CC BY
31
16. Coal terminal [Electronic resource]. - 2022. https://upkprimorsk.com/terminaly/ugolnyj-terminal / (accessed: 04/13/2022).
УДК 624.191.94 DOI 10.46689/2218-5194-2022-2-1-77-87
ПРОБЛЕМЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЛИНИЙ МЕТРОПОЛИТЕНА С ДВУХПУТНЫМИ ТОННЕЛЯМИ В УСЛОВИЯХ ХОЛОДНОГО
КЛИМАТА
С.Г. Гендлер, М.С. Крюкова
Рассматриваются вопросы повышения безопасности эксплуатации линий метрополитена с двухпутными тоннелями в климатических условиях, характерных для мегаполисов России. Описана значительная разница между среднегодовыми, среднемесячными и экстремальными значениями температуры наружного воздуха, влияющими на термодинамические параметры воздушной среды в метрополитенах России и других стран, где эксплуатируются метрополитены. Представлен сравнительный анализ факторов, определяющих температурный режим линий двухпутных тоннелей метрополитенов при использовании традиционной схемы вентиляции.
Ключевые слова: двухпутные тоннели, аэродинамические процессы, метрополитен, эксплуатация тоннелей.
Введение
Санкт-Петербург является крупным мегаполисом с многомиллионным населением. Жизнь современного большого города невозможна без развития общественного транспорта, основную долю перевозок в котором выполняет метрополитен. Быстрые темпы развития метрополитена требуют использование современных тоннелепроходческих механизированных комплексов (ТПМК), которые позволяют проходить тоннели на глубине более 30 м в густонаселенных районах мегаполисов без повреждения поверхности земли и негативного влияния на состояние зданий и сооружений.
Опыт строительства двухпутных тоннелей показал, что происходит значительное снижение затрат (порядка 20...30 %) и уменьшение сроков строительства по сравнению с традиционными однопутными тоннелями при одновременном снижении сроков работ [1].
Сокращение сроков строительства происходит из-за особенностей пространственно-планировочных решений: благодаря сооружению одного тоннеля вместо двух, отпадает необходимость в дорогостоящем и трудоза-тратном строительстве перекрестных съездов, эвакуационных сбоек, переходов из тоннеля в тоннель и других сопутствующих выработок [2].
Вторым положительным моментом при эксплуатации двухпутных тоннелей является создание благоприятных условий для эвакуации людей
из опасных зон в чрезвычайных ситуациях, поскольку в этом случае скорость их ходьбы выше, а пространство для маневра значительно больше.
Одной из основных инженерных систем, поддерживающих работу метрополитена, является система вентиляции, функционирование которой должно поддерживать создание нормативных климатических параметров воздуха в перегонных тоннелях и на станциях в штатных условиях, а также реализацию аварийных режимов, гарантирующих безопасное спасение людей в чрезвычайных ситуациях (например, пожары) и последующую ликвидацию чрезвычайной ситуации (тушение пожара) [3].
Нормативные значения температуры воздуха в пассажирских помещениях метрополитена принимаются в соответствии с [4]. Величины этих температур установлены для теплого и холодного периодов года, под которыми понимаются соответственно периоды со средней суточной температурой наружного воздуха выше и ниже 10 0С (табл. 1) [5].
Таблица 1
Нормативные значения температур воздуха в пассажирских помещениях метрополитена
Период года Теплый период Холодный период
Численные значения, 0С 18...28 5.16
Анализ мирового и российского опыта эксплуатации двухпутных тоннелей и схем их проветривания
Современные тенденции строительства метрополитенов заключаются в возведении станций закрытого типа и двухпутных тоннелей преимущественно мелкого заложения. Строительство таких тоннелей в России началось в 2015 году в г. Санкт-Петербурге и в 2016 г. в г. Москве. Примером тому служит строительство двухпутного участка Невско-Василеостровской и Фрунзенского радиуса в г. Санкт-Петербурге и Кожуховской линии в Москве.
Проводя анализ мирового опыта, видно, что в современных больших городах, таких как Лондон, Турин, Рим, Мадрид метрополитен эксплуатируется в жарких климатических условиях, со среднегодовой температурой, превышающей 10 0С, и положительной температурой в зимний сезон. Имеющийся мировой опыт сооружения и эксплуатации двухпутных тоннелей относится к районам с теплым и жарким климатом: что тем самым послужило для разработки и обоснования применения рациональных схем вентиляции. В отличие от западных городов гг. Санкт-Петербург и Москва располагаются в области умеренного континентального климата, характеризующегося среднегодовой температурой воздуха, не превышающей 4 0С и температурой наружного воздуха в наиболее холодный зимний
месяц (январь), опускающейся ниже -7 0С - -10 0С. В ряде случаев при понижении температуры до -24 °С —25 °С, что относится к температуре наиболее холодной пятидневки, воздух с отрицательной температурой -10 °С— - 15 °С будет поступать на станции [6]. За рубежом в эксплуатируемых линиях метро с двухпутными тоннелями схема вентиляции идентична схеме, которая используется для метрополитенов с однопутными тоннелями [7, 8]. Наружный воздух подается в тоннель через шахты, расположенные в центральной части перегона, а исходящая струя удаляется через станционные шахты. Распространенная схема проветривания двухпутных тоннелей предполагает подачу свежего воздуха через шахты, которые равномерно располагаются в центре перегона, относительно соседних станций, и удаление исходящей струи из сооружений метрополитена через станционные шахты (рис. 1).
3 - 6 - 3
Рис. 1. Система вентиляции для двухпутного тоннеля метро: 1 - вентиляционная шахта нагнетания в середине проходного тоннеля; 2 - вентилятор нагнетания; 3 - вентиляционная шахта станции; 4 - вытяжной вентилятор; 5 - наружный воздух; 6 - вытяжной воздух; 7 - вытяжной воздух; 8 - направление движения
поезда; 9 - перегонный тоннель
В отличие от параллельных однопутных тоннелей, где движение воздушных масс по перегонным тоннелям происходит в основном за счет поршневого эффекта поездов, в двухпутных тоннелях главным источником тяги являются вентиляторы, установленные в вентиляционных узлах перегонных и станционных шахт [9]. Другое отличие аэродинамических процессов двухпутных тоннелей от однопутных состоит в отсутствии циркуляционных потоков, инициируемых движущимися в противоположенных направлениях поездами [10, 11].
Таким образом, технические решения, использующиеся при эксплуатации линий метрополитенов с двухпутными тоннелями в климате, преимущественно имеющем положительные среднегодовые температуры, не
подходят для сложных климатических условий Санкт-Петербурга. Поскольку применение зарубежных схем вентиляции может повлечь за собой ряд проблем, главной из которых является изменение и нарушение санитарно-гигиенических условий микроклимата на станционных комплексах. Кроме того, имеется риск развитий дефектов в транспортной зоне.
Существующие проблемы в использовании двухпутных тоннелей
[12]:
вопрос обеспечения нормативных климатических условий и эффективного проветривая тоннелей (в том числе переходной участок, соединяющий два однопутных тоннеля и один двухпутный большего диаметра);
особенности аэродинамических параметров при одновременном движении поездов навстречу друг другу;
эффективное использование теплоты, выделяющейся в воздух от поездов для подогрева наружного воздуха в зимнее время.
Использование традиционных схем проветривания двухпутных тоннелей в подавляющем большинстве климатических условиях России может потребовать в зимнее время искусственного подогрева наружного воздуха перед подачей в стволы перегонных шахт. Поскольку схемы вентиляции, применяемые для однопутных тоннелей, могут привести к снижению температуры до температуры атмосферного воздуха. В результате получаем снижение преимуществ в использовании двухпутных тоннелей.
При эксплуатации двухпутных тоннелей поршневой эффект сводится к минимуму, что порождает отсутствие циркуляционных потоков и понижение температуры из-за поступления атмосферного воздуха[13]. Следовательно, практически вся теплота, ассимилированная воздухом, удаляется вместе с ним через станционные шахты. В летний период это приводит к весомому понижению температуры воздуха на станциях, в сравнении с метрополитенами, использующими однопутные тоннели [14]. В зимний сезон температура воздуха как в месте его поступления в перегонный тоннель, так и на станциях будет снижаться. Альтернативным вариантом повышения температуры воздуха, подаваемого в тоннель, может являться создание искусственных циркуляционных контуров, наподобие однопутных тоннелей [15, 16]. Источниками организации циркуляции в этом случае будут не подвижные составы, а вентиляторы, устанавливаемые в станционных комплексах.
Вариантом возможной схемы вентиляции двухпутных тоннелей, с возможностью создания искусственного циркуляционного контура, предполагается использование специального вентиляционного канала, расположенного в верхней части тоннеля (подшивного потолка). Подобное решение уже используется в системах вентиляции автодорожных тоннелей для удаления выхлопных газов автотранспорта, а также пожарных и дымовых газов в случае пожара, его использование на линиях метрополитена с
двухпутными тоннелями не имеет аналогов, как в нашей стране, так и за рубежом.
Включая в работу вентиляции метрополитенов подшивной потолок, мы имеем возможность создать искусственные управляемые циркуляционные контуры между станционным комплексом и частью перегона, за счет подмешивания в вентиляционный канал теплый воздух напрямую со станции [17, 18].
В разработанном техническом решении речь идет об организации в зимний период управляемых циркуляционных потоков, которые будут оказывать влияние на формирование микроклимата. При этом смешение циркуляционного воздуха и холодного наружного воздуха может быть организовано непосредственно в станционном комплексе, в приточной камере.
На рис. 2. приведена схема проветривания тоннелей, использующая новое техническое предложение.
Рис. 2. Вентиляционная схема для двухпутных тоннелей с использованием подшивного потолка в холодный период 1 - тоннель двухпутный; 2 - станции метро; 3 - вентиляционный канал; 4 - шахта вытяжной вентиляции станции; 5 - шахта приточной вентиляции станции; 6 - вентилятор приточной вентиляции; 7 - вытяжные вентиляторы; 8 - холодный наружный воздух; 9 - вытяжной воздух; 10 - смесь наружного и циркуляционного воздуха; 11 - воздух в тоннеле; 12 - клапан выпуска циркуляционного воздуха; 13 - клапаны выпуска воздуха из вентиляционного канала в тоннеле; 14 - направление движения поездов
Холодный наружный воздух подается вентиляторами в приточную камеру, где смешивается с теплым воздухом, поступающим со станции. Расход воздуха, равный сумме расходов приточного и циркуляционного воздуха, направляется в вентиляционный канал, по которому движется до середины перегона, где через клапан выпускается в тоннель с дальнейшей возможностью движения в противоположенных направлениях к соседним станциям [19, 20]. Температура воздуха при его движении по тоннелю по
направлению к станциям повышается за счет теплоты, выделяемой от движущихся поездов и других энергетических источников. В результате его теплообмена с поверхностью вентиляционного канала часть теплоты передается через нее к движущемуся по каналу воздуху, что также приводит к повышению его температуры.
Таким образом, теплота движущихся поездов и энергетических источников используется в предлагаемом техническом решении как для подогрева наружного воздуха в станционном комплексе, так и его подогрева в вентиляционном канале.
При температуре наружного воздуха выше 0 0С в вентиляционный канал нагнетают исключительно наружный воздух, подаваемый через шахту станционного комплекса. Выпуск воздуха с поверхности в тоннель производят через открытые вентиляционные окна, так называемые клапаны, равномерно расположенные по длине перегонного тоннеля. Перемещение воздушных масс с поверхности осуществляют с возможностью дальнейшего движения по тоннелю в направлениях к соседним станционным комплексам и удалением на поверхность с помощью вытяжных вентиляторов через вытяжные станционные шахты.
Температурный режим двухпутных тоннелей при традиционной схеме
вентиляции
При использовании для проветривания двухпутных тоннелей схемы вентиляции, описанной ранее (см. рис. 1), поступление холодного наружного воздуха в тоннель приводит к снижению температуры воздуха в центральной части перегонного тоннеля до температуры атмосферного воздуха (рис. 3).
Рис. 3. Расчетное распределение температуры по длине полуперегона (среднезимняя температура наружного воздуха - сплошная; среднеян-варская температура наружного воздух - пунктирная, средняя температура наружного воздуха во время наиболее холодной пятидневки -
точечная линия)
При движении воздуха в направлении станций его температура вследствие влияния теплоты от поездов и других источников, а также теплообмена с окружающими породами, монотонно повышается [21]. Однако, если для среднезимней и среднеянварской температур наружного воздуха температура станционного воздуха достигает нормативной величины, то для температуры наиболее холодной пятидневки температура воздуха в тоннеле по всей длине перегона, в том числе на станции, имеет отрицательное значение. Помимо этого, значительные участки перегонных тоннелей, примыкающие к вентиляционным стволам, будут эксплуатироваться в условиях отрицательных температур, что, безусловно, приведет к снижению безопасности движения (рис. 4).
Таким образом, результаты расчетов подтвердили ранее высказанные предположения о существенном влиянии наружного воздуха на температурный режим двухпутных тоннелей при традиционных схемах вентиляции.
Температурный режим двухпутных тоннелей для предложенной
схемы вентиляции
♦ ■§>ез рециркуляции И- с рециркуляцией к - минимально-допустимая температура н
Рис. 4. Зависимость температуры воздуха на перегоне и на станции от расхода циркуляционного воздуха
Выводы
Использование вентиляционного канала в системе вентиляции по сравнению с традиционными техническими решениями, предполагающими подачу воздуха в тоннель через перегонные вентиляционные шахты, позволяет отказаться от перегонных вентиляционных узлов, что особенно важно при сооружении метрополитенов в мегаполисах; дает возможность существенно повысить по сравнению с типовой схемой аварийной вентиляции эффективность эвакуации людей при пожаре (защита путей эвакуации) и организации удаления дыма, как из тоннеля, так и со станций; при понижении температуры наружного воздуха ниже - 15 0С - - 10 0С осуще-
ствить его подогрев за счет смешения с частью теплого станционного воздуха.
Расчеты показали, что для обеспечения нормативных климатических параметров на действующих линиях метрополитенов с двухпутными тоннелями следует использовать схемы проветривания, основанные на циркуляции воздуха между тоннелями и подшивным потолком.
Без использования рециркуляции воздуха его температура по длине подшивного потолка даже при средней температуре холодного периода -5 0С будет достигать положительных значений только к середине перегона между станциями. Во время холодной пятидневки и температуре около -25 0С температура возд//уха в тоннеле не будет выше -2 0С по всей длине подшивного потолка от места подачи воздуха на станции до его выпуска в тоннель в середине перегона.
Список литературы
1. Безопасность эксплуатации метрополитенов / В.А. Маслак [и др.]. Л.: Ленметрогипротранс ЛМГТ. 2016.
2. Гарюгин В. А. Петербургский метрополитен // Метро и тоннели. 2012. № 2. С. 10-14.
3. Инновационные решения по повышению безопасности и эффективности эксплуатации двухпутных тоннелей метрополитенов. Подземные горизонты / С.Г. Гендлер [и др.] // 2016. №8. С. 92-95.
4. Лугин И.В., Красюк А. М, Куликова О. А. О применении двух-контурного турбореактивного двигателя для обеспечения теплового режима железнодорожных тоннелей в суровых климатических условиях // ГИ-АБ. 2018. №2.
5. СП 120.13330.2012 Метрополитены. Актуализированная редакция СНиП 32-02-2003 (с Изменениями N 1-4).
6. СП 131.13330.2012 Строительная климатология. Актуализированная редакция СНиП 23-01-99* (с Изменениями N 1, 2).
7. Amano K., Mizuta Y., Hiramatsu Y. An Improved method of Predicting Underground Glimate. Int.J.Rock Mecn. Min. Sci. Geomech. Abstr. 1962. Vol.19. Р.31-38.
8. Alferova E.L., Lugin I.V., Kiyanitsa L.A. Simulation of airflow disturbances to movement of trains in double-track tunnel underground. Mining informational and analytical bulletin ((scientific and technical journal). 2016. №6. С. 5-16.
9. Кияница Л.А. Научно-методические основы разработки раздельной системы вентиляции станции закрытого типа метрополитена с двухпутным туннелем // ГИАБ. 2019. №1.
10. Кияница Л.А. К вопросу определения аналитических зависимостей теплового потока в грунт из подземных сооружений станций закрыто-
го типа метрополитена мелкого заложения с двухпутным тоннелем // ГИ-АБ. 2018. №2.
11. Холмский А.В. К оценке скорости проходки подземных горных выработок с применением гидромолотов // Маркшейдерия и недропользование. 2020. № 2. C. 24-31.
12. Yushkovsky E.M. Air circulation in the subway ventilation systems with different venting schemes. J Vent Coal Mines Ore Mines 8:104-111. 1981.
13. Алферова Е.Л., Лугин И.В. К вопросу создания и поддержания требуемых параметров внутреннего воздуха в тоннелях метрополитена в теплый период года // ГИАБ. 2018. №11.
14. Устройство реверсивной тоннельной вентиляции метрополитенов с частичной рециркуляцией воздуха / О. В. Кащеева [и др.]// Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2012. №1.
15. Алферова Е.Л., Лугин И.В. К вопросу создания и поддержания требуемых параметров внутреннего воздуха в тоннелях метрополитена в теплый период года // ГИАБ. 2018. №11.
16. Лугин И.В., Алферова Е. Л. Особенности схем проветривания протяженных железнодорожных тоннелей в суровых климатических условиях // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2017. Т. 2. № 2. С. 237-240.
17. Цодиков В.Я. Вентиляция и теплоснабжение метрополитенов // 2-е изд. М.: Недра, 1975.
18. Лугин И.В. Исследование воздухораспределения на обобщенной сетевой модели вентиляционной системы метрополитена с однопутным тоннелем // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2017. №2.
19. Кузнецов, С. В. Повышение эффективности вентиляции тоннелей // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2012. № 5. С. 23-25.
20. Веденин А. Н., Смирняков В. В. Расчет количества воздуха, необходимого для проветривания железнодорожных тоннелей при их эксплуатации // Записки Горного института, 2007.
21. Александрова О. Ю. Опыт изучения природно-техногенных процессов в подземном пространстве Санкт-Петербурга (на примере перегонных тоннелей «Обухово - Рыбацкое») // Записки Горного института, 2007. 170(1). 7.
Гендлер Семен Григорьевич, д-р тенх. наук, проф., зав. кафедрой, [email protected] , Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет,
Крюкова Милана Сергеевна, асп., [email protected] , Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет
PROBLEMS OF OPERATION OF METRO LINES WITH DOUBLE-TRACK TUNNELS
IN A COLD CLIMATE S.G. Gendler, M.S. Kryukova
This article discusses the issues of improving the safety of the operation of metro lines with double-track tunnels in climatic conditions characteristic of Russian megacities. A significant difference between the average annual, average monthly and extreme values of outdoor air temperature affecting the thermodynamic parameters of the air environment in the subways of Russia and other countries where the subways are operated is described. A comparative analysis of the factors determining the temperature regime of the lines of doubletrack subway tunnels using the traditional ventilation scheme is presented.
Key words: double-track tunnels, aerodynamic processes, subway, tunnel operation.
Gendler Simeon Grigoryevich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, s215068@,stud.spmi.ru, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg Mining University,
Milana Sergeevna Kryukova, postgraduate, s215068@,stud.spmi.ru , Russia, St. Petersburg, St. Petersburg Mining University
Reference
1. Safety of subway operation / V.A. Maslak [et al.]// Lenmetrogiprotrans LMGT.
2016.
2. Garyugin V. A. Petersburg Metro // Metro and tunnels. 2012. No. 2. pp. 10-14.
3. Innovative solutions to improve the safety and efficiency of the operation of double-track tunnels of Underground underground horizons / S.G. Gendler [et al.] // 2016. No. 8. pp. 92-95.
4. Lugin I.V., Krasyuk A.M., Kulikova O. A. On the use of two-track tunnels.contour turbojet engine to ensure the thermal regime of railway tunnels in harsh climatic conditions // GIAB. 2018. No. 2.
5. SP 120.13330.2012 Metros. Updated revision of SNiP 32-02-2003 (with Amendments N 1-4).
6. SP 131.13330.2012 Construction Climatology. Updated version of SNiP 23-0199* (with Changes N 1, 2).
7. Amano K., Mizuta Y., Hiramatsu Y. An Improved method of Pre-dicting Underground Glimate. Int.J.Rock Mecn. Min. Sci. Geomech. Abstr. 1962. Vol.19. p.31-38.
8. Alferova E.L., Lugin I.V., Kiyanitsa L.A. Simulation of airflow dis-turbances to movement of trains in double-track tunnel underground. Mining informational and analytical bulletin ((scientific and technical journal). 2016. No.6. pp. 5-16.
9. Kiyanitsa L.A. Scientific and methodological foundations for the development of a separate ventilation system for a closed-type metro station with a double-track tunnel // GIAB. 2019. No. 1.
10. Kiyanitsa L.A. On the issue of determining the analytical dependences of heat flow into the ground from underground structures of closed-type underground stations of shallow laying with a double-track tunnel // GIAB. 2018. No. 2.
11. Kholmsky A.V. To assess the rate of penetration of underground mine workings using hydraulic hammers // Surveying and subsoil use. 2020. № 2. C. 24-31.
12. Yushkovsky E.M. Air circulation in the subway ventilation systems with different venting schemes. J Vent Coal Mines Ore Mines 8:104-111. 1981.
13. Alferova E.L., Lugin I.V. On the issue of creating and maintaining the required parameters of internal air in subway tunnels during the warm season // GIAB. 2018. No. 11.
14. Device of reversible tunnel ventilation of metropolitans with partial air recirculation / O. V. Kashcheeva [et al.]// Energetika. Izvestia of higher educational institutions and energy associations of the CIS. 2012. No.1.
15. Alferova E.L., Lugin I.V. On the issue of creating and maintaining the required parameters of internal air in subway tunnels in the warm season // GIAB. 2018. No. 11.
16. Lugin I.V., Alferova E. L. Features of ventilation schemes of long railway tunnels in harsh climatic conditions // Interexpo Geo-Siberia. 2017. Vol. 2. No. 2. pp. 237-240.
17. Tsodikov V.Ya. Ventilation and heat supply of subways // 2nd Edition, Moscow. The bowels. 1975.
18. Lugin I.V. Investigation of air distribution on a generalized network model of a metro ventilation system with a single-track tunnel // Interexpo Geo-Siberia. 2017. №2.
19. Kuznetsov, S. V. Improving the efficiency of tonne ventilation // News of higher educational institutions. Mining magazine. 2012. No. 5. pp. 23-25.
20. Vedenin A. N., Smirnyakov V. V. Calculation of the amount of air required for the ventilation of railway tunnels during their operation // Notes of the Mining Institute, 2007.
21. Alexandrova O. Yu. Experience in studying natural and man-made processes in the underground space of St. Petersburg (by the example ofof the Obukhovo - Rybatskoye underground tunnels) // Notes of the Mining Institute, 2007. 170(1). 7.
УДК 534.6; 534.83; 699.84 DOI 10.46689/2218-5194-2022-2-1-87-94
ОСОБЕННОСТИ ШУМОПОГЛОЩАЮЩИХ СВОЙСТВ И АКУСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ШУМОЗАЩИТНЫХ
ЭКРАНОВ
А.В. Куриленко
Рассмотрены особенности шумопоглощающих свойств и акустические аспекты шумозащитных экранов. Автор приходит к выводу, что главной функцией этих конструкций является поглощение/отражение шума автодорожного движения и особо шумных производств, а также защита близстоящих сооружений, мест постоянного скопления людей или природных зон городов (парков, заповедников и т.д.). Такие экраны предохраняют окружающую среду от загрязнения дорожной пылью и грязью, близко находящихся людей от ослепления фарами и от обломков в случае возникновения дорожно-транспортных происшествий.
Ключевые слова: шумопоглощающие свойства, акустические аспекты, шумо-защитные экраны
Шумозащитный экран - это конструкции и сооружения, призванные уменьшить негативное шумовое воздействие на окружающую застройку, в том числе жилую, а также прилегающую территорию. Является основным способом защиты от повышенного шумового воздействия, исходящего от транспорта на оживленных автомагистралях, железнодорожных путях, а также от производств.
