深圳地鐵11號線隧道空氣壓力波研究

張海天 陳 健

(深圳市地鐵集團有限公司 廣東 深圳 518026)

1 深圳地鐵11號線概況

1.1 工程概況

深圳地鐵11號線是深圳市規(guī)劃于2011年開工建設(shè)的西部組團快線，兼具機場快線功能，線路全長51.18 km，其中地下線長42.7 km，占線路總長的83.43%，全線共設(shè)車站12座，其中地下車站10座、地面車站2座，線路規(guī)劃最高行車速度為120 km/h。11號線的地下隧道線路可分為兩段，分別是福田—機場北及松崗—東寶河，兩段隧道中間為高架段，圖1為深圳地鐵11號線站位示意圖。

1.2 研究背景

國內(nèi)地鐵一般最高運行速度為80 km/h，盾構(gòu)隧道內(nèi)徑5.4 m。如果列車運行速度超過80 km/h，隨著速度的提高，隧道內(nèi)空氣壓力變化問題將會變得越來越大，尤其會對車上乘客的壓力舒適性及隧道結(jié)構(gòu)方面造成影響。例如，廣州地鐵3號線列車最高運行速度為100 km/h，運營3年來已有乘客投訴車內(nèi)壓力變化引起耳鳴等身體不適的情況。目前，國內(nèi)尚無相應(yīng)的規(guī)范和標準，無法對列車運行速度超過80 km/h的地鐵線路的運營舒適性及隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供指導(dǎo)性意見。為此，對深圳地鐵11號線隧道的空氣壓力波進行研究，提出了隧道泄壓系統(tǒng)及隧道斷面設(shè)計建議，以指導(dǎo)下階段工程的設(shè)計工作，保證11號線列車達到120 km/h速度運行時，能提供正常舒適的乘車環(huán)境，確保地鐵及設(shè)施的安全。

圖1 深圳地鐵11號線站位

2 壓力舒適度標準

2.1 隧道壓力波的產(chǎn)生

當列車快速進入隧道時，其前方的空氣被推入隧道深處并受到壓縮，以壓縮波的形式、以音速向隧道傳播，在隧道不連續(xù)點發(fā)生反射。這種壓力波的傳遞和反射不斷出現(xiàn)，形成隧道中復(fù)雜的壓力波。

這種壓力變化過程引起空氣動力學效應(yīng)，會隨著行車速度的提高而加劇，同時還受列車車輛的有關(guān)參數(shù)(車頭形狀、列車截面、列車表面阻力系數(shù)等)、隧道形式(隧道截面面積、隧道和道床的表面阻力系數(shù)、所有隧道通風管件的變化等)等條件的影響。

2.2 壓力波對人體的危害

壓力舒適度與凈壓力波動值及波動的頻率有關(guān)，空氣壓力波動會引起人的耳部不適。通常，一個健康的人能夠在1 s內(nèi)承受1000 Pa的壓力波動，而不會受到嚴重的影響。在不同靜壓的短期變化情況下，人出現(xiàn)的典型生理癥狀如表1所示。

表1 不同壓力變化值下人的典型生理癥狀

2.3 壓力舒適度參考標準

在速度超過200 km/h的高速鐵路系統(tǒng)中，通常會采用密閉列車來降低壓力瞬時變化對車內(nèi)乘客的影響。列車的密閉性能越高，列車外的壓力變化對車內(nèi)人員的影響越小。但除了列車密閉性外，目前國際上還沒有一個被廣泛接受的列車乘客舒適度標準。日本新干線、德國和英國高速鐵路系統(tǒng)、美國地鐵，都從自身線路、列車狀況以及人體生理情況研究，提出了不同的壓力舒適度標準。其中，世界各地應(yīng)用較為廣泛的是International Union of Railways(UIC)的壓力舒適度標準。我國也開展了壓力變化率和舒適度的相關(guān)研究，并取得了一定的成果。結(jié)合深圳地鐵11號線線路工程特征，以及對國際上相關(guān)壓力舒適度標準的分析，歸納提出了本項目研究所參考的壓力舒適度標準，見表2。

表2 壓力舒適度參考標準

3 研究采用的方法

3.1 分析軟件

本次研究采用一維數(shù)值分析法，運用蘇格蘭鄧迪大學Alan Vardy教授在20世紀70年代研發(fā)的ThermoTun軟件進行分析。ThermoTun是專門針對高速列車在隧道運行時產(chǎn)生的壓力波來進行分析的軟件，已廣泛運用于國際上絕大部分高速鐵路、地鐵提速的設(shè)計。ThermoTun能對不同的隧道設(shè)計進行量化分析，可以非常準確地模擬高速列車在隧道中運行時的各種空氣動力學現(xiàn)象，如壓力波的產(chǎn)生、反射和衰減等，還有在不同隧道設(shè)計上列車內(nèi)外人員的壓力舒適度分析等。

3.2 研究路徑

基于深圳地鐵11號線前期設(shè)計確定的線路、隧道、列車、行車及通風系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)，利用ThermoTun軟件進行數(shù)值建模，在分析5.4 m直徑盾構(gòu)隧道壓力舒適度的基礎(chǔ)上，進一步對直徑 5.8、6.0、6.2 及 6.4 m的盾構(gòu)進行了分析，對不滿足壓力舒適度標準的地段提出改進措施;同時，考慮列車行的車間隔和不同的發(fā)車方式，分析不同情況下列車上的壓力變化，找出不滿足壓力舒適度的隧道段，提出泄壓系統(tǒng)設(shè)計方案，反復(fù)進行數(shù)值迭代模擬分析，找出可以量化且可行的泄壓系統(tǒng)方案。具體模擬分析流程如圖2所示。

圖2 壓力波模擬分析流程

4 參數(shù)輸入計算

4.1 計算輸入的參數(shù)

4.1.1 列車及行車參數(shù)

這些參數(shù)包括列車編組及車長、列車頭斷面尺寸、列車運行方式、發(fā)車數(shù)量、發(fā)車間隔、最高行車速度、列車加速度、列車減速度等。

4.1.2 隧道風井參數(shù)

這些參數(shù)包括車站端和區(qū)間風井的數(shù)量及位置、風井斷面面積及體積。

4.1.3 隧道斷面參數(shù)

這些參數(shù)包括各種形式的隧道橫斷面凈空面積(扣除道床、疏散平臺、管線等占有面積)。

深圳地鐵11號線為雙洞單線路配置，初期設(shè)計各種形式的隧道橫斷面凈空面積，估算分別為:盾構(gòu)隧道(直徑 5.8 m)23.88 m2、礦山隧道 24.66 m2、明挖隧道26.64 m2。對于直徑 5.4、6.0、6.2 及 6.4 m 的盾構(gòu)隧道，其橫斷面凈空面積估算分別為 20.61、24.89、27.22、29.11 m2。

在正常工況下，地鐵列車進站時減速。由于此時車站附近的車速并不高，屏蔽門上的開口面積與隧道的斷面面積相比較小，屏蔽門漏風對壓力波的影響極小，因此在模擬分析上可不用考慮。

4.1.4 隧道旁通道參數(shù)

這些參數(shù)包括隧道旁通道的數(shù)量及設(shè)置間隔情況。

4.2 計算結(jié)果及分析

4.2.1 未考慮泄壓緩解措施的模擬結(jié)果

在列車120 km/h速度運行條件下，輸入11號線前期設(shè)計確定的列車及行車參數(shù)、隧道及風井幾何參數(shù)、隧道旁通道參數(shù)，對不同直徑的盾構(gòu)隧道情況進行模擬分析，結(jié)果如表3～表4所示。

表3 列車上壓力波分析結(jié)果(福田站—機場北站的隧道段)

在列車120 km/h速度的運行條件下，隧道直徑6.0 m的福田站—機場北站隧道段(表3中的工況3)最大壓力變化率模擬結(jié)果如圖3所示。

4.2.2 考慮泄壓緩解措施的模擬結(jié)果

由未考慮泄壓緩解措施而不能達標的工況模擬分析結(jié)果顯示，主要的壓力舒適度問題出現(xiàn)在列車高速駛?cè)雰啥嗡淼赖亩纯谔?。因此，考慮在洞口及機場北站南面第一個區(qū)間風井往南，各設(shè)置3個間隔100 m、凈面積為0.5 m2的泄壓風管，再代入?yún)?shù)進行模擬計算，結(jié)果如表5～表6所示。

表4 列車上壓力波分析結(jié)果(松崗站—東寶河站的隧道段)

圖3 壓力變化率模擬結(jié)果

表5 考慮泄壓措施的列車上壓力波分析結(jié)果(福田站—機場北站的隧道段)

表6 考慮泄壓措施的列車上壓力波分析結(jié)果(松崗站—東寶河站的隧道段)

5 結(jié)論及建議

1)根據(jù)《列車空氣動力學》的研究成果，在列車通過隧道、車廂內(nèi)3 s的壓力變化最大為1875 Pa時，車內(nèi)乘客均有不同程度的不舒適感，因此采用國內(nèi)研究結(jié)果的高標準(1500 Pa/3s)作為壓力舒適度標準是較為合理的。

2)根據(jù)ThermoTun的模擬結(jié)果，深圳地鐵11號線列車以120 km/h速度運行，盾構(gòu)隧道采用5.8、6.0 m的直徑時，在考慮建議泄壓措施后(本文4.2.2節(jié)中提出的泄壓措施)，最不利洞口處的壓力變化值分別為1470及1350 Pa/3s，都可以滿足建議的1500 Pa/3s的壓力舒適度要求。則如果再考慮洞口的泄壓風管改為6個0.75 m2的泄壓內(nèi)管，則最不利洞口處的壓力變化值分別進一步改善為1290、1200 Pa/3s(再繼續(xù)增加泄壓風管數(shù)量，對壓力變化的緩解效果將弱化)。

考慮到深圳地鐵11號線仍處于前期設(shè)計階段，很多線路及系統(tǒng)尚未成熟穩(wěn)定及確定，在研究過程中對相關(guān)參數(shù)做了一定的假設(shè)，因此設(shè)計應(yīng)該留有一定的安全余量。建議11號線盾構(gòu)隧道采用6.0 m的直徑，同時在近洞口段設(shè)置6個0.75 m2的泄壓風管(每隔100 m設(shè)置1個)，在機場北站南面第一個區(qū)間風井往南設(shè)置3個0.5 m2的泄壓風管(每隔100 m設(shè)置1個)。

3)在本次研究過程中，通過三維計算流體力學(3D CFD)模擬分析軟件，對列車兩側(cè)的氣流分布及隧道內(nèi)設(shè)備設(shè)施的耐壓要求進行了模擬計算分析。根據(jù)模擬結(jié)果，建議在直徑6.0 m、車速120 km/h的隧道內(nèi)，設(shè)備設(shè)施應(yīng)能抵受 ±6 kPa的壓力及35 m/s的風速。

4)采用高密閉性的列車對壓力舒適度有正面的影響，但主要應(yīng)用在200 km/h以上的高速列車上。高密閉性列車投資大，維護要求高，在國際上無應(yīng)用于地鐵的實例，因此不建議采用高密閉性的列車來提高11號線的壓力舒適度。

5)在11號線進入工程設(shè)計時，區(qū)間風井的位置和參數(shù)確定應(yīng)結(jié)合通風、消防、降低壓力變化等的需要來綜合考慮。

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