王遠

中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司

0 引言

近年來，國內(nèi)各種制式的新型軌道交通快速發(fā)展，現(xiàn)代有軌電車（以下簡稱有軌電車）是在傳統(tǒng)有軌電車基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型快速交通系統(tǒng)，現(xiàn)代有軌電車發(fā)展比較完善，賦予一定的路權(quán)，運量比公共汽車大，路權(quán)可以共用[1]。

目前有軌電車地下區(qū)間通風(fēng)排煙研究較少，沒有相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)作為依據(jù)，設(shè)計一般參考地鐵區(qū)間通風(fēng)排煙方案。地鐵區(qū)間以縱向機械通風(fēng)排煙方案為主，部分學(xué)者對地鐵自然通風(fēng)方案進行了研究，陳中[2-5]等對地鐵自然通風(fēng)方案進行研究，認為自然通風(fēng)可以滿足地鐵通風(fēng)和排煙要求，可以節(jié)省初期投資，設(shè)備投資和運營費用。曾柯皓[6]研究了流風(fēng)機和通風(fēng)豎井相結(jié)合的隧道通風(fēng)排煙方案。

有軌電車地下區(qū)間的通風(fēng)排煙采用隧道風(fēng)機方案對車站規(guī)模影響大，初投資高，運維費用高。區(qū)間自然通風(fēng)方案需永久占用市政道路，對道路寬度及景觀影響大。為解決上述問題，本文對有軌電車地下區(qū)間自然通風(fēng)排煙和隧道風(fēng)機通風(fēng)排煙方案分析研究，并對不同方案的土建規(guī)模、投資、道路景觀、后期運營費用等進行對比。提出有軌電車地下區(qū)間射流風(fēng)機通風(fēng)排煙方案，對不同方案提出其適用范圍，為新建有軌電車地下區(qū)間隧道通風(fēng)排煙設(shè)計提供參考。

1 地下區(qū)間通風(fēng)排煙方案

根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》GB 50157-2013 和《城市軌道交通通風(fēng)空氣調(diào)節(jié)與供暖設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 51357-2019 要求：地鐵及城市軌道交通地下區(qū)間機械通風(fēng)方案需滿足以下要求：正常運行時，應(yīng)將車站及區(qū)間隧道內(nèi)部空氣環(huán)境控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。列車阻塞在區(qū)間隧道時，應(yīng)對阻塞區(qū)間進行有效通風(fēng)，應(yīng)按照控制列車最不利點的隧道空氣溫度低于45 ℃校核，風(fēng)速不小于2 m/s 且不大于11 m/s。列車在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)事故時，應(yīng)滿足防煙排煙以及事故通風(fēng)功能要求。根據(jù)規(guī)范要求，自然通風(fēng)和隧道風(fēng)機機械通風(fēng)排煙均能滿足要求。

1.1 自然通風(fēng)方案

自然通風(fēng)方案是指在區(qū)間隧道的頂部每隔一定距離，開設(shè)與外界大氣直接接觸的通風(fēng)豎井，利用外界的空氣與隧道內(nèi)的空氣進行交換，以達到對地下空間的空氣溫度，濕度，空氣流速和空氣品質(zhì)進行控制的目的。參考《地鐵設(shè)計防火標(biāo)準(zhǔn)》GB51298-2018，排煙口應(yīng)設(shè)于區(qū)間外墻上方或頂板上，有效面積不應(yīng)小于該區(qū)間水平投影面積的5%。如圖1 所示：

圖1 區(qū)間自然通風(fēng)示意圖

正常運行時，利用列車運行的活塞效應(yīng)，通過區(qū)間頂部自然通風(fēng)口與外界通風(fēng)換氣，維持區(qū)間隧道溫度和人員新風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)。行車阻塞時，利用頂部通風(fēng)口自然通風(fēng)，排出列車產(chǎn)生的熱量，控制隧道內(nèi)最不利點溫度不超過45 ℃，以維持列車空調(diào)器的正常運行，并為人員提供新風(fēng)。隧道火災(zāi)時，煙氣通過就近的自然通風(fēng)口排出，新風(fēng)由相鄰的通風(fēng)口引入。

1.2 隧道風(fēng)機機械通風(fēng)

隧道風(fēng)機機械通風(fēng)與常規(guī)地鐵地下區(qū)間隧道通風(fēng)排煙系統(tǒng)相同，該方案在車站兩端設(shè)置活塞風(fēng)道，并在風(fēng)道內(nèi)設(shè)置隧道風(fēng)機，通過風(fēng)機的機械通風(fēng)滿足隧道內(nèi)的溫濕度及正常，阻塞和火災(zāi)工況要求。

區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)由軸流式隧道風(fēng)機，風(fēng)閥，消聲器，風(fēng)室和風(fēng)道組成。服務(wù)于區(qū)間的隧道風(fēng)機布置在每個車站兩端風(fēng)道內(nèi)，每端設(shè)置兩臺隧道風(fēng)機，并在風(fēng)機前后設(shè)消聲器?；钊L(fēng)道要求布置順暢以減小阻力，長度一般不大于40 m?；钊L(fēng)道一般不單獨設(shè)置，與機械通風(fēng)共用。車站兩端各設(shè)置兩臺并聯(lián)的隧道風(fēng)機和相應(yīng)風(fēng)閥，以保證一端的兩臺隧道風(fēng)機相互備用，提高防災(zāi)的安全性。如圖2 所示：

圖2 隧道風(fēng)機通風(fēng)排煙方案平面示意圖

1.3 射流風(fēng)機機械通風(fēng)

射流風(fēng)機通風(fēng)排煙方案是在區(qū)間隧道兩端近車站處設(shè)置射流風(fēng)機，由于車站有乘客候車，因此煙氣不能穿過車站繼續(xù)向前蔓延，因此在車站端頭需設(shè)置約100 m2左右的通風(fēng)口。

區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)由射流風(fēng)機+車站兩端通風(fēng)口組成。在區(qū)間隧道內(nèi)設(shè)置可逆射流風(fēng)機，采用側(cè)墻安裝方式，左右線各需設(shè)置2 組（每組2 臺，共4 臺）射流風(fēng)機，在車站兩端分別設(shè)置100 m2的通風(fēng)口，正常運營時作為活塞通風(fēng)口，事故及火災(zāi)時，作為區(qū)間射流風(fēng)機機械通風(fēng)時的進風(fēng)口或排煙口，可避免煙氣進入車站區(qū)域。如圖3 所示：

圖3 射流風(fēng)機通風(fēng)排煙方案平面示意圖

2 三種方案特點分析

2.1 區(qū)間自然通風(fēng)方案特點

區(qū)間自然通風(fēng)方案具有以下特點：

1）車站無需設(shè)置隧道風(fēng)機房，活塞風(fēng)道和隧道風(fēng)機，只在區(qū)間隧道頂部設(shè)置通風(fēng)口，節(jié)省機房面積，減少設(shè)備和土建投資，簡化系統(tǒng)控制，降低運行耗電量，節(jié)約了運營費用。

2）正常運行時，區(qū)間隧道直接與外界大氣相連，行車引起的活塞換氣量大，可以明顯改善區(qū)間的空氣質(zhì)量。

4）火災(zāi)工況時，煙氣就可近排出，排煙效果好，乘客就可以向隧道兩邊進行疏散，加快疏散速度。

5）FAS、BAS 專業(yè)減少了監(jiān)控點數(shù)，簡化控制程序，系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和可靠性高，節(jié)約了硬件和軟件的投資。

6）區(qū)間頂部通風(fēng)口容易進入雨水，需增加給排水專業(yè)投資和運維。若通風(fēng)口設(shè)置為側(cè)出，則無排水問題，但需增加風(fēng)亭高度，增加景觀處理難度。

7）列車的噪聲會通過通風(fēng)豎井傳至地面，需要進行降噪處理（如栽種灌木等）。根據(jù)蘇州有軌電車2 號線經(jīng)過實地測量發(fā)現(xiàn)，距離地面風(fēng)井10 m 處背景噪聲為48～50dB (A)，有軌電車通過時噪聲為68～70 dB(A)，汽車通過時噪聲為66～69 dB(A)。

8）區(qū)間隧道頂部開設(shè)通風(fēng)口，增加了區(qū)間土建投資，需永久占用道路空間。

2.2 隧道風(fēng)機機械通風(fēng)

車站設(shè)置隧道風(fēng)機通風(fēng)排煙具有以下特點：

1）區(qū)間隧道為全封閉的地下空間，僅依靠少數(shù)活塞風(fēng)井與外界連通，與外界的互擾性小。市政道路地面灰塵及室外空氣質(zhì)量對隧道內(nèi)空氣質(zhì)量影響很小，傳至道路兩邊的噪聲幾乎可忽略不計。

2）阻塞工況和火災(zāi)工況時，依靠隧道風(fēng)機通風(fēng)排煙，風(fēng)速和風(fēng)量能夠得到保證。

3）區(qū)間無需地面開孔，對市政道路和景觀無影響，市政積水倒灌風(fēng)險小，安全性高。

4）隧道風(fēng)機通風(fēng)排煙方案在地鐵隧道通風(fēng)排煙工程中應(yīng)用廣泛，安全可靠，得到了實踐的證明，是一種成熟的地鐵區(qū)間隧道通風(fēng)排煙方案。

5）車站內(nèi)需設(shè)置專用隧道通風(fēng)機房和風(fēng)道，土建和設(shè)備的投資增大。

6）依靠車輛活塞通風(fēng)不能滿足區(qū)間溫度和新風(fēng)量要求時，需開啟機械通風(fēng)設(shè)施，區(qū)間阻塞，事故及早晚通風(fēng)工況均需采用機械通風(fēng)方式，增加能耗和運營維護費用。增加了FAS、BAS、電力等配套專業(yè)的投資和運維費用。

7）區(qū)間事故時需聯(lián)動相鄰車站的隧道通風(fēng)設(shè)備，動作設(shè)備數(shù)量多，控制復(fù)雜。

2.3 射流風(fēng)機機械通風(fēng)

區(qū)間射流風(fēng)機通風(fēng)排煙具有以下特點：

1）區(qū)間隧道為全封閉的地下空間，僅依靠少數(shù)活塞風(fēng)井與外界連通，與外界的互擾性小。市政道路地面灰塵及室外空氣質(zhì)量對隧道內(nèi)空氣質(zhì)量影響很小，傳至道路兩邊的噪聲幾乎可忽略不計。

2）阻塞工況和火災(zāi)工況時，依靠隧道風(fēng)機通風(fēng)排煙，風(fēng)速和風(fēng)量能夠得到保證。

3）區(qū)間射流風(fēng)機通風(fēng)排煙方案無需設(shè)置專用的機房風(fēng)道，對車站規(guī)模影響小。

4）在隧道內(nèi)需要設(shè)置隧道通風(fēng)機處有局部土建外擴及配電等設(shè)備，區(qū)間土建和設(shè)備的投資略有增加，夜間通風(fēng)時開啟射流風(fēng)機，增加了運營維護成本。

5）在依靠車輛活塞通風(fēng)不能滿足區(qū)間溫度和新風(fēng)量要求時，需開啟射流風(fēng)機，區(qū)間阻塞，事故及早晚通風(fēng)工況均需采用機械通風(fēng)方式，增加了后期運營費用。

6）增加了FAS，BAS 及電力專業(yè)的初投資及運營費用。

7）區(qū)間事故時需聯(lián)動相鄰車站的隧道通風(fēng)設(shè)備，動作設(shè)備數(shù)量多，控制復(fù)雜。

射流風(fēng)機方案在國內(nèi)有軌電車及地鐵隧道通風(fēng)工程中目前尚無案例，但在市政隧道有所應(yīng)用。

以上三種區(qū)間通風(fēng)方案特點對比分析見表1。

表1 區(qū)間隧道通風(fēng)排煙方案對比表

3 工程投資分析

本投資概算以一站一區(qū)間為研究對象，區(qū)間長度為2 km，每個通風(fēng)豎井20 m2。每隔60 m 設(shè)一個長約30 m2的通風(fēng)豎井，共設(shè)33 個自然通風(fēng)豎井。

3.1 自然通風(fēng)方案

設(shè)備投資：自然通風(fēng)方案取消車站兩端的隧道風(fēng)機，機房和活塞風(fēng)井，也無需設(shè)置射流風(fēng)機，因此無此部分概算。土建投資：每個通風(fēng)豎井增加投資約10 萬元，共計330 萬元。其它專業(yè)投資：若設(shè)置側(cè)風(fēng)口，防雨百葉則排水投資及運維費用均無增加。若設(shè)置頂出風(fēng)口則因開孔增多，水泵功率提升，增加給排水設(shè)備投資2 萬元，土建投資5 萬元，共計7 萬元。區(qū)間排水泵房每臺水泵功率增加4 kW，2 臺水泵共計增加8 kW，按每臺水泵每年開啟時間為90 天，每天4 個小時計，車站增加運營費用約0.2 萬元（本文所有電價按0.67元/度計）。

3.2 機械通風(fēng)方案

3.2.1 車站隧道風(fēng)機方案

設(shè)備投資：每座車站設(shè)置隧道風(fēng)機4 臺，8 套土建式消聲器，10 套電動風(fēng)閥，設(shè)備與安裝費用共計約240萬[7]。土建投資：每座車站需要4 條活塞風(fēng)道和4座活塞風(fēng)井（按100 萬元1 座計），共400 萬元。隧道風(fēng)機房按400 m2（按7000 元/m2計），共280 萬元。共計680萬。其它專業(yè)投資：配電專業(yè)每站設(shè)置用電負荷360 kW（一級），變壓器50 萬、電纜、開關(guān)等設(shè)備投資為50 萬，共100 萬元，土建投資15 m2（按7500 元/m2計），土建投資為11.25 萬元，共計111.25 萬元。運營費用：隧道風(fēng)機按90 kW/臺，每天早晚通風(fēng)時間按1 小時計算，則設(shè)備的運營費用為2.2 萬元/年臺，共計8.8萬元。

3.2.2 區(qū)間射流風(fēng)機方案

設(shè)備投資：每座車站設(shè)置射流風(fēng)機8 臺，共計設(shè)備投資為40 萬元。土建投資：每臺射流風(fēng)機需設(shè)置局部外擴，每個增加土建投資約3 萬元，每個車站4 個區(qū)間外擴，共12 萬元。其他專業(yè)投資：配電專業(yè)每站設(shè)置用電負荷240 kW（一級），電纜、開關(guān)等設(shè)備投資為70萬元，土建投資15 m2（按7000 元/m2計），土建投資為10.5 萬元，共計85.5 萬元。運營費用：射流風(fēng)機按30 kW/臺，每天早晚通風(fēng)時間按1 小時計算，則設(shè)備的運營費用為0.73 萬元/年臺，共計5.84 萬元。

以上三種通風(fēng)排煙方案經(jīng)濟性對比詳見表2（注：本計算自然通風(fēng)按照增加排水量考慮）。

表2 區(qū)間通風(fēng)排煙方案經(jīng)濟比較表

4 結(jié)論與建議

通過上述分析比較，從以下幾方面確定有軌電車工程的隧道通風(fēng)模式：

1）具體方案應(yīng)根據(jù)線路走向和地面情況，有軌電車地下區(qū)間設(shè)置機械通風(fēng)和自然通風(fēng)方案都可行。

2）自然通風(fēng)方案的通風(fēng)及排煙效果最好，土建投資與后期運營費用最少，但市政道路的寬度、景觀、城市內(nèi)澇對區(qū)間的影響較大，如果市政道路本身有或規(guī)劃有滿足寬度的綠化帶時則建議優(yōu)先選擇自然通風(fēng)排煙方案，可顯著降低后期運維費。

3）隧道風(fēng)機機械通風(fēng)排煙方案是在原有車站長度約60 m（三模塊有軌電車）的基礎(chǔ)上需增加約40 m 的車站風(fēng)道，對車站土建影響過大，初投資和運行費用最高，僅當(dāng)自然通風(fēng)和射流風(fēng)機方案無設(shè)置條件時考慮采用。

4）射流風(fēng)機機械通風(fēng)排煙方案初投資、運行費用低，對地面道路景觀影響小，通風(fēng)排煙效果好，具備了自然通風(fēng)方案的車站規(guī)模小和隧道風(fēng)機機械通風(fēng)方案對地面道路影響小等諸多優(yōu)點，后期有軌電車設(shè)計中可以優(yōu)先考慮。

車站隧道風(fēng)機和自然通風(fēng)方案在地鐵中均有應(yīng)用，但是均有一定的局限性，因此本文提出采用射流風(fēng)機通風(fēng)排煙的方案，既可降低車站的投資，又可以減少區(qū)間自然通風(fēng)井?dāng)?shù)量，兼具兩者優(yōu)勢。但該方案在國內(nèi)軌道交通設(shè)計中尚屬首次，為有軌電車區(qū)間通風(fēng)系統(tǒng)提供了一種全新的設(shè)計理念，與此同時帶來諸多新的課題，例如射流風(fēng)機大小、通風(fēng)口的大小、間距如何設(shè)置才能保證最佳的通風(fēng)排煙效果以及阻滯和火災(zāi)工況下的通風(fēng)排煙效果將是下一步研究的方向。