孟买地铁3号线通风性能化设计SES模拟应用

万坡绪

（上海公路桥梁（集团）有限公司，上海 200433）

国内新建地铁区间隧道通风系统设计多采用指令性规范设计方法，根据规范［1］参数要求进行设计计算与设备选型.规范设计能够提升设计效率，但无法根据具体工程情况进行性能化设计，往往造成通风防烟排烟系统设备选型容量过大或不能满足工程使用要求，运营成本不经济.国内也有部分学者使用数值模拟工具（SES，CFD，FDS等）针对隧道通风排烟某一特定专题进行模拟研究，师虹［2］借助数值模拟工具研究了双洞单向双向换气通风隧道火灾温度场及逃生疏散；黄俊杰［3］采用SES程序建立了某市域铁路两段地下区间不同工况下的模型并模拟计算获得相关通风参数间影响关系；马江燕等［4］采用实测与一维数值模拟方法指导站台门型式选择和运行策略制定；荣建忠等［5］在验证了SES数值模拟软件在有效性基础上采用SES和FDS数值模拟软件对双存车线区段的存车和正线火灾进行混合数值模拟研究并得到了双存车线最佳送风排烟气流组织模式下的排烟系统配置方案；刘伊江［6］指出国内防排烟设计由原指令性设计向性能化设计转型，地铁防排烟系统设计介于二者之间，尚未建立针对地铁工程消防性能化设计的基础理论体系及评价体系，文中指出了从性能化设计角度地铁区间隧道防排烟原则、列车火灾功率取值、排烟量计算等方面国内存在的问题.以上研究表明，在国内隧道通风排热设计过程中已经有部分学者开始尝试使用数值模拟工具支持设计及方案选型，但国内类似项目性能化设计还存在问题，同时，缺少整条区间隧道通风性能化设计SES模拟的工程应用案例.

印度孟买地铁3号线工程（mumbai metro line 3 project，MM3）参考日、美、欧等国规范［7］与类似工程设计经验，在项目招标规格说明书中提出MM3工程区间隧道通风系统方案采用性能化设计方法，对地下区间隧道（含车站轨行区）采用隧道模拟软件（IDA EQUA simulation AB V1.2，IDA）进行地铁环境模拟分析（subway environment simulation，SES），特殊区域结合3维数值模拟技术（fire dynamics simulator，FDS），并提供通过验证的区间隧道通风方案和设计参数.MM3项目SES数值模拟经过多次迭代以验证隧道通风方案在不同运行工况下区间隧道内实现的风速、压力变化、烟气流动与控制，以及长期20 a运营后区间隧道墙壁温度变化等关键参数，并指导优化隧道、车站通风系统设备选型.本文MM3工程通风性能化设计SES数值模拟应用探析为国内同行承担海内外类似项目性能化设计提供参考.

1 项目介绍及SES数值模拟范围

MM3地铁是印度孟买第1条地下双隧道地铁，地下区间全长32.5 km，隧道截面积24.5 m2，共设置26站，26区间.线路走向及车站分布，如图1所示.地下车站采用全高屏蔽门，地铁设计运行速度80 km·h-1，行车间距120 s，站内停靠30 s.

图1 MM3地铁线路图及车站分布Fig.1 MM3 metro line&stations

MM3工程性能化设计要求使用SES数值模拟并获得以下内容或参数：1）整条32.5 km地下双隧道20 a内正常运行工况下隧道壁（内壁深5 cm）温度变化；2）正常工况：隧道内环境温度、屏蔽门空气渗入和渗出量、作用于屏蔽门、旁通道联络门压力波动、列车内压力脉动、隧道新风量需求；3）阻塞工况隧道内环境温度；4）紧急工况隧道不同送风量下的隧道风速.

2 SES数值模拟分析及应用参数设置

2.1 隧道模型建立

根据隧道线路信息、折返线、车站布局、节点位置、线路海拔高程变化信息等在IDA软件内建立MM3工程隧道通风系统如图2所示网络模型.

图2 IDA隧道模型Fig.2 IDA tunnel model

2.2 项目参数设置

MM3工程所在地［8］平均海拔高度14 m；标准大气压101 157 Pa；11～5月非雨季温度干球温度33.9℃，湿球温度24.0℃，相对湿度60%，导热系数0.026 7 W·（m·K）-1；6～10月雨季温度干球温度30.9℃，湿球温度27.1℃，相对湿度74.73%，导热系数0.026 5 W·（m·K）-1；表层土4米以下底层土壤物性［9-10］密度2 042 Kg·m-3，导热系数0.29 W·（m·K）-1，比热781 J·（Kg·K）-1，年温度25.8～28.5℃，年平均温度27.2℃.地铁列车长度174.2 m，车头面积10.55 m2，列车周长15.94 m，车头阻力系数0.55，只与粘性阻力有关的表面摩擦系数0.012，列车最大载客量3 040人（平均每人体重65 kg），空车毛重329.195 t，AW3荷载列车载客6人·m-2总重量485.957 t，AW4荷载列车载客8人·m-2总重量529.525 t，刹车制动最大效率88%，对流换热系数20 W·（m2·K）-1，列车火灾强度15 MW中等火灾发展速度［7］；正常工况车辆载荷AW3，阻塞工况车辆载荷AW4.计划2 025年实现日客流量138 700人，2 031年实现日客流量169 900人.隧道通风喷嘴按面积1.6 m2，角度0°，效率100%简化处理.

区间隧道坡度对隧道内气流组织的影响通过计算出的临界速度乘以如图3所示梯度系数进行修正.

图3 确定临界速度的梯度系数Fig.3 Critical velocity gradient coefficient

表1 摩擦系数计算表Tab.1 Friction coefficient calculation

临界速度u根据规范［13-14］、文献［15］按式（5） 计算获得：

其中：ρa为环境空气密度，Kg·m-3，从孟买当地气象资料获得；Cp为热容，KJ·（Kg·K）-1，从孟买当地气象资料获得；Lb为烟气羽流长度，当Lb=0时，计算风速为临界速度；当Lb≠0时，计算风速为限制速度；g为孟买当地重力加速度；H为隧道高度，m，从土建结构资料中获得；Q·为总热负荷（HRR），KW，MM3工程资料提供15 000 kW；W为隧道宽度，m，从土建结构资料中获得；Ta为孟买当地环境温度，K；u为区间隧道轴向风速，m·s-1.

2.3 SES数值模拟

MM3项目SES模型中隧道与车站关键参数按照以上第1和第2.2章节参数配置后选定程序模型进行分项模拟工作.

图4 临界风速与阻塞率关系Fig.4 Critical velocity and blockage rate relationship

2.3.1 长期运行热沉模拟

长期运行热沉模拟目的是分析列车正常运行多年后隧道壁温度变化，以验证系统能否满足项目设计要求，同时，稳定的隧道壁温度将被用作IDA模拟列车正常工况、阻塞工况、紧急工况隧道空气温度的初始边界条件.输入列车正常运行工况发车频率及各系统设备散热量等参数，在SES-MM3模型内以AW3荷载，列车80 km·h-1运行速度，行车间距120 s，站内停靠30 s参数设置.模拟地铁20 a运行期限内隧道壁温度变化，模拟结果如图5所示.

图5 长期运行隧道墙壁温度曲线Fig.5 Long term wall temperature under operation

2.3.2 正常工况模拟

正常运行工况模拟分析以下案例：1）隧道内空气环境温度；2）通过屏蔽门的空气渗入和渗出量；3）作用于屏蔽门、旁通道联络门的压力波动；4）车厢内压力脉动分；5）隧道新风量需求.

同样，在SES-MM3工程模型内以AW3荷载，列车80 km·h-1运行速度，行车间距120 s，站内停靠30 s参数设置，模拟隧道和轨行区空气温度，模拟结果如图6所示.

图6 正常工况运行隧道区间环境温度Fig.6 Tunnel temperature in normal operation

屏蔽门空气量渗入与渗出，基于秒为时间刻度模拟1 h内各车站的数值，结果如图7所示.

图7 正常工况车站屏蔽门空气渗透量Fig.7 PSD infiltration volume in normal operation

作用于屏蔽门、旁通道联络门的压力波动基于隧道和轨行区空气动力学，模拟列车以70 km·h-1速度不靠站快速过站对屏蔽门产生的瞬时压力，以轨行区最大瞬时压力区间作为最不利工况区间.分别模拟4种不同工况下列车快速过站时屏蔽门瞬时压力波动值，结果如表2所列.作用于旁通道门压力波动，以列车80 km·h-1运行速度正常工况作为模拟参数，选取作用于旁通道门最大压力波动值作为整条线作用于旁通道门的压力值.模拟结果表明作用于屏蔽门上的推力为负300 Pa，吸力为正150 Pa.

表2 列车快速过站作用于屏蔽门空气压力波动Tab.2 Train fast crossings act on screen door air pressure fluctuations

模拟分析正常运行工况下的区间隧道和轨行区内部瞬态压力脉冲对乘客舒适性的影响以评估与改进隧道通风系统设计方案.在IDA模拟模型中选取上下行线最大瞬时压力进行分析，模拟结果如表3所列.

表3 列车正常运行压力脉冲对舒适度影响分析Tab.3 Pressure pulse analysis for air comfort in normal operation

隧道通风系统方案需要评估新风量需求满足程度，以符合乘客健康卫生要求等.列车区间隧道内运行由于活塞风效应，会产生一部分新风量进入隧道，同时，排出一部分隧道内污浊空气.利用IDA软件模拟列车正常运行工况下活塞风效应产生的新风量，选取上下行线产生的最小新风量值作为全线新风量评估值.模拟结果表明MM3工程每列列车活塞效应产生的最小新风量平均值为21.5 m3.

2.3.3 阻塞工况模拟

基于正常工况IDA软件内建立的MM3模型模拟阻塞工况，验证不同送、排风量下各种阻塞工况下的隧道环境，确定MM3项目隧道设计送、排风量参数.

MM3项目模拟3种阻塞工况：1）单线多车阻塞：模拟3列列车停在下行线.第1列车停留在车站轨行区下游区域，第2列车停留在车站下游隧道内，第3列车停留在车站上游隧道内；2）双线多车阻塞：模拟6列列车分别停留在上下行线.第1＆2列车停留在车站1轨行区，第3＆4列车停留在车站2轨行区，第5＆6列停留在车站1与2之间的隧道内（上、下行线）；3）2列列车阻塞在最长区间段隧道内且每列都停留在隧道通风区域，此案例考虑了未来最坏情况下的阻塞情况.

同时，进一步模拟最短隧道区间和折返线区域，以寻求最不利阻塞情况.每一模拟案例都多次迭代模拟风机风量和运行点，直至模拟的隧道内空气温度不大于45℃的设计标准截止.模拟结果如表4所列.

表4 列车阻塞工况隧道内空气温度及通风量Tab.4 Air temperature and ventilation in the tunnel for train blockage conditions

2.3.4 紧急工况模拟

紧急工况模拟主要分析验证紧急工况下区间隧道风速是否大于或等于此区间计算临界风速，如果SES输入送风量产生的区间隧道风速不小于区间计算临界风速，进一步以SES模拟获得的隧道实现风速作为CFD/FSD边界条件［13-15］对轨行区、折返线区域进行三维模拟，以确认是否产生过度通风使烟气进入下游区间隧道及区间隧道墙壁逃生通道区域环形最大风速不超过11 m·s-1.MM3项目设计3种紧急工况模拟案例：1）列车在普通隧道内着火；2）列车在折返线区域着火；3）列车在车站轨行区着火.SES紧急工况模拟初始关键参数以列车阻塞工况模拟获得的风量作为初始输入参数，送风与排风策略同阻塞工况，SES区间隧道网络模型采用列车阻塞工况相同模型.

首先，以阻塞工况模拟取得的通风风量、风机运行点、喷嘴推力关键参数作为初始输入参数，模拟紧急工况下的隧道内实现风速.基于每次模拟结果不断迭代风机风量、风机运行点、喷嘴推力参数等，直到模拟实现风速满足紧急工况设计要求.模拟结果表明，25～50 m3·s-1的送风量，80 m3·s-1的排风量能够满足列车典型隧道区间火灾烟气控制要求；25～50 m3·s-1的送风量，120 m3·s-1的排风量能够满足列车在折返线交叉口区域的烟雾控制要求.典型区域模拟结果如表5～6所列.

表5 紧急工况下行线通风风速模拟结果Tab.5 Simulation results for ventilation air velocity under down line emergency condition

表6 紧急工况上行线通风风速模拟结果Tab.6 Simulation results for ventilation air velocity under up line emergency condition

2.4 模拟结果应用

MM3项目隧道通风系统设计要求如表7所列.

表7 MM3工程设计要求Tab.7 MM3 project design requirement

2.4.1 隧道墙壁温度

地铁长期运行隧道壁温度模拟结果图5表明，依靠正常运行工况下列车产生的活塞风，在列车正常运行7年后隧道壁温度稳定在35.4℃，小于项目要求温度38℃.基于此模拟结果优化MM3工程隧道通风设计方案及正常运行工况隧道通风系统运行策略：正常运行工况，MM3工程隧道通风方案不需要提供其他降温措施（如制冷或夜间通风等），也不需要开启隧道通风设备可以维持隧道墙壁温度满足 工程要求.

2.4.2 正常运行隧道内空气温度

正常工况，隧道区间及轨行区空气温度模拟结果图6表明，依靠列车运行产生的活塞风能够维持隧道内环境温度不超过项目设计要求温度40℃；轨行区环境温度不超列车空调冷凝器要求温度50℃.基于SES模拟结果，正常工况MM3工程隧道、轨行区通风设计方案不需额外提供机械通风措施可以满足此项工程技术要求，从而可以节约正常工况下通风系统的运营费用.

2.4.3 屏蔽门渗透空气冷负荷

车站屏蔽门的渗入与渗出空气量模拟值作为车站空调系统冷负荷计算参数，合理计算车站冷负荷，实现车站空调系统设计、选型经济合理，以节约初始投资与系统运营费用.

2.4.4 作用于屏蔽门、旁通道门空气压力

SES模拟获得的作用于屏蔽门、旁通道门压力参数，将作为CFD/FSD模拟边界条件，进一步分析验证隧道阻塞工况、紧急工况（火灾）下特殊区域、地下折返线区域、车站轨行区通风系统对工程要求的满足情况，并指导隧道通风方案设计.

2.4.5 列车运行中空气压力波动

表3模拟结果与手册［11］比较，MM3正常运行工况下压力脉冲值在可接受舒适度范围内，因此，MM3工程无需为控制列车运行中的空气压力波动额外增加其他投资或压力波动控制措施.

2.4.6 列车运行活塞风量

MM3工程列车正常运行每列车产生的最小活塞风新风量平均值为21.5 m3.在进行轨底通风系统、隧道通风系统运行策略设计时应考虑此活塞风新风量，优化设备选型与设备运行策略，减少投资与运行费用.

2.4.7 列车阻塞工况隧道内空气温度

表4表明，为满足阻塞工况隧道内环境温度，单线单车或多车阻塞需要40 m3·s-1通风量，双线多车阻塞需要80 m3·s-1通风量，中间通风井区间双车阻塞需要100 m3·s-1通风量.阻塞工况SES模拟参数为紧急工况模拟提供初始参数，进一步验证紧急工况下隧道通风设计方案对设计要求的满足情况.

2.4.8 列车紧急工况隧道内风速、风量

隧道内列车各种火灾工况在选定的参数下，SES数值模拟的隧道实现风速都达到了烟气控制临界速度的要求.由于不同区段所需风速不同，因此，各个隧道区段风量需求也不相同.综合考虑各区间段风量需求设计隧道通风系统紧急工况通风方案及运营策略.

2.4.9 隧道通风系统设计与设备选型

综合以上各工况下MM3隧道通风模拟结果对项目技术要求的满足情况，特别是阻塞和紧急工况所需风机容量、喷嘴推力，迭代不同系统设备参数.最终确定MM3项目隧道通风系统风机额定值和喷嘴推力，MM3工程隧道通风系统设备选型如表8所列.

表8 隧道通风设备选型及通风策略Tab.8 Tunnel ventilation equipment selection and ventilation strategy

3 结论

MM3工程基于SES数值模拟通风设计工作已经完成，并且获得业主高度认可.SES数值模拟方案及模拟结果满足MM3工程要求.借助SES数值模拟工具与方法验证了孟买地铁3号线通风性能化设计方案的可行性，获得了工程正常工况运营区间隧道附近土壤温度从第7 a开始将稳定在35.4℃；正常运行工况仅依靠列车运行产生的活塞风即可满足工程要求的隧道环境温度；列车迅速通过后作用于旁通道、屏蔽门的压力在模拟通风方案下能够控制在工程要求范围内；正常运行工况列车内的压力波动小于工程规范要求，无需增加其他减压措施即可满足乘客对压力波动的舒适度要求；阻塞与紧急工况下获得的通风策略及通风量要求较好的优化了通风机的选型，使工程投资保持经济性；屏蔽门的渗漏空气冷负荷参数为车站空调负荷计算提供了较准确的计算参数，使空调设备选型更加精准.

MM3工程隧道通风方案性能化设计SES模拟迭代过程，一方面对区间隧道通风排烟方案进行了满足工程精度情况下的有效性验证，同时，MM3项目的SES最终数值模拟结果，指导隧道通风系统、车站空调系统设备选型，体现了性能化设计在满足系统使用、安全功能前提下降低系统投资费用的优势，与按照传统规范标准设计方法相比，根据SES数据模拟结果的通风空调系统设备选型方案能够节约系统初始投资额和保持系统设备高效运行降低运营费用，不会造成系统容量过剩，产生投资或运营浪费.

MM3工程投入运营后将进一步收集系统运营数据与SES模拟值进行比较，进一步完善模拟初始参数与模拟方法设计.同时，也为国内同行类似项目通风系统性能化设计数值模拟提供参考.