福州至长乐机场快线通风空调设计优化探讨

林大畏

中铁上海设计院集团有限公司

随着城市规模及中心城区辐射范围的不断扩大，城市周边地区的发展对中心城区的影响越来越大。面对城市周边与中心城区中长距离的出行需要，仅有地铁已无法满足城市快速增长的大量远程通勤客流量的需求。市域快线作为一种中长距离的城市交通系统，除了具有城市轨道交通的普遍特征外，还具有地下车站少、区间断面大、行车速度快、站站间距长等特点。这些特点决定了市域快线通风空调特性与地铁存在天然区别[1]。笔者结合福州至长乐机场城际铁路工程，对车站排热系统轨底风道设置、洞口缓冲泄压装置以及穿山段射流风机配置等工程实际问题及设计重难点进行探讨与研究。

1 工程概况

福州至长乐机场城际铁路工程（F1 线）起于福州火车站，经福州长乐国际机场，终于大鹤站，线路全长62.4 km，其中地下线长度34.15 km。全线近期设站13座（高架站3 座，地下站10 座），其中预留车站2 座（盖山路站、莲花山站），远期平均站间距4.42 km。最大站间距9.96 km，为祥谦至首占区间，最小站间距1.27 km，为塔头至闽都区间。全线设置一段一场（大鹤车辆段、东升停车场），主变电站3 座（东升主变、首占主变、大鹤主变），新建控制中心一座。初、近、远期均采用6 辆编组市域A 型车，列车最高运行速度为140 km/h。

2 车站排热系统取消轨底风道

目前国内全封闭站台门制式地铁站，在站台轨行区通常采用轨顶与轨底排风道的设计,由于轨底风口检修困难、易腐蚀，影响管线安装。火灾时需关断轨底风道，影响排烟可靠性。再生制动的技术的应用，制动产热减少。因此对取消车站轨底风道方案的可行性进行研究具有必要性。

福州至长乐机场城际铁路工程列车采用逆变回馈再生制动，再生制动效率基本在50%～80%左右。采用快线标准，隧道盾构直径为7.2 m。车站排热风机选型风量为30 m3/s。根据SES 软件模拟计算结果，取消轨底风道后隧道内平均温度仅增加0.3 ℃左右，上升幅度很小，且隧道内最高温度满足规范要求。同时取消轨底风道，车站隧道中心里程处区间隧道断面更大（增加面积约2 m2），有利于缓解隧道风压，保证乘客舒适度要求。同时按每天运行18 h 计算，预计风机每年的运行能耗节省达30 万kWh/站，节省约23 万元/站。TEF 风机及风阀初投资减少18.5 万元/站。考虑到取消轨底风道可行且该调整带来的经济性，本线车站排热系统取消轨底风道。

3 洞口缓冲泄压装置

地铁列车在地下空间内运行，当运行速度超过100 km/h 时，列车驶入隧道，在隧道洞口处极易引起车内压力变化率和压力波动幅值过大，对列车运行的安全性、旅客乘坐的舒适性及隧道周围和车站环境均带来不利影响。乘客和列车司机出现耳膜不适等症状，甚至出现间歇性耳聋等职业疾病[2]。

目前，国内常见的缓冲结构形式，有断面扩大型缓冲结构和横断面不变、侧面或顶面开泄压孔的缓冲结构两种形式。为验证设置不同缓冲结构对列车入洞隧道断面突变处的压力变化率缓解效果，模拟列车以140 km/h 进入洞口隧道，分析距洞口不同距离处微气压波峰值，见表1。

表1 距洞口不同距离处微气压波峰值

依据《高速铁路设计规范》TB10621-2014 标准8.5.3 条洞口附近有建筑物或特殊环境要求时，宜通过设置洞口缓冲结构降低微气压波峰值，并满足表8.5.3中的微气压波峰值要求[3]，如表2。

表2 《高速铁路设计规范》微气压波峰值控制标准

由模拟结果可知，在洞口设置扩大断面型缓冲结构时，距洞口距离为20 m、50 m 的微气压波峰值满足规范要求。采用开泄压孔形式缓解微气压波效果不明显，不能完全满足规范要求。综上，本工程中当山岭隧道长度超过2 km 时，进出洞口设置缓冲结构断面面积为隧道断面面积的2 倍，长度为隧道等效直径的3 倍的断面扩大型缓冲结构。

4 穿山段射流风机配置

福州至长乐机场城际铁路工祥谦-首占区间起于闽侯县祥谦站，终止于长乐区首占站。区间共包含三座隧道，自西向东依次为：枕峰山隧道、大象山隧道与塘屿隧道，其中大象山隧道采用单护盾TBM 法施工。大象山隧道总长度4482.6 m，隧道纵断面最大纵坡8.0‰，最小纵坡4.0‰，隧道埋深范围约5.2 m～390 m，隧道中间段埋深最深约为390 m。

市域快轨长大区间隧道容易出现两列或者以上列车同时运行的情况，依据《市域快速轨道交通设计规范》(T/CCES2-2017)23.5.16，市域快轨同时存在两列或以上列车运行的区间隧道，火灾情况下当采用纵向通风排烟时，应设置区间通风道、通风井和通风排烟设备[4]。区间隧道中间设置竖井，以确保在两个竖井之间的区间段不会有两列车同时追踪，保证“人烟分离”。

大象山隧道如果采用区间设置竖井进行通风排烟方案，需设置不少于一个中间竖井，井深约390 m，竖井穿越中、微风化凝灰岩及岩溶水的水平流动带、垂直渗流带，竖井施工中容易导致地表水、地下水与隧道连通，引发隧道内大量涌水、突泥及井壁垮塌，增加了竖井和隧道施工的危害与困难。同时隧道采用TBM工法施工，断面尺寸固定，无设置中间风机房或斜井条件，因此需要采用射流风机诱导排烟。

为满足隧道平时通风工况隧道内的CO2浓度及温度要求，以及火灾工况排烟通风和人员疏散要求，采用以下两个设计方案进行比较分析。

方案一：在隧道两端洞口处布置若干组射流风机，布置情况见图1、图2。区间射流风机如采用隧道两端车站就近供电，因长大区间隧道长度过长，将导致电力线路过长，电压压降超大，因此，需在每组射流风机边上增设区间变电所。该方案需设置2 个区间变电所。

图1 隧道纵断面示意图

图2 隧道横断面示意图

方案二：在隧道两端洞口处及隧道中部布置若干组射流风机。布置情况见图3、图4。该方案需设置3 个区间变电所，其中1 个区间变电所设置在隧道中部。

图3 隧道纵断面示意图

图4 隧道横断面示意图

考虑福州至长乐机场城际铁路工程全线隧道。对方案一、方案二进行经济和技术优劣势分析，分析结果如下。

方案一：

优点：1）射流风机只设置于隧道两端，减少18 台射流风机，减少设备投资约180 万。2）取消隧道中间的射流风机及其相应的区间变电所。减少土建投资及施工难度。3）每个隧道横断面风机数量减少，有利于施工安装及后期运维。

缺点：隧道两端射流风机相应增多，风机距离洞口处区间变电所更远，电压压降增加，相应的电缆尺寸变大，增加电缆初投资。

方案二：

优点：通过增加每组及每个断面射流风机的数量，有利于风机运行时提供更大的风压抽力，火灾时排烟通风效果更佳。

缺点：1）区间隧道中间设置区间变电所，增加土建投资，且隧道采用TBM 工法，设置中间区间变电所施工难度巨大。2）区间隧道中间设置射流风机，增加控制模式及后期运维难度。

综上，大象山隧道的隧道通风系统，应采用隧道两端各设置一组射流风机诱导排烟。

5 结语

总结福州至长乐机场城际铁路工程通风空调设计思路如下：

1）市域快线对于采用逆变回馈再生制动的线路，从区间隧道内温度及经济性上分析，取消车站轨底风道方案具有可行性。

2）对于执行市域快线标准的线路，隧道洞口处应从实用及洞口附近的地形条件等因素出发，考虑设置缓冲结构形式。在洞口设置扩大断面型缓冲结构缓解微气压波效果优于在隧道洞口侧面开泄压孔。

3）地铁长大区间因地势，地质以及施工工艺等因素，无法设置中中间风机房或斜井，可采用隧道两端各设置射流风机组诱导排烟。