英法海峡隧道空气动力学及通风系统介绍

英法海峡隧道空气动力学及通风系统介绍

1   序言

对于特长隧道来讲，隧道空气动力学及隧道通风将是其最关键的问题之一。由于英法海峡隧道成功地解决了许多特长隧道的空气动力学及隧道环境控制方面的难题，并具有世界上最复杂的隧道通风系统。

作者有幸在英国Mott MacDonald集团公司工作期间参与了该隧道通风方面的部分工作，对英法海峡隧道的空气动力学研究和通风系统有较全面的了解。在此对该隧道的空气动力学问题及其通风系统进行介绍，以期对我国在特长隧道空气动力学及隧道通风方面的研究有所稗益。

2   特长隧道的空气动力学问题

英法海峡隧道是长50．50km的特长隧道，有37km隧道在海底下面，由于在海中修建通风井难度很大，因此该隧道只能在海峡两岸修建通风井。空气动力学问题是该隧道需要解决的最关键也是最困难的问题之一。

这是因为：首先，隧道空气动力学问题限制了列车在隧道中的行驶速度。在地面上能以300km／h运行的高速列车，目前在隧道内仅能跑160km／h。当一列列车以160km／h速度通过隧道时，列车产生的空气压力将达到20kPa，列车的空气阻力约为35MW。

由于列车的空气阻力与列车的速度平方成正比，随着列车的速度增加，列车的空气阻力大幅度增加。为了解决隧道内的空气动力学问题，不仅列车的行驶速度要受限制，还需要对隧道结构设计作适当的考虑和改进。下面介绍英法海峡隧道遇到的几个主要的空气动力学问题。

（1）空气阻力

当列车在隧道中行驶时，将会使列车前面的压力升高，列车后面的压力降低，形成巨大的列车前后压差。列车前后压差的增加会引起空气在列车与隧道之间的流动加快，以及列车行进的摩擦阻力增加。

在隧道中，虽然列车的行驶速度已由300km／h降到160km／h，但由于列车需要推动单隧道中2000多t质量的空气运动，因而列车的空气阻力非常大。如不采取必要的措施，列车的空气阻力可以达到列车所受总阻力的90％以上。

列车的空气阻力越大，列车所消耗的能量也越大，列车所需的功率也将增加，同时列车释放的热量也越多，因此为了降低隧道中的热量所需的设备投资也要增加。所以，在特长隧道设计时，需要采取措施，尽量降低列车的空气阻力。

（2)空气压力

当列车以高速通过隧道时，将在隧道中产生巨大的压力波及压力变化。巨大的压力波不仅将会破坏隧道内的设备，而且对隧道结构产生巨大压力。因此需要限制隧道内由于列车产生的最大压力，英法海峡隧道内最大的设计压力选定为30kPa。

快速的压力变化会使旅客的耳膜产生疼痛，因此当列车在隧道中穿行时，需要对列车产生的压力变化加以限制，以减少由于压力的瞬变对旅客产生的不适。英法海峡隧道内最大的设计压力变化率选定为3kPa／3s。

为了达到上述最大压力及最大压力变化率的设计标准，设计者进行了大量的计算机模拟工作，以改进隧道结构的设计。

（3）空气速度

由于列车在隧道内的行驶速度为160km／h，因此，如不采取措施，隧道内的活塞风速将远远超过20m／s。为了解决隧道空气动力学问题，Mott MacDonald集团公司进行了大量的计算机模拟计算及实验，对英法海峡隧道结构进行研究，利用隧道结构解决了海峡隧道空气动力学问题，因而英法海峡隧道的结构有许多不同于以往其他隧道的特点。

3   隧道结构布置

英法海峡隧道的结构布置见图l。隧道有南北两条直径为7．6m的单向运行隧道。由法国开往英国的列车走南面的隧道(RTS)，由英国开往法国的列车走北面的隧道(RTN)。两条运行隧道中间是服务隧道(ST)。服务隧道的断面积约为15．2m2，服务隧道内设有大量的电缆及各种设备，维修人员可以通过此隧道到达海峡隧道的每个部分进行维护及维修工作。

为了降低隧道内列车的空气阻力，有194个压力缓冲通道(PRD)用来连接两条运行隧道(见图1)。每个缓冲通道的面积约为2m2。每个PRD通道内设有可以进行控制的挡板。

PRD通道是用来降低列车前后压差从而减小列车空气阻力的。列车前面高压区的空气将通过列车前方的PRD通道流入相邻的列车运行隧道，然后经过列车后面的PRD通道流进列车后面的低压区，形成环流(见图2)，因而PRD通道不仅可以降低列车前后的压差阻力，而且还可以降低列车与隧道之间的摩擦阻力。

共设146条人行通道(CP)用以连接三条隧道(见图1)。当发生紧急事故时，旅客可以快速地通过人行通道进入服务隧道，维修人员也可以通过人行通道进入运行隧道的每个分段。所有人行通道的门平常是关闭的，以免运行隧道内污染的空气经过人行通道进入服务隧道。

人行通道的第二个功能还可以向运行隧道提供新鲜空气，在这146条人行通道中，有一部分通道内装有仅允许空气从服务隧道进入运行隧道的单向阀门(ADU)，该阀门只允许新鲜空气从人行通道进入运行隧道，并阻止运行隧道内的污染空气进入服务隧道。

图片来源于思考隧道

隧道内在靠近英国端和法国端各有一个渡线隧道。这两个渡线隧道可使南线的列车进入北线，北线的列车进入南线(见图3)。但为了避免隧道发生火灾时，产生的烟气通过渡线隧道从一条隧道进入另一条隧道，两个渡线隧道都没有隔断门。

图片来源于思考隧道

4   通风系统

英法海峡隧道中设有两个独立的通风系统。一个是常规通风系统(NVS)，一个是紧急通风系统(SVS)(见图1)。两个通风系统可以单独工作，也可以共同工作。

（1)常规通风系统

常规通风系统给整个隧道提供新鲜空气。根据设计，任一时刻在隧道内的旅客人数最多约为20000人。如果平均每人所需新鲜空气为26m3／h，所需风量为144m3／s。

由于通过运行隧道的列车都是电力机车，所以隧道中没有柴油机车带来的污染。常规通风系统的工作原理见图l，在靠近英、法两国海边各有一个通风井，每座通风井内设有两台轴流风机，两座通风井中的轴流风机一同向服务隧道内连续输送新鲜空气。

由于服务隧道的两端设有挡板，因而新鲜空气将充满全部服务隧道，新鲜空气可以通过设在人行通道的单向阀进入运行隧道。进入运行隧道的新鲜空气，连同污染空气，在列车的活塞作用下，从隧道出口排出隧道。

常规通风系统的轴流风机为动叶可调式轴流风机，是连续工作的。正常工作时的风量为160m3／s左右，已能满足隧道内空气质量标准。这个风量可以使服务隧道内的风速不致于太高而对隧道内的维护人员产生不利影响。

当火灾发生时，人行通道的门将会打开。所有旅客及列车的司乘人员可以通过通道门进入服务隧道。为避免运行隧道内的烟气进入服务隧道，常规通风系统将保持服务隧道与运行隧道之间具有一定的压力差。

当火灾发生在服务隧道中时，常规通风系统也能控制烟气的流动方向，并尽快将烟气排出服务隧道。

(2)紧急通风系统

在靠近英、法两国各设一个紧急通风站，该通风系统的工作情况见图1。紧急通风系统不与服务隧道相通，仅与两条运行隧道相连。该系统在与运行隧道相连的通道上设有挡板用以控制空气流动的方向，采用可调节风量且可正反向工作的轴流风机。

紧急通风系统平常是不工作的，仅当隧道发生火灾等紧急情况时，才根据事先设计好的程序启动风机，并控制风量及方向。紧急通风系统在任一运行隧道内可提供100 m3／s流量。

每个通风井内都设有一台备用通风机，以备一旦其它风机损坏或需要检修时应用。

5  复杂的空气流动

由于英法海峡隧道是由三条长隧道及几百条连接这三条长隧道的横通道组成，并具有两套相互独立的通风系统，因而隧道内的空气流动非常复杂。

特别是在发生火灾时，为了对火灾发生地点的空气流动速度及空气流动方向进行控制，两套通风系统将进行风量及方向的调整，所有通道的阀门也将进行相应的调整，复杂的空气流动对控制增加了难度，也会相应地带来许多问题。

为了对该系统进行深入的研究，英国政府及英国公司投人大量资金，不仅进行了大量的风洞及模型实验，还对该通风系统进行了大量的计算机模拟。

隧道环境模拟计算的主要内容是对隧道内的风速、压力、温度、污染及火灾等进行模拟计算。在英法海峡隧道运营前，一法国公司对隧道的通风系统进行了实际测量，以验证通风计算的准确性。

6   结论

隧道的空气动力学及通风问题对于特长隧道来讲是一个非常重要的问题。其重要性可表现在：

(1)对列车运行速度的影响；

(2)对隧道环境的影响；

(3)对隧道结构的影响；

(4)对隧道安全的影响；

(5)对隧道造价的影响。

对于特长隧道来讲，隧道空气动力学及通风问题解决得好不好，在一定程度上对这些隧道的成败起关键性作用。英、美和日本对隧道环境的研究极为重视，早在20年前就投入资金对这一领域进行理论、实验及计算机模拟的研究。

目前，我国正在对琼州海峡、渤海海峡、台湾海峡等修建海底隧道的可能性和总体方案进行探讨，但对隧道环境，对隧道空气动力学及通风似乎重视得不够，尤其缺乏系统研究。

虽然英法海峡隧道的成功可以为我们提供可资借鉴的经验，但对于我国自己的工程还是要有自己的研究，把特长隧道的结构方案与空气动力学问题、通风问题、环境问题、安全问题结合起来研究，做好前期规划，是十分重要的。

建议有关部门重视特长隧道的空气动力学和隧道环境问题，不失时机开展这一课题的研究，促进我国特长隧道修建技术的发展。

英法海底隧道（英語：Channel Tunnel，亦称 Chunnel；法語：le tunnel sous la Manche，拉芒什海峡隧道）是一座50.5公里长的海底铁路隧道，位于英吉利海峡多佛水道下，连接英国的福克斯通和法国加来海峡省的科凯勒（位于法国北部的加来附近），为世界第四长鐵路隧道。它的最低点有75米深。该隧道的海底部分长度以37.9公里成为世界第一；相形之下，比海底部分全長23.30公里的日本青函隧道（全长53.85公里，深度240米）更胜一筹。

英法海底隧道承担着高速列车欧洲之星、汽车摆渡列车欧隧穿梭（Eurotunnel Shuttle）——世界上最大的铁路车厢——和国际货运列车的行驶。隧道两头分别与法国高速铁路北线和英國1号高速铁路相接。

建设跨越英吉利海峡之通道的想法最早可追溯至1802年，但英国方面因严峻的国家安全形势带来的政治和舆论压力，令构造一座隧道的努力落空。最终成事的工程，由欧洲隧道公司组织，于1988年动工，1994年落成。隧道项目花费超出其预估达80%。自其建造始，隧道就面临着数个严重问题。火灾干扰了隧道的正常运营。

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