地鐵隧道壓力變化的分析與計算

摘要：本文分析了地鐵隧道壓力波的產(chǎn)生和影響，介紹了國內(nèi)外部分國家和地區(qū)的壓力波動控制標準，并通過模擬計算，得出在5.4米盾構(gòu)隧道和6m盾構(gòu)隧道中，列車在不同運行速度、氣密性條件下車頭、車尾的壓力波動數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：地鐵隧道；壓力；阻塞比；氣密性

1 地鐵隧道壓力波的產(chǎn)生和影響

當?shù)罔F列車在區(qū)間隧道中運行時，列車前方的空氣受到擠壓，空氣壓強驟然增大而形成壓縮波并向周圍傳播，導(dǎo)致隧道內(nèi)部及列車車體表面的壓力產(chǎn)生變化，進而車體表面的壓力波動變化隨之傳播到車內(nèi)，當車內(nèi)壓力波動超過一定值后，將對車內(nèi)乘客的生理產(chǎn)生不良影響，這一現(xiàn)象稱之為隧道空氣動力學(xué)效應(yīng)。

根據(jù)已有的研究成果，列車行駛速度和阻塞比（列車橫截面積與地鐵凈空斷面積的比值）是影響地鐵隧道壓力變化最主要的兩個參數(shù)。隨著列車行駛速度的提高，為了滿足壓力變化要求，應(yīng)逐漸減小阻塞比，高速鐵路隧道設(shè)計中一般將阻塞比控制在0.23～0.12。相對而言，地鐵的運行速度比較低，一般小于100km/h，此時的空氣動力學(xué)效應(yīng)并不明顯，但地鐵的斷面積比較小，一般情況下國內(nèi)地鐵盾構(gòu)區(qū)間的直徑為5400mm，其有效斷面積約為21.3m2，阻塞比比較高，在這種情況下，列車速度的微小提升，都會產(chǎn)生較大的空氣動力學(xué)效應(yīng)。

同時，當?shù)罔F車站間距比較大時，為滿足防災(zāi)及隧道內(nèi)換氣次數(shù)的要求，在長區(qū)間需設(shè)置斷面較大的中間通風井，當列車高速通過中間通風井時，空氣流通有效斷面的變化必將引起地鐵內(nèi)空氣壓力的波動，頻繁的壓力變化必然引起車體內(nèi)外壓力產(chǎn)生連鎖變化，從而惡化乘車環(huán)境，降低了乘車的舒適性。

鑒于以上的原因，必須對列車高速行駛在長區(qū)間的壓力變化情況進行研究，在一定的條件下，降低壓力變化，提高人體舒適度。

2壓力波動控制判定標準

1）國外地鐵或高速鐵路壓力控制標準介紹

表1列出了部分國家及地區(qū)的地鐵或高速鐵路的壓力控制標準：

2）國內(nèi)高鐵壓力控制標準

在我國高鐵，自廣深線準高速列車開行以來所帶來的氣密性問題，給了我們一些感性認識。許多專家學(xué)者已開始研究高速列車的氣密性問題，試圖通過試驗研究來確定高速列車必要的人體舒適度評價標準。2005年5月，我國第一次進行了200km/h等級遂渝線隧道空氣動力學(xué)試驗。在該試驗基礎(chǔ)上，參考國外標準于2006年對列車通過隧道時車廂內(nèi)氣壓變化提出了初步考核意見：單線隧道小于800Pa/3s；雙線隧道小于1250Pa/3s。

3）廣州地鐵三號線的壓力控制標準

由于我國針對地鐵壓力控制尚無標準，只能通過類比借鑒國外的標準執(zhí)行。根據(jù)資料，美國的環(huán)控設(shè)計手冊中地鐵壓力控制標準，是根據(jù)美國bart系統(tǒng)的基礎(chǔ)上研究得出的，而該系統(tǒng)的土建、速度、列車外形等參數(shù)均與廣州地鐵的相仿，所以，廣州地鐵三號線的壓力控制標準采取與美國地鐵標準一致，即壓力變化幅值<700Pa/1.7s，壓力變化率<410Pa/s。同時，香港地鐵亦采用美國的壓力控制標準。

本文中評價標準采用美國標準，與廣州地鐵三號線一致。

3隧道空氣動力特性分析

地鐵列車高速進入隧道時、在隧道內(nèi)高速行駛通過中間風井、橫通道等面積突變處時，都會引起空氣壓力變化，可造成列車內(nèi)司乘人員耳鳴、耳痛等不適問題，同時，空氣阻力增加，增加列車運行能耗。

3.1隧道壓力波的主要影響因素

隧道壓力波變化是造成司乘人員耳朵不適的直接原因，其變化規(guī)律較復(fù)雜，根據(jù)國內(nèi)外的研究結(jié)果，隧道壓力波的主要影響因素是阻塞比、列車速度、隧道壁面粗糙度及輔助結(jié)構(gòu)物形式（隧道口緩沖結(jié)構(gòu)、通風通道、隔墻）等。隧道壓力波與阻塞比成正比，與列車速度的平方成正比。其中，阻塞比的選取將影響土建的規(guī)模。

1）盾構(gòu)直徑與阻塞比關(guān)系

阻塞比是車輛截面積與行車隧道有效截面積（扣除軌道回填面積、管線面積后的凈面積）之間的比值，A型車計算截面積約為10.3m2，B型車計算截面積約為9.7m2。表2列舉了幾種盾構(gòu)隧道內(nèi)徑與A、B型車之間的阻塞比。

2）豎井、橫通道對隧道壓力波的影響

國外研究表明，隧道內(nèi)合理布置豎井、橫通道可以有效減緩列車進入隧道時的壓力波，兩者減緩壓力波動的原理是類似的，圖1表示了列車以140km/h速度通過設(shè)置了一個豎井的隧道，開關(guān)豎井時，隧道內(nèi)某一點的壓力波特性的對比；圖2表示了列車在有無橫通道時，進洞的壓力波特性對比。由兩圖可知，設(shè)置了豎井、橫通道可大幅降低壓力波幅值，但同時也由于豎井、橫通道的存在，當列車通過豎井、橫通道時將產(chǎn)生新的壓縮波或膨脹波，壓力會急劇變化，因而又加劇了壓力波動。

圖1 通過設(shè)置豎井的隧道壓力波變化

圖2 通過橫通道的隧道壓力波變化

3）隧道凈空面積突變對隧道壓力波的影響

根據(jù)資料顯示，與凈空面積恒定的壓力波動相比，凈空面積突變的隧道壓力波峰值下降，并隨凈空面積增大峰值下降幅度越大。

3.2車內(nèi)壓力波的主要影響因素

車內(nèi)壓力波動主要受列車氣密性影響，隨著氣密性的增加，車內(nèi)壓力的變化趨于緩慢。列車氣密性用靜態(tài)時間常數(shù)定義，其定義公式如下：

靜態(tài)時間常數(shù)可通過在外部壓力保持不變條件下，給車廂內(nèi)充氣或抽真空，測定車內(nèi)壓力變化特性得到。

令 ，即 ，則 。 為 的36.8%時所經(jīng)歷的時間為靜態(tài)時間常數(shù) 。

表5列出了不同氣密性列車的定義與時間常數(shù)的關(guān)系：

根據(jù)四方車輛廠、四方車輛研究所、長春車輛廠和西南交大牽引動力國家重點實驗室等單位多次進行的試驗測試，國內(nèi)現(xiàn)有運營地鐵車輛的密封性能一般較差，固可將地鐵車輛的密封性定義為密封差的車輛，即密封指數(shù)為0.5s< <6。

4.隧道壓力波動模擬計算

4.1模擬計算程序初始輸入?yún)?shù)：

1）列車參數(shù)：

列車長度：135m，6節(jié)車輛編組；

列車速度：100km/h，120km/h；

列車橫截面面積：A型車輛，10.3m2；

列車氣密指數(shù)：0.5s，3s；

列車壁面摩擦系數(shù)：0.01868。

2）隧道參數(shù)：

盾構(gòu)直徑6m的隧道凈空面積：26.7m2；

盾構(gòu)直徑5.4m的隧道凈空面積：21.3m2；

區(qū)間長度：3000m；

隧道壁面系數(shù)：0.005。

3）豎井參數(shù)：

豎井長度：40m；

豎井橫截面積：16m2；

豎井數(shù)量：1個，區(qū)間中間布置。

4）隧道內(nèi)空氣流動模型和數(shù)值分析方法

研究隧道壓力波的波動規(guī)律主要采用一維可壓縮非定常不等熵流動模型和廣義黎曼變量特征線法，其控制方程為：

連續(xù)方程：

動量方程：

能量方程：

4.2模擬計算工況描述

通過以上對隧道內(nèi)壓力波動特性的分析，需要做以下幾種工況組合的模擬計算：

1）列車速度選?。?00km/h、120 km/h

2）隧道盾構(gòu)內(nèi)徑：5.4m、6m

1）列車密封密封性： =0.5s（未密封）、 =3s（密封差）

4.3計算結(jié)果

4.3.1 5.4米盾構(gòu)內(nèi)徑隧道

1）車外車頭、車尾壓力波動

根據(jù)計算，車頭全過程處于正壓狀態(tài)，車尾全過程處于負壓狀態(tài)；同時，車頭正壓峰值遠大于車尾負壓峰值。

2）車內(nèi)車頭在不同車速、不同車輛密封性的壓力數(shù)據(jù)如下表所示：

由上表可知，密封較差車輛相比未密封車輛的車內(nèi)壓力波動有一定的改善。

3）車內(nèi)車頭在不同車速、不同車輛密封性的最大壓力變化數(shù)據(jù)如下表所示：

4）小結(jié)：

在5.4米盾構(gòu)內(nèi)徑隧道的情況下，只有當車速為100 km/h，車輛氣密指數(shù)為 =3s時，列車運行滿足標準要求，其余均不滿足要求。

因此，在不特殊要求車輛密封性能的情況下，列車最高速度為120 km/h時，5.4米內(nèi)徑盾構(gòu)隧道不能滿足列車運行壓力控制標準。

4.3.2 6米盾構(gòu)內(nèi)徑隧道

列車最高速度120 km/h、不同密封性車內(nèi)外壓力波動和車內(nèi)壓力變化。

1）車內(nèi)車頭在不同氣密指數(shù)下壓力峰值：

2）車內(nèi)車頭在不同車輛密封性的最大壓力變化數(shù)據(jù)如下表所示：

3）小結(jié)：

在6米盾構(gòu)內(nèi)徑隧道的情況下，當車速為120 km/h，車輛氣密指數(shù)為 =3s時，列車運行滿足標準要求。因此，即使在車輛氣密性能較差的情況下，列車最高速度為120 km/h時，6米內(nèi)徑盾構(gòu)隧道滿足列車運行壓力控制標準。

5 結(jié)論

根據(jù)計算數(shù)據(jù)的分析，可得以下結(jié)論：

1）當列車最高速度為100 km/h，盾構(gòu)內(nèi)徑為5.4米、車輛氣密指數(shù)為 =3s（車輛氣密性能較差）時，列車運行滿足標準要求。

2）當列車最高速度為120 km/h，盾構(gòu)內(nèi)徑為6米、車輛氣密指數(shù)為 =3s（車輛氣密性能較差）時，列車運行滿足標準要求。

2、解決隧道內(nèi)空氣壓力波動問題的措施

根據(jù)以上對隧道內(nèi)壓力波動的特性分析、計算數(shù)據(jù)的分析，解決隧道內(nèi)空氣壓力波動問題的措施有：

1）加大隧道斷面：

2）提高車輛的氣密性

參考文獻：

[1]王韋；陳正林；魏鴻.高速鐵路隧道內(nèi)列車活塞風和空氣阻力的解析計算[J].世界隧道.1999（01）

[2]田紅旗.中國列車空氣動力學(xué)研究進展[J].交通運輸工程學(xué)報.2006（01）

[3]劉堂紅；田紅旗；金學(xué)松.隧道空氣動力學(xué)實車試驗研究.空氣動力學(xué)報，2008（01）

[4]吳煒；彭金龍.快速地鐵隧道空氣動力學(xué)效應(yīng)研究[J].城市軌道交通研究，2011（12）