Исследование термодинамических параметров воздушной среды на линиях метрополитенов с однопутными и двухпутными тоннелями

Введение

В настоящее время в России работают метрополитены в семи крупных городах. Каждый из метрополитенов обладает своей спецификой с части конструктивного исполнения, технологических подходов при сооружении и эксплуатации, инженерного обеспечения функционирования, включая системы вентиляции (табл. 1).

Как следует из табл. 1, подавляющее большинство линий метрополитенов состоит из однопутных тоннелей как глубокого, так и мелкого заложения. Вместе в тем в последние годы на метрополитенах Москвы и Санкт-Петербурга началось сооружение двухпутных тоннелей, чему способствовало развитие современных строительных геотехнологий на основе тоннельных механизированных проходческих щитов (ТМПК) [1]. Применение ТМПК позволяет осуществлять сооружение двухпутных тоннелей даже в сложных инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга [2].

Таблица 1

Характеристика метрополитенов России [составлено авторами]

Перспективы использования двухпутных тоннелей доказаны многолетним периодом их эксплуатации во многих мегаполисах мира. Как свидетельствуют публикации [3], даже в условиях жаркого климата проектные решения по вентиляции двухпутных тоннелей дают возможность обеспечить при их эксплуатации более комфортные условия по термодинамическим параметрам воздуха по сравнению с их однопутными аналогами.

В России тоннели с двумя путями в одном поперечном сечении благополучно эксплуатируются в Москве и Санкт-Петербурге. В будущем рассматривается проект создания двухпутных перегонов в Новосибирске и Екатеринбурге.

Данные исследований [4, 5] свидетельствуют о том, что к числу главных факторов, формирующих аэротермодинамические характеристики воздушной среды в тоннелях, относятся: метеорологические условия наружного воздуха (табл. 2); геометрические параметры трассы тоннеля, влияющие на энергетические затраты на движение составов метрополитена; параметры движения поездов: скорость и интенсивность (парность, т.е. количество пар поездов в течение часа), глубина расположения относительно поверхности, тип перегонных тоннелей (однопутные или двухпутные), схема проветривания, наличие на перегонах между станциями дополнительных выработок (сбоек между однопутными тоннелями, вентиляционных сооружений для обеспечения подачи воздуха и т.п.).

Таблица 2

Климатические условия в городах России, где эксплуатируется метрополитен [составлено авторами]

В табл. 2 позиции 8–12 иллюстрируют разницу между температурами воздуха в городах России, где расположены метрополитены, и городами зарубежных стран, в которых этот вид транспорта получил значительное развитие.

Суровый климат России существенно влияет на характеристики аэротермодинамики атмосферного воздуха, что необходимо учитывать при разработке мер по поддержанию оптимальных климатических условий [6].

Целью данного исследования является установление на основе экспериментальных данных закономерностей протекания аэротермодинамических процессов для последующей разработки рекомендаций по нормированию параметров воздушной среды в тоннелях метрополитена (однопутных и двупутных), расположенных на разной глубине заложения.

В работе использовалась методика экспериментальных исследований, описанная в [7]. Математический аппарат моделей для прогноза термодинамических параметров воздуха в системах подземного транспорта позволяет достаточно надежно верифицировать результаты экспериментов [8].

Экспериментальные исследования проводились в разных тоннельных сооружениях. В однопутных и двухпутных тоннелях глубокого и мелкого заложения метрополитена Санкт-Петербурга и в однопутных тоннелях мелкого заложения метрополитена Новосибирска.

Основные задачи, решаемые в ходе осуществления исследований, сводятся к следующему:

1. Инструментальные измерения распределения температур (влажностей) воздуха по длине исследуемых участков перегонных тоннелей как при отсутствии поездов, так и при их движении с различной интенсивностью (измеряемой количеством пар поездов в час, пар/ч);
2. Определение основных факторов, оказывающих влияние на установленные распределения температур (влажностей);
3. Установление закономерностей изменения температур и влажностей;
4. Разработка предложений по использованию выявленных закономерностей для обеспечения нормативных параметров воздушной среды.

Идея статьи состоит в том, что в качестве основы для выбора технических решений по совершенствованию систем вентиляции метрополитенов следует принимать выявленные особенности формирования аэротермодинамических процессов, зависящих от конструктивных параметров перегонных тоннелей и глубины их заложения.

Вентиляционные и тепловые режимы однопутных тоннелей глубокого заложения

Как следует из табл.1, основные линии метрополитенов Санкт-Петербурга включают однопутные тоннели, глубина заложения которых более 50 м.

Сотрудниками Санкт-Петербургского горного университета совместно с ГУП «Петербургский метрополитен» в течение летнего периода 2023 г. были выполнены натурные измерения температуры и относительной влажности тоннельного воздуха на участке третьей Невско-Василеостровской линии (перегоны между станциями «Приморская» – «Василеостровская» – «Гостиный двор»).

Измерения температуры в периоды движения и отсутствия поездов осуществлялись термографами iButton Temperature Loggers, имеющими погрешность ±0,5 °С. Термографы были размещены по длине вышеуказанных перегонов (рис. 1).

Рис. 1. Схема расположения датчиков для измерения температуры воздуха на участке однопутных тоннелей трех линий метрополитена:
а – перегон «Приморская» – «Василеостровская»; б – перегон «Василеостровская» – «Гостиный двор») [составлено авторами]

В вентиляционных каналах термографы крепились на вертикальных тяжах, в транспортных зонах – прикреплялись к обделке тоннелей. Измерения проводились с интервалом 120 с в течение семи дней, а их значения сохранялись в запоминающем устройстве термографа. Раз в неделю датчики снимались, а информация переносилась на электронный носитель (персональный компьютер) через специальное устройство приема.

Регистрация значений температуры поверхности обделки и относительной влажности выполнялась в периоды отсутствия движения поездов и осуществлялась соответственно инфракрасным пирометром и гигрометром (TESTO 625).

Проветривание тоннелей на перегонах «Приморская» – «Василеостровская» и «Василеостровская» – «Гостиный двор» во время проведения замеров при отсутствии и движении поездов осуществлялось соответственно по схемам, предусматривающим подачу наружного воздуха на станции и близлежащие сбойки с последующим удалением воздуха по шахтам на перегоне, и при подаче наружного воздуха через станционную и перегонную шахты с удалением исходящей струи со станции «Гостиный двор».

На выбранном участке, в частности «Приморская» – «Василеостровская», в режиме притока / вытяжки работали вентиляционные агрегаты при 100%-ной мощности: ВОМ-24Р, FTDA-REV-200 с расходами воздуха ~46–56,4 м³/с и скоростью воздуха ~4,6–5,64 м/с при депрессии вентиляторов ~922–1100 Па.

На перегоне «Василеостровская» – «Гостиный двор» – ВОМ-18Р, ВОМ-18-01, FTDA-REV-180, FTDA-REV-200. Расходы воздуха ~48,6–74,8 м³/с (скорость ~4,86–7,48 м/с) при депрессии вентиляторов ~990–1520 Па.

Результаты замеров представлены на рис. 2, 3.

Рис. 2. Распределение температур воздуха и стенок, влажности воздуха на перегоне «Приморская» – «Василеостровская» – «Гостиный двор» при отсутствии движения поездов [составлено авторами]

Рис. 3. Распределение температур воздуха и стенок, влажности на перегоне «Приморская» – «Василеостровская» – «Гостиный двор» при движении 24 пар поездов в часы пик [составлено авторами]

На рис. 2 показан график распределения температуры воздуха, поверхности обделки и влажности в тоннелях на перегонах «Приморская» – «Василеостровская» – «Гостиный двор» при отсутствии движения поездов.

Изменение распределения температуры воздуха в тоннеле по длине перегонов имеет немонотонный характер. Максимальное значение наблюдается в районе станции, а минимальное в серединной части перегона. Это связано с особенностями использования разных схем вентиляции в разное время суток.

Следует отметить, что температура воздуха имеет более низкие значения, чем температура поверхности обделки тоннеля, из-за прогрева грунта в дневной период, когда движение поездов является дополнительным источником тепла. Относительная влажность воздуха варьируется в интервале 60–70 %.

Распределение температур воздуха по длине перегонов при движении поездов представлено на рис. 3.

Анализ результатов измерений показывает, что характер изменения температуры воздуха по длине перегонов в целом повторяет аналогичное распределение при отсутствии движения поездов за исключением определенной разницы в их значениях для тоннелей на первом и втором путях.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что средняя температура воздуха на перегонах и станциях может превышать температуру воздуха на поверхности на ~14 °С.

Причинами этого явления являются: значительное выделение тепла на участках между станциями (перегонах); использование в дневное время схем подачи свежего воздуха через вентиляционные стволы, что приводит к образованию циркуляционных контуров.

На участке тоннеля от точки смешения с наружным воздухом до станции на изменение температуры воздуха оказывают влияние несколько факторов, например, увеличение расхода воздуха и выделение тепла движущимися поездами, процессы теплообмена между воздухом, конструкциями тоннеля и вмещающимися породами, а также процессы массообмена [9].

В то же время рост интенсивности движения поездов создает двусторонний эффект: с одной стороны, возрастает общее количество выделяемого тепла, а с другой – увеличивается расход воздуха в циркуляционных потоках.

Опираясь на разработанное методическое обеспечение, позволяющее определять параметры воздухораспределения в пристанционной вентиляционной сбойке метрополитена с учетом поршневого действия поездов, авторы исследования провели ряд расчетов тепловыделения и расхода воздуха в циркуляционных потоках при движении поездов для количественной оценки взаимовлияния указанных факторов.

Исходные данные для расчетов: средняя скорость поезда – 50 км/ч; число вагонов – 8; сечение тоннеля – 21 м²; длина перегонов – 500–3500 м. Основные результаты расчетов представлены на рис. 4.

Рис. 4. Расход циркуляционного воздуха Qц, отношение количества теплоты от поездов к расходу циркуляционного воздуха (сплошная линия) в зависимости от интенсивности движения поездов Nп (пар/ч)

Анализ полученных данных демонстрирует, что при одновременном увеличении парности поездов с 15 до 45 пар в час и длины перегона с 500 до 3500 м количество циркуляционного воздуха Qц увеличивается в 2,5 раза. Вместе с тем, оказывается, что отношение количества теплоты, выделяемой от поездов, к расходу циркуляционного воздуха N0 не зависит от интенсивности движения и при разных длинах перегонов варьируется от 4 до 8,75. При этом отношение N₀ постоянно для каждой длины перегона.

Таким образом, можно утверждать, что температура воздуха в транспортных зонах тоннелей практически не зависит от парности движения поездов.

Вместе с тем увеличение расхода циркуляционного воздуха может привести к другому негативному эффекту – увеличению концентрации взвешенной пыли, особенно в весенний период, когда наблюдается повышенная концентрация пыли в атмосфере. Это предположение подтверждается рядом проведённых исследований [12].

При эксплуатации однопутных тоннелей глубокого заложения в возникающих циркуляционных контурах аккумулируется часть теплоты от подвижного состава и других источников. В летний период это приводит к повышению температуры тоннельного воздуха, поступающего на станции (см. рис. 2, 3). Для снижения температуры воздуха можно предусмотреть установку вентиляционных сбоек непосредственно у станций холодильного оборудования, описанного в [10].

В зимний период циркуляционный воздух, смешиваясь на перегоне с холодным наружным воздухом, способствует достижению на станциях положительной температуры.

Таким образом, циркуляционные контуры играют двоякую роль: в летний период теплота, аккумулированная в них, провоцирует дополнительный подогрев воздуха и прогрессирующий прогрев вмещающих пород; зимой, наоборот, циркуляционный воздух дает возможность обеспечить на станциях и в тоннелях положительную температуру [13].

Вентиляционные и тепловые режимы однопутных тоннелей мелкого заложения

Отличительной особенностью аэродинамических процессов в однопутных тоннелях мелкого заложения по сравнению с аналогичными процессами в тоннелях глубокого заложения является то, что образующиеся на перегонах между станциями (или сбойками) циркуляционные контуры имеют тесную аэродинамическую связь с поверхностью [14].

При глубоком заложении линий метрополитена распределения температур по длине циркуляционных контуров формируются в горизонтальной плоскости и определяются только расходом воздуха, инициируемым движущимися по параллельным тоннелям поездами, и количеством теплоты, выделяемой ими. При мелком заложении на распределение температуры оказывает значительное влияние наружный воздух, поступающий в выработки через сбойки и пешеходные пути, которым подпитываются циркуляционные контуры, в том числе даже при неработающих вентиляторах.

То есть можно утверждать, что циркуляционный контур формируется как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях. Данный вывод подтверждается данными измерений скоростей воздуха на станции «Площадь Гагарина-Михайловского», «Речной вокзал», «Сибирская» и др. в г. Новосибирске. Смешение циркуляционного воздуха с наружным воздухом приводит к изменению температурного распределения по длине циркуляционного контура.

Если в летний и весенний периоды такие изменения не приводят к нарушению нормативных показателей, то в зимний период температура воздуха на станциях может существенно отличаться от этих показателей в сторону понижения, что требует подогрева наружного воздуха, поступающего вследствие действия поршневого эффекта.

На основании выполненных экспериментальных исследований и численных расчетов можно сформулировать ряд предложений по управлению проветриванием линий метрополитена мелкого заложения в условиях Новосибирска (рис. 5) [15].

Рис. 5. Подходы по управлению проветриванием линий метрополитена мелкого заложения в условиях Новосибирска [составлено авторами]

Вентиляционные и тепловые режимы двухпутных тоннелей

Натурные исследования термодинамических параметров воздуха в двухпутных тоннелях на участках: «тупик» – «Беговая» – «Зенит» – точка сопряжения с однопутными тоннелями, выходящими на станцию «Приморская» (рис. 6), были также осуществлены летом 2023 г. Расстановка датчиков для измерения термодинамических параметров воздуха показана на рис. 7.

Рис. 6. Профиль перегона двухпутного участка:
1 – ст. м. «Беговая»; 2 – ст. м. «Зенит»; 3 – точка сопряжения однопутных и двухпутных тоннелей [составлено авторами]

Рис. 7. Схема расположения датчиков температуры воздуха на двухпутном участке третьей линии метрополитена:
а – перегон «тупик» – «Беговая»; б – перегон «Беговая» – «Зенит»; в – часть перегона «Зенит» – «Приморская» до точки сопряжения однопутных и двухпутных тоннелей [составлено авторами]

Методика проведения измерений и используемое приборное обеспечение соответствовали методике и приборному обеспечению, использованному в однопутных тоннелях.

На выбранных перегонах («тупик» – «Беговая» – «Зенит» – «Приморская») для подачи свежего воздуха (через пристанционные вентиляционные шахты) использовались агрегаты Zitron ZVR1-18-75/6, ZVN 1-20-75/6, FTDA-REV-200. Работа при 80 % мощности обеспечивала ~51 м3/с и скорость воздуха ~5,6 м/с при депрессии вентиляторов 925 Па.

Удаление воздуха из тоннелей осуществлялось агрегатами FTDA-REV-180, расположенными в вентиляционных шахтах станций «Беговая», «Зенит» и в тупике. Работа агрегатов при 80 % мощности обеспечивала расходы воздуха ~42 м³/с (скорость ~5,6 м/с), депрессия вентилятора 925 Па.

На рис. 8 и 9 представлены графики, демонстрирующие распределение температуры воздуха, температуры поверхности обделки тоннеля и уровня влажности на участке «Беговая» – «Зенит» в периоды отсутствия движения поездов. Во время проведения измерений температура наружного воздуха составляла 7 °C, а относительная влажность – 55 %.

Рис. 8. Распределение температур воздуха, поверхности обделки и влажности на перегоне «Беговая»–«Зенит» при отсутствии движения поездов [составлено авторами]

Рис. 9. Распределение температур воздуха на перегоне «Беговая» – «Зенит» при движении поездов в час пик (24 пар/ч) [составлено авторами]

В случае отсутствия движения подвижных составов вариации температурного режима вдоль участка пути обусловлены величиной тепла, запасенного почвой во время прохождения поездов, что подтверждается превышением температуры поверхности обделки над температурой воздуха и характером распределения по длине перегона подаваемого вентиляторами воздуха. Несмотря на тепло, выделяемое грунтом, температура воздуха вдоль участка уменьшается по мере удаления от станции «Зенит» из-за притока наружного воздуха с существенно более низкой температурой, чем температура поверхности обделки. Относительная влажность воздуха вдоль участка колеблется в пределах 50–60 %.

Другая ситуация складывается в случае движения поездов (см. рис. 9). В период выполнения замеров температуры наружного воздуха показания были равны 7 °С.

В сравнении с однопутным исполнением двупутные тоннели демонстрируют более комфортный температурный режим. Это обусловлено отсутствием циркуляционных потоков, возникающих в результате движения поездов. В однопутных тоннелях тепло, выделяемое движущимися составами, накапливается на протяжении длительного периода времени, поскольку его значительная часть не удаляется вместе с исходящей струей воздуха из метрополитена [16]. В метрополитенах с двухпутными перегонными тоннелями в связи с отсутствием циркуляционных воздушных потоков (поршневой эффект) основная масса тепла распределяется по участку пути с соблюдением равномерности [17]. Постоянство температуры воздуха обеспечивается за счёт удаления тепла, за исключением зон в непосредственной близости от станции. В этих зонах во время торможения и остановки поездов интенсивность тепловыделения максимальна. В результате температура воздуха превышает температуру поверхности обделки, что указывает на передачу тепла грунту.

Для перегонов с двухпутными тоннелями характерно повышение температуры с увеличением интенсивности движения поездов, что связано с увеличением количества теплоты от поездов.

Вентиляционные и тепловые режимы на перегонах, включающих однопутные и двухпутные тоннели

Особенностью формирования вентиляционного и теплового режимов на рассматриваемых перегонах являются отличия в аэродинамике воздушных потоков в двухпутном и однопутном тоннелях. Участки с однопутными тоннелями проветриваются за счет принудительной вентиляции и поршневого эффекта, при этом на отрезке между точкой сопряжения двухпутных и однопутных тоннелей и станциями, ближайшими к сопряжению, возникает циркуляционный контур [18].

Проветривание же двухпутных тоннелей осуществляется только за счет работы шахтных вентиляторов.

При отсутствии поездов распределение температур и влажностей по длине перегона от станции «Зенит» до станции «Приморская» идентично распределению для двухпутных и однопутных тоннелей (рис. 10). В период выполнения замеров температура и влажность наружного воздуха были равны 13 °С и 69 % соответственно.

В ситуации движения поездов в условиях, когда температура воздуха за соединительным узлом с двухпутными тоннелями соответствует температурному распределению, характерному для однопутных тоннелей, возможна ситуация превышения температуры по абсолютной величине в сравнении с аналогичными показателями в однопутных тоннелях (рис. 11). В период выполнения замеров температуры наружного воздуха показания были равны 17 °С.

Рис. 10. Распределение температур воздуха на перегоне «Зенит»–«Приморская» при отсутствии движения поездов, точка сопряжения – место, где двухпутный тоннель переходит в два однопутных [составлено авторами]

Рис. 11. Распределение температур воздуха на перегоне «Зенит» –«Приморская» при движении поездов в час пик (24 пар/ч) [составлено авторами]

Вышесказанное подтверждается результатами измерений, демонстрирующих, что температура воздуха, в двухпутном тоннеле перед точкой сопряжения на отметке 2010 м от станции «Зенит» составляющая 19,5 °С, на станции «Приморская» повышается до 22–23 °С. Причиной этого является подпитка циркуляционного контура на однопутном участке перегона воздухом из двухпутного тоннеля, который имеет более высокую температуру, чем наружный воздух, подаваемый с поверхности, как при классической схеме проветривания.

Для понижения температурного режима в однопутных тоннелях возможно применение метода вентиляции с использованием наружного воздуха. Данный метод предусматривает подачу свежего воздуха извне в двухпутный тоннель посредством специально спроектированной шахты, расположенной в конце двухпутного участка.

Выводы

На основе выполненных экспериментальных исследований были выявлены закономерности формирования вентиляционных и тепловых режимов однопутных, двухпутных тоннелей и участка сопряжения и предложены мероприятия по совершенствованию вентиляционного и теплового режимов, обеспечивающих нормативные климатические условия. В частности, было установлено, что:

1. В глубоких однопутных тоннелях температурный режим формируется под воздействием двух основных факторов: циркуляции воздуха между станциями, обусловленной поршневым эффектом, и тепловыделения от движущихся составов. Распределение температуры вдоль перегонов характеризуется неравномерностью, с минимальными значениями в середине и максимальными – на станциях. Это явление обусловлено схемой вентиляции, предусматривающей подачу свежего воздуха на перегоны и его удаление на станциях. При увеличении интенсивности движения поездов значительного изменения температуры воздуха не наблюдается, что объясняется ростом расхода циркуляционного воздуха.
2. В однопутных тоннелях мелкого заложения образующийся между станциями циркуляционный контур подпитывается наружным воздухом, поступающим на станции и тоннели по пешеходным путям. В летний период это явление не оказывает существенного влияния на характер распределения температур. В зимний период указанное явление может привести к понижению температуры на станциях до критических значений. Обеспечение нормативных параметров воздуха на станциях в зимний период года может быть реализовано организационными, аэродинамическими и теплотехническими методами. Первые связаны со снижением поршневого действия за счет уменьшения скорости прибывающих и уходящих поездов. Вторые – с повышением аэродинамического сопротивления участков вентиляционной сети, обеспечивающих движение холодного атмосферного воздуха или за счет внутренних циркуляционных контуров. Третьи – с применением систем подогрева поступающего наружного воздуха (воздушно-тепловые завесы).
3. В двухпутных тоннелях при отсутствии поездов характер изменения температуры воздуха по длине перегона определялся количеством теплоты, которая была аккумулирована грунтом в период движения поездов. Во время движения теплота, выделяемая поездами, движущимися навстречу друг другу при практическом отсутствии поршневого эффекта, равномерно распределяется по длине перегона. Это обусловливает постоянную температуру воздуха в тоннелях, за исключением участков, непосредственно прилегающих к станции, где в период торможения и остановки поездов количество продуцируемой ими теплоты максимально. В результате температура воздуха на этих участках повышается на 2–3 °С относительно температуры в тоннелях.
   На перегонах, где присутствуют как двухпутные, так и однопутные тоннели, повышение температуры воздуха на станции, расположенной рядом с однопутными тоннелями, обусловлено образованием циркуляционных потоков между зоной соединения двухпутного и однопутных тоннелей и прилегающей к ним станцией.
4. Рекомендации по нормализации аэротермодинамического режима для рассмотренных типов тоннелей сводятся к следующему:

• при установленной возможности превышения в летнее время температурой воздуха нормативных параметров (значений) необходимо предусмотреть или резерв по его расходу, или его охлаждение в сбойках, прилегающих к станциям;
• для повышения температуры воздуха могут быть использованы организационные, аэродинамические и теплотехнические методы: первые связаны со снижением поршневого действия за счет уменьшения скорости подвижных составов; вторые заключаются в повышении аэродинамического сопротивления участка вентиляционной сети, связанного с притоком наружного воздуха; третьи – в создании систем подогрева холодного внешнего воздуха (воздушно-тепловые завесы);
• на перегонах, включающих двухпутный и однопутные тоннели, возможное повышение температуры воздуха на станции, прилегающей к однопутным тоннелям, может быть компенсировано за счёт подачи наружного воздуха в двухпутный тоннель через шахту, сооружённую в конце двухпутного участка.