摘 要:地铁隧道，由于其封闭性，在使用过程中所产生的大量热量要靠环控系统来排除，而围岩传热量的准确估算对环控系统热负荷的确定以及热环境控制都有着重要作用。但是目前隧道围岩传热的规律尚不明确，缺乏科学可靠的预测评价，因此，本文对南京地铁 1 号线典型地铁隧道区段的隧道空气温度、壁面温度和壁面热流进行了现场实测。实测结果分析表明，隧道壁面温度与热流变化的主要诱因是运行车辆发热，地面气温的剧烈变化也是重要因素之一; 同时也表明在典型条件下地铁隧道围岩壁面温度和热流随地表气温变化，壁面热流呈现日周期变化规律。最后，本文基于列车实际运行参数，初步估算了典型地铁隧道区段列车运行的总产热量，以及围岩传热量占总产热量的比例。

关键词: 地铁隧道; 围岩; 传热规律; 监测

 

      地铁隧道由于其封闭性，在使用过程中产生的大量热量要靠热环境控制系统来排除。地铁隧道维护结构与围岩的传热，对环控系统热负荷的确定以及环控效果的长期稳定性有着重要影响^［1］。

      地铁工程的环控系统对保证乘车环境舒适、行车安全和设备寿命至关重要，但是其投资和运行费用巨大。据测算，环控系统费用占美国亚特兰大地铁费用的 8% ～10%^［2］。在运营过程中，环控系统能耗将占到整个运行能耗的一半^{［3 ～5］}。要达到理想的环控效果，并降低投资与运行能耗，关键是环控热负荷的合理设计。为了确定热负荷，首先要明确围岩传热量。但是目前，围岩传热规律和传热量的预测还是一个难题，国内外地铁工程设计中使用的围岩传热比例有较大不同^{［2，6 ～13］}，而很多隧道不同区段^［11］也没有考虑围岩传热特性的差异而采用同一个数值。

      不能科学预测和有效控制围岩传蓄热，不仅会造成投资和运行能耗的巨大浪费，还会导致地下空间内热环境不断恶化，影响地铁工程的长期稳定的可持续运行。国内外已经出现了许多由于热环境恶化影响地铁正常运营甚至被迫停运改造的例子^{［7，14，15］}: 纽约初建地铁开通后出现了过热现象;大阪、东京地铁因后期热环境恶化被迫改建空调设施^{［3，9，14］}; 北京地铁 1、2 号线经过长时间运营，车站内夏季均温由初期的 23． 5 ℃ 上升到后期的28． 5 ℃ ，超过了可承受的热舒适度^［3］。

      要掌握地铁围岩传热规律，现场监测极为重要。但是，要对已经开始运营的地铁隧道进行全面的测试存在诸多条件的限制。因此，目前这方面的测试资料还比较缺乏。作者选择南京地铁一号线运营隧道的典型区段，对隧道内温度、隧道壁温度与热流进行了现场实测，初步掌握了隧道传热的一些规律和影响因素。

 

      测试地点位于距离站台 400 m 左右的隧道区间内，区间隧道埋深 10 m。在隧道壁距离轨道面1 m高处，分别布设 3 个温度传感器和 3 个热流传感器，隧道壁面温度传感器相隔 1． 5 m，每个温度传感器下方对应布置热流传感器; 同时布设 2 个温度传感器测试隧道内温度。监测的具体方案如下:

      第一次测试: 从 2009 年 7 月 21 日夜间 2: 59:00 到 2009 年 8 月 20 日夜间 0: 29: 00，测试时长约为 30 d，测试时间间隔 15 min;

      第二次测试: 从 2009 年 8 月 21 日夜间 0: 58:00 到 2009 年 8 月 22 日夜间 0: 41: 00，测试时间为1 d 左右，测试时间间隔 1 min;

      第三次测试: 从 2009 年 8 月 22 日夜间 1: 23:00 到 2009 年 9 月 27 日夜间 0: 38: 00，测试时间为35 d 左右，测试时间间隔 15 min。

      其中，第二次测试采用非常小的时间间隔，是为了更精确地捕捉列车通过时隧道壁面热流的峰值变化。

 

      根据监测数据，隧道壁面温度最高值出现在运行晚高峰时段，最低值出现在早晨开始运营前( 见表 1 示) ，呈现出明显的日周期变化( 见图 1 示) 规律。从图 1( a) 可以看出: 夏季夜间停运时，隧道开始冷却，壁面温度开始下降; 运行开始时，壁面温度达到最低; 运营开始后，壁面温度逐渐上升，经过一段时间后达到相对稳定; 在运营晚高峰时，壁面温度也上升到一个高峰; 之后，则有所下降; 停运后，温度进一步下降。从图 1( b) 可以看出: 列车的持续运行，会使隧道壁面温度逐步升高，但是每天还是呈现相似的变化规律。

      以上隧道壁面温度的变化规律表明，运行车辆发热是壁面温度变化的主要因素。

      另外，从图 2 可知，隧道壁面温度和隧道内气温有非常好的相关性，并且隧道内气温在一个日周期内恒大于壁面温度，这说明隧道壁面温度受到隧道内气温变化的影响，同时也说明夏季隧道围岩以吸热为主。由于地下空间内外空气联系，隧道内温度受到地面温度的一定影响，因此，隧道壁面温度变化也会明显地受到地面气温变化的影响，从图 3 中可以看出，在 7 月 23 日到 7 月 26 日的这段时间里，地表气温一直相对较高时，这几天的壁面温度也相对较高; 如图 4 所示，在 8 月 29 日到 8 月 31 日的这段时间里，由于气温比之前下降明显，所以壁面温度和隧道气温在这几天也有明显的下降。从图4 中也可以看出，当地表气温出现较大变化时，隧道壁面温度变化略滞后于隧道内气温变化，说明热惰性的围岩传热具有滞后性。

 

      隧道壁面热流变化与影响因素从图 5 可以看出隧道壁面热流在日周期内的变化规律。夜间列车停运时，传入围岩热流( 本次测试只布设了传入围岩的单向热流传感器) 接近零; 在运营的高峰期( 8 时、11 时、14 时、18 时和 20 时) 附近壁面热流较大，其他时间段壁面热流较小，如在 7: 40—8: 40这段时间里，共有 14 趟列车通过测试断面，壁面热流较大; 而在 6: 30—7: 30 这段时间里，只有 10 趟列车通过测试断面，这段时间的壁面热流相对较小。

 

      为了使壁面热流的周期变化规律更清晰，将第一次测试的壁面热流监测数据( 1#传感器) 使用MATLAB 软件进行了傅立叶变换。变换后可得到: ind =31，而总测试时间为 43 050 min，因此，可以计算其变化周期约为: 43 050 ÷ ( 31 ×60) ≈23． 1( h) ，相当 1 昼夜左右，如图 6 所示。

      取部分时段( 14: 00—15: 00) 进一步分析发现( 如图 7 所示) ，列车通过时隧道壁面热流有较大变化，最高可达 33W/m²，最低只有 11 W/m²，一般在 15 ～20 W/m²左右; 列车通过后热流逐渐衰减至一个较低的稳定值，最大大约在 5W/m²左右; 列车通过的热流脉冲时间大约为 3 min。从图7 还可以看出，隧道壁面热流与隧道壁面温度及隧道温度的脉冲变化是一致的。

      另外，隧道壁面热流值与隧道内气温高低存在一定关系。由于地下空间内外的空气联系，隧道内气温受到地表温度的一定影响。当地面气温剧烈变化时，隧道壁面热流也因此受到影响。如图 8 所示，2009 年 8 月 30 日有一次明显的降温( 降温幅度达 7． 2 ℃) ，隧道内热流值也明显降低，全天最大监测到的热流值仅为 9 w/m²，( 监测资料显示 8月 29 日最大热流峰值为 19 w/m²，相比降低了52． 6% ) 。

      上述结果表明，列车运行发热是隧道内的最大热源以及围岩传热的主要诱因; 地面气温的剧烈变化，也会影响到隧道内的气温和围岩传热量。

 

      南京地铁一号线采用的地铁车辆是目前国际先进的 A 型( M 系列) 宽体列车，其主要技术参数见表 2，列车运行参数如下:

      Q = Q_制+ Q_加+ Q_启+ Q_行+ Q_气+ Q_空+ Q_曲+ Q_辅式中: Q 为列车总发热量，kJ; Q_制、Q_加、Q_启、Q_行、Q_气、Q_空、Q_曲、Q_辅为分别为列车制动、加速、启动阻力、行车、空气阻力、空调机组、曲线阻力、辅助设备发热量，kJ。

      车辆制动再生率取 45%，列车制动发热量约为 17 302 kJ; 而列车加速发热量一般约为制动发热量的 50%，故加速发热量约为 8 651 kJ; 列车启动阻力按 2． 3 kg/t 估计，启动距离取 10 m，则启动阻力产热约 51 kJ; 列车最高行驶车速取平稳行驶时的实测速度 53． 6 km/h，行走距离取监测隧道总长度 1 590 m，列车阻力产热约 10 699 kJ; 车速取平均车速14． 9 m/s，时间取107 s，则空气阻力产热约 387 kJ; 列车通过时间为 107 s，则空调机组产热约 8 988 kJ; 监测隧道中有一小段曲线线段，曲线段长 135． 187 m，曲率半径为 400 m，曲线阻力产热约 598 kJ; 一般列车的辅助设备功率为: 带司机动车 21 kW，不带司机的动车 20 kW，拖车 15 kW，负荷率取 0． 8，电机效率取 0． 9，时间取 107s，则辅助设备产热约 2 296 kJ。将以上各部分发热量相加，可估算得每列车的总发热量约为 48 972 kJ。

      区间隧道断面结构如图 9 所示。北京的监测资料表明: 隧道壁面热流在隧道壁面的竖向上的分布并不均匀^［16］。假设监测点热流为壁面竖向上的最大热流，并且壁面上的热流分布近似呈三角形。如前所述，列车通过时壁面热流可达10 W/m²～ 32W / m²左右，则传入围岩比例在不同时间段，约占7． 5% ～ 26． 6% 。