和活塞風亭及相應的風道，地鐵車站新風亭（道）、排風亭（道）的面積可分別根據車站所需要的新風量、排風量除以規范規定的風速而確定，進一步優化的空間不大。活塞風亭（道）的面積目前國內沒有規范規定具體的面積取值，需要根據隧道斷面、車輛數據、行車對數、客流量等指標，通過SES軟件建模計算來確定[1]。該文以南方某城市地鐵7號線二期工程為例，分別選取活塞風亭（道）的面積為20 m2、16 m2、12 m2，通過計算分析對比三種情況下地鐵區間系統運行情況，從而確認該工程的活塞風亭（道）最優取值。

1 風亭面積的優化意義

選取一個典型標準車站分析，車站采用雙活塞系統，在兩端分別設置一組風亭，均為低矮敞口風亭，每組風亭包括1個新風亭、1個排風亭、2個活塞風亭。根據地鐵設計規范規定，當采用低矮敞口風亭時，應符合下列規定：1）新風與排風、新風與活塞風亭口部之間的水平凈距不應小于10 m；2）活塞風亭口部之間、活塞風亭與排風亭口部之間水平凈距不應小于5 m；3）風亭四周應有寬度不小于3 m寬的綠籬。

車站土建風道的風速≤6 m/s，該站右端新風量為226 300 m3/h（大系統新風138 000 m3/h+小系統新風78 300 m3/h），右端排風量為334 300 m3/h（大系統排風138 000 m3/h+小系統排風78 300 m3/h+軌頂排熱風108 000 m3/h），則該站右端新風亭、排風亭的面積應分別大于10.5 m2、15.5 m2（226 300/3 600/6=10.5、334 300/3 600/6=15.5），考慮安全余量，新風亭、排風亭的面積取值分別定為12 m2、16 m2。根據隧道通風系統工藝要求，活塞風亭面積暫定≥16 m2。風亭與車站安全疏散口合建，該端的風亭組平面布置見圖1。

圖1 某典型標準車站風亭組

風亭組采用新風亭、排風亭、活塞風亭、活塞風亭一字并列布置，該風亭組占地面積約為418 m2，四個風亭的面積總和約為60 m2，其余占地均因為滿足規范規定的間距要求和綠籬要求，單純地減少風亭尺寸不會對整個風亭組的占地造成多大影響，所以對活塞風亭面積進行取值優化意義并不大。

2 風道面積的優化意義

仍選取上述典型標準車站進行分析，隧道風機設置在活塞風道內，活塞風機并聯風路上的人防門、風閥有效過風面積按不小于活塞風亭的面積設計，考慮活塞風閥過風面積有效系數為0.8，活塞風閥面積應等于風亭面積/0.8；為滿足周邊環境環評噪聲要求，在活塞風道出室外端需要設置風道消聲器。在排風道設置軌頂排風機，利用軌頂排風道及時排走列車空調器發熱，排風道兼用車站大小系統的排風。

若能優化活塞風道的面積，不僅能減小土建規模，同時能減小人防門、風道消聲器、風閥等設備尺寸。如果隧道通風系統要求的活塞風道面積能優化4 m2，風道長度按40 m考慮，兩條活塞風道能減小的土建規模至少為4*40*2=320 m3，一個車站能減小的土建規模至少為640 m3，加上人防門、風道消聲器、風閥等設備減少的費用，一個車站相應優化的總投資額相當可觀。另外，降低附屬建筑土建規模也可減少對周邊環境的影響和征地難度，帶來一定的社會效益。可見，對活塞風道面積進行取值優化，意義重大。

3 計算結果分析

3.1 計算內容

區間隧道通風系統主要負責兩個車站之間的區間隧道通風與排煙，包括自然通風（夜間停運時）、活塞通風與機械通風三種方式。在區間隧道的兩端，即每個車站的兩端，對應每條隧道或只對應出站端隧道設置了直通地面的活塞風道，正常運行時，利用列車行駛產生的活塞效應，通過活塞風道實現隧道與地面的換氣，即活塞通風。

該次計算內容僅為正常工況下的活塞通風，按遠期2048年早高峰運營條件設計，分別選取活塞風亭（道）的面積為20 m2、16 m2、12 m2通過計算分析對比區間溫度、風亭風量和人員新風量，從而確認該工程的活塞風亭（道）最優取值。

3.2 工程概況及基礎資料

該地鐵線路起于大學城南站并向北延伸，終點站為水西北站，線路長約21.9 km，共設11座車站，均為地下車站，平均站間距約2.0 km，最大站間距3.263 km，全線采用全封閉站臺門系統。在大學城南~深井區間、大沙東~姬堂區間、科豐路~蘿崗區間分別設置一座中間風井。區間隧道均采用盾構暗挖工法，盾構內徑為5.4 m。列車采用6輛編組B型車，正線最高運行速度為80 km/h，剎車返饋效率80%，表面摩擦阻力系數0.023，列車長度120 m。行車系統設計能力行車對數為30對。運載能力按遠期2048年早高峰運營條件設計，遠期早高峰上行最大斷面客流出現在洪圣沙～裕豐圍區間，為22 704人/h，下行最大斷面客流出現在大沙東～姬堂區間，為17 110人/h，上行斷面客流高于下行。隧道壁土壤導熱系數為1.3 W/m·℃，地層溫度為25 ℃。

3.3 區間溫度對比

區間隧道內的地鐵列車和各種機電設備的運行產生大量的熱量。據統計當列車最大通過能力為30對/h和列車編組為6節時，1千米的區間隧道內平均熱量為1 200 kW以上。同時，密集的乘客以及連續的照明在區間隧道內也產生大量熱量，為消除這些熱量，需要通過隧道通風系統不斷從室外引風換氣降溫[2]?？赏ㄟ^SES軟件建模計算確認區間隧道內的節點溫度。

根據地鐵設計規范規定，車站設置全封閉站臺門時，區間隧道內夏季的最高溫度不得高于40 ℃，為預留安全余量，在實際工程設計中按不高于38.5 ℃考慮。由于遠期早高峰上行斷面客流高于下行，該次計算僅分析遠期上行區間節點溫度，同時為簡化直觀地顯示區間參數，該文截取斷面客流較大的長洲~大沙東區間（四站三區間）進行對比分析節點溫度?；钊L亭（道）的面積為20 m2、16 m2、12 m2三種情況下該段區間（上行）的節點溫度圖見圖2。

圖2 不同面積情況下區間（上行）的節點溫度圖

由上可見，隨著活塞風亭（道）的面積的減小，隧道節點溫度上升，活塞風亭（道）為20 m2、16 m2、12 m2時區間隧道節點溫度最高溫度分別38.1 ℃、38.5 ℃、39.0 ℃，活塞風亭（道）為12 m2時已不符合設計要求。

3.4 風亭風量對比

隧道通風系統的通風包括活塞風亭的進風、排風以及車站排風亭的排風，也包括地鐵車站通過站臺門滲漏的少量滲漏風，為簡化計算，該次計算全線隧道的通風量按活塞風亭的進風量之和確定。

根據《城市軌道交通工程項目建設標準》規定，隧道通風系統的通風量應保證隧道內換氣次數每小時不應少于3次供應人員的新鮮空氣量要求。分別計算活塞風亭（道）的面積為20 m2、16 m2、12 m2三種情況下區間隧道遠期風量，計算結果如表1。

表1 不同面積情況下的隧道內換氣次數對比

由表1可見，由于軌排風機作用，活塞風亭大部分時間都處于進風狀態，有效地對隧道進行了通風換氣及降溫。隨著活塞風亭（道）的面積的減小，隧道內通風量降低，活塞風亭（道）為20 m2、16 m2、12 m2時的隧道換氣次數均滿足規范要求。

3.5 人員新風量對比

根據《城市軌道交通工程項目建設標準》規定，區間隧道內每個乘客每小時供應的新鮮空氣量不應少于12.6 m3。區間隧道內人員新風量可按區間斷面平均風量除以斷面客流確定，選取斷面客流最大的洪圣沙～裕豐圍區間進行人員新風量校核驗算，計算結果如表2。

表2 不同面積情況下的隧道新風量對比

從表2可以看出，活塞風亭（道）面積變化時，區間隧道內平均風量相差不大，說明區間隧道內風量主要由列車在隧道內行駛過程中形成的活塞風效應決定，活塞風亭（道）的面積對此影響較小[3]?；钊L亭（道）為20 m2、16 m2、12 m2時的隧道乘客新風量均滿足規范要求。

3.6 面積取值確定

通過上述計算可知，活塞風亭（道）面積分別為20 m2、16 m2、12 m2時，區間隧道的溫度、風量等參數也發生變化。隨著風亭（道）面積減小，隧道內節點溫度、隧道通風量、乘客新風量減小，區間隧道的環境越惡劣?；钊L亭（道）面積為12 m2時，隧道換氣次數、道乘客新風量均滿足規范要求，但隧道節點溫度不滿足要求，不應采納此方案；活塞風亭（道）面積為20 m2、16 m2時，隧道節點溫度、換氣次數、乘客新風量均滿足規范要求，但從車站建設費用及社會效益來考慮，并不是說活塞風亭（道）面積越大越好；綜合考慮該工程活塞風亭（道）面積取值確定為16 m2。目前國內地鐵線路活塞風亭（道）面積均按不小于16 m2設計，該次計算結果也符合國內地鐵設計常規做法。

需要指出的是，該次計算基于6節編組非中心城區的線路為案例，且假設全線車站均為雙活塞系統的理想模型。有研究表明，雙活塞系統相對單活塞系統通風效果好，隧道內換氣次數高，且節能方面具有一定優勢[4]，如果線路某些車站采用單活塞系統，隧道內環境應比該文計算結果惡劣。另一方面，采用不同編組的線路需要的活塞風亭（道）也不同，有研究表明，8節編組的線路比6節編組的線路需要的活塞風亭（道）擴大30%以上[5]。所以不能簡單推導相似條件下的地鐵線路的活塞風亭（道）面積就取16 m2即可，也不可單純地從減費降造的角度考慮盡可能壓縮風亭（道）面積，考慮地鐵為百年工程，應對地鐵內通風條件做出適當預留。

4 結束語

在地下車站土建規模中，隧道通風系統的風亭風道占比通常超過20%，從隧道通風功能角度講，風亭風道面積越大隧道內環境越好，但從建設費用及社會效益方面來考慮，又希望土建規模越小越好，所以確定合理的風亭風道面積尤為重要。由上文分析可知，單純地為減少地面風亭規模，從而要求減小風亭尺寸的意義并不大。但在滿足系統功能、運營環境需求的條件下優化風道尺寸，則意義重大。

綜上所述，地鐵線路活塞風亭及活塞風道面積的取值確認需要綜合考慮隧道斷面、車輛數據、行車對數、客流量等多項指標，同時考慮遠期預留，需要通過準確計算尋求一個合理經濟的取值。