0 引言
随着城市用地的日趋紧张，铁路引入城市中心变得越来越困难，修建地下车站和区间隧道逐渐成为各国研究的课题。郝娜［1］介绍了地铁隧道通风系统中单、双活塞2 种系统的工作原理，给出了单、双活塞系统各自适用区域的应用建议; 匡江红等［2］通过数值分析，对地铁隧道通风系统进行了研究，从改变进气温度的角度研究了风井合并问题，提出室外合并风井的方案，减少了风井数量和地铁投资; 王峰等［3］对地铁不同运营期、不同排热风量的热环境进行了研究，得到了不同工况下的排热风量，并对活塞风井的风量和进出风情况进行了研究; 吴妍等［4］采用CFD 方法对活塞风井的通风性能进行了研究，分析了实际列车运营情况下，地铁车站风量不同数量和位置对风井通风性能的影响; 刘江［5］针对地铁单双活塞风井，通过软件模拟了两者在通风效果上的差异，分析了不同行车密度、不同排热风机风量对区间通风效果的影响; 余涛等［6］以莞惠城际铁路为研究对象，得到了取消车站轨道排热系统可以满足隧道内热环境的结论;赵望达等［7 － 8］、姜学鹏等［9］、赵红莉等［10］对高铁隧道火灾时烟气扩散、气流组织进行了研究。目前的研究多集中在地铁、城际铁路隧道运营通风以及铁路隧道火灾烟气控制方面，针对包含地下车站的高铁隧道运营通风系统的研究较少。
福田站为国内首座全地下高铁站，两端均与地下隧道相连，关于地下区间的通风设计无相关规范标准和案例可供参考，本文将介绍隧道运营通风系统方案和研究过程。
1 工程概况
广深港客运专线是国家《中长期铁路网规划》中的一条重要线路，主要承担深圳、香港与北京方向长途客运功能及广、深、港城市中心之间的高速城际客运功能。福田站及相关工程线路全长11． 14 km，由益田路隧道、福田站和深港连接隧道组成，3 段长度分别为6 236、1 021、3 886 m，深港连接隧道段往南为香港段，全长25． 9 km，由隧道和地下车站组成。益田路隧道和深港隧道(深圳段) (里程为DK111 + 987 ～ DK114 + 017) 为单洞双线隧道，隧道断面尺寸为89 m2;DK114 + 017 以南区段为双洞单线隧道，隧道断面尺寸为50 m2。福田站为国内首座全地下客运站，车站设4 条岛式站台和8条到发线［11 － 12］。线路示意如图1 所示。设计行车速度为200 km/h，车辆采用CＲH 动车组。
图1 线路平面示意图(单位: m)
2 福田站及相关工程隧道通风特点
2． 1 列车速度高、重量大、散热量大
地铁列车运行速度一般为80 ～ 100 km/h，本工程列车最高速度高达200 km/h，为地铁列车的2 ～ 2． 5倍。地铁列车单节车厢质量为30 ～ 35 t，CＲH 动车组每节车厢质量约50 t，为地铁的1． 4 ～ 1． 7 倍。在列车制动过程中，列车的动能大部分将转化为热量散发到隧道内，故本工程单节车厢的制动散热量远高于地铁列车，为地铁的2． 8 ～ 4． 3 倍。
2． 2 制动距离长、高温区段大
列车时速高，在加减速度相同的情况下，列车加减速的时间和距离均较地铁列车长，以0． 55 m/s2 的减速度计算，列车从200 km/h 到完全停止的制动距离为2 800 m，列车的产热主要是在制动过程中产生的，故在减速的区段内，列车的散热量较多。由于轨道排风系统只在车站隧道内设置，对区间隧道的作用较弱，故在列车制动的区段内温度较高。
2． 3 断面大、阻塞比小、活塞效应弱
地铁多为双洞单线，隧道断面在20 m2 左右，列车阻塞比为0． 4 ～ 0． 5，列车活塞效应较强。本工程为单洞双线，隧道断面积为89 m2，列车阻塞比仅为0． 15，活塞效应较弱，并且列车为双向行驶，活塞效应会进一步减弱，导致隧道内的散热量不能够及时排出，势必会造成隧道温度升高。
由以上分析可以得出如下结论: 本工程隧道具有散热量大、断面大、阻塞比小等特点，与常规的地铁设计不同，故需对隧道通风系统的配置进行研究，以确保隧道内的温度和新风量满足设计的要求。
3 隧道运营通风系统研究
3． 1 设计标准
文献［13］规定隧道内设计温度不高于28 ℃，由于本工程包含有地下车站，列车制动、停车和启动过程中会散发大量的热量。若按28 ℃进行设计，会导致运营通风系统配置和后期运营费用过大，故本工程的设计标准按《地铁设计规范》［14］执行。主要设计标准如下。
1)室外设计参数。隧道通风夏季室外计算干球温度为32． 0 ℃; 隧道通风夏季室外计算湿球温度为28． 0 ℃。
2)隧道温度设计标准。正常运行时区间隧道小时平均温度不超过40 ℃。
3)新风量设计标准。隧道内乘客新风量不小于12． 6 m3 /(h•人)。
3． 2 隧道运营通风系统配置
隧道内共设置5 处活塞风井，其中益田路隧道2处、福田车站2 处、深港隧道(深圳段)1 处。益田路隧道利用1#竖井和2#竖井作为活塞风井，福田车站在车站进出站端各设1 处活塞风井，深港隧道(深圳段) 利用皇岗公园工作井做为活塞风井，风井间距分别为1 498、1 576、1 021、1 620 m，风井内均设置事故隧道风机。在香港段利用米浦竖井设置活塞风井，设置里程为DK117 + 363。
为了及时排出列车停站时制动系统和空调系统的散热量，在福田车站隧道内设置轨道排热系统。隧道通风系统原理图见图2。
图2 隧道通风系统原理图
3． 3 计算边界条件
福田车站按车站站台设置屏蔽门设计。
车辆采用CＲH 型动车组，8 辆编组，车辆长度为214 m，平均加速度为0． 406 m/s2，平均减速度为0． 55m/s2，列车最高速度为200 km/h，高峰小时列车对数为20 对。
3． 4 活塞风井设置研究
在列车正常运营时，应充分利用列车产生的活塞风进行通风换气，从而达到对隧道降温除湿的目的，在确保隧道内新风量、人员舒适性与温度的同时，尽可能减少风机的运行时间，降低系统的运行能耗。为了对不同通风系统的设置进行对比分析，研究中提出了多种通风方案，以对正常运营时的通风系统进行优化。
3． 4． 1 区间隧道活塞风井设置研究
对益田路和深港隧道(深圳段)3 种活塞风井设置面积(见表1)进行研究。采用SES4． 1 模拟软件对隧道内新风量和温度进行模拟计算，计算结果见图3 和表2。
表1 区间隧道活塞风井比选方案
图3 不同区间风井面积下隧道内空气温度分布
表2 不同区间风井面积下隧道通风模拟结果
由图3 的温度分布结果可以得出如下结论:
1)隧道温度呈现两端低、车站高的趋势，有3 个温度最高点，分别为福田车站、靠近车站左端和右端活塞风井处，其中最高温度出现在靠近车站左端的活塞风井处。
2)车站两端高温区段长度多达4 000 m，均分布在车站和靠近车站两侧的区间隧道，说明散热量主要集中在该段区域。
3)车站两端活塞风井降温效果明显，经过活塞风井后最高温度降低3． 5 ～ 5 ℃。
由表2 可知: 1) 随着活塞风井面积的增加，进入隧道的新风量也随之增加。风井面积每增加20 m2，新风量增加60 ～ 80 m3 /s。3 种方案隧道内人员新风量均大于30 m3 /(人•h)，能满足规范要求。2) 风井面积增加会降低隧道内的温度，风井面积每增加20m2，平均温度降低1 ～ 1． 5 ℃。3) 随着风井面积的增加，新风量增加幅度和温度降低幅度逐渐减小，且会造成土建投资加大。
综合经济性和实施效果2 方面考虑，推荐采用方案2，即区间活塞风井面积取40 m2，隧道内的最高温度为39． 9 ℃。
3． 4． 2 福田车站活塞风井设置研究
采用SES4． 1 模拟软件对福田车站两端不同活塞风井面积进行计算，共选取以下3 种方案( 见表3)。新风量与温度计算结果见图4 和表4。
表3 福田车站活塞风井比选方案
图4 不同车站风井面积下隧道内空气温度分布
表4 不同车站风井面积下隧道通风模拟结果
由表4 计算结果可知: 1)随着车站两端风井面积的增加，新风量逐渐增加、温度逐渐降低，3 种方案都能满足新风量和温度要求。2)当风井面积由60 m2 增加为100 m2 后，新风量仅增加4%，隧道内的最高温度降低值为0． 4 ℃。
综合经济性和实施效果考虑，福田站两端的活塞风井面积按60 m2 进行选取。
3． 5 车站隧道排热风量研究
采用SES4． 1 软件对不同排热风量进行模拟计算，计算边界条件见表5，计算结果见图5 和表6。
表5 福田车站排热风量比选方案
图5 不同排热风量下隧道内空气温度分布
表6 不同排热风量下隧道通风模拟结果
随着排热风量的增加，新风量逐渐增加，隧道温度逐渐降低，并且随着排热风量的增加，空气的降温幅度逐渐减小。当排热风量高于450 m3 /s 时，人均新风量和隧道最高温度均满足设计标准要求。考虑到一定的安全余量和经济性，排热风量取540 m3 /s，隧道最高温度为39． 3 ℃，新风量为76 m3 /(人•h)。
4 结论与讨论
对于设有地下车站的高速铁路隧道，与常规地铁隧道相比，具有列车时速高、隧道断面大、列车阻塞比小、散热量大等特点，隧道通风系统的设计与地铁不同。根据以上模拟研究，得到了如下结论。
1)隧道内共设5 处活塞风井，分别为益田路1#风井和2#风井、福田站小里程和大里程端风井以及皇岗公园风井，风井间距分别为1 498、1 576、1 021、1 620 m。
2)福田车站两端活塞风井面积均为60 m2，其余3处活塞风井面积均为40 m2。
3) 福田车站内设置轨道排风系统，排热风量为540 m3 /s。
4) 优化后人均新风量为76 m3 /(人•h)，隧道最高温度为39． 3 ℃，均满足设计标准要求。
本文对运营通风系统进行了研究，而阻塞和火灾通风系统将是本课题下一步的研究方向。
摘自：隧道建设