高速地鐵隧道壓力波分析與隧道斷面選取

陳雅莉　翁運(yùn)飛

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京　100055)

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高速地鐵隧道壓力波分析與隧道斷面選取

陳雅莉翁運(yùn)飛

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京100055)

采用數(shù)值分析方法，計(jì)算在不同斷面的隧道內(nèi)，當(dāng)列車最高運(yùn)行速度為120km/h和140km/h時(shí)的壓力波動(dòng)和變化率，分析得到在上述運(yùn)行速度下滿足壓力控制標(biāo)準(zhǔn)的隧道斷面條件，并提出優(yōu)化方向。

高速地鐵壓力波隧道斷面密封指數(shù)

地鐵列車在區(qū)間隧道中運(yùn)行時(shí)，由于空氣流動(dòng)受到隧道及車體的限制以及空氣的可壓縮性，空氣壓強(qiáng)驟然增大，從而形成壓縮波并向周圍傳播，引起隧道內(nèi)部及列車車體表面的壓力產(chǎn)生變化，進(jìn)而壓力波動(dòng)傳播到車內(nèi)。這種壓力波的傳播可引發(fā)如下問題: 壓力波動(dòng)引起車窗玻璃、列車側(cè)壁以及隧道內(nèi)部分設(shè)施被破壞； 產(chǎn)生噪聲，引起車內(nèi)乘客耳膜壓痛;車體受橫向力及側(cè)滾力矩作用等[1]。

南方某城市的地鐵運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)表明，列車在長區(qū)間內(nèi)運(yùn)行速度達(dá)到120km/h時(shí)，乘客普遍存在不良反應(yīng)。因此，有必要對(duì)列車高速行駛在長區(qū)間的壓力變化情況進(jìn)行研究，對(duì)隧道內(nèi)壓力和壓力變化率進(jìn)行控制，降低壓力波動(dòng)，從而避免、減輕乘客的不良反應(yīng)，提高乘車舒適度。

1　壓力變化的形成及標(biāo)準(zhǔn)

1.1隧道壓力變化形成的原因

車頭方向的空氣在列車高速運(yùn)行下受到擠壓和壓縮而產(chǎn)生的壓力變化被稱為壓力波，隨著行車速度的提高，這種空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)更為劇烈。此外，隧道阻塞比(列車橫截面積與地鐵凈空斷面積的比值)、列車車輛參數(shù)、隧道形式等是影響隧道內(nèi)壓力變化的主要因素。

1.2壓力變化導(dǎo)致的影響

通常，一個(gè)健康的人可以承受壓力波動(dòng)范圍是1s內(nèi)1 000Pa左右，在這個(gè)變化范圍內(nèi)除了略微感覺不適外，健康不會(huì)受到嚴(yán)重影響。但若壓力變化超出一定范圍， 乘客會(huì)感覺乘車的舒適感降低，耳部有充脹感或聽力降低,同時(shí)增大了行車阻力及能耗；如果壓力變化范圍繼續(xù)增大，會(huì)導(dǎo)致乘客失聰， 還會(huì)對(duì)行車安全產(chǎn)生嚴(yán)重隱患。表1列出了短期內(nèi)靜壓變化引起的人體典型生理癥狀[2]。

表1　不同壓力變化下的人體典型生理表現(xiàn)

1.3地鐵列車內(nèi)壓力舒適度標(biāo)準(zhǔn)

(1)國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)

《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50157—2013)第13.2.7 條對(duì)車內(nèi)乘客壓力舒適度做出了相關(guān)規(guī)定：當(dāng)隧道內(nèi)空氣總的壓力變化超過700Pa時(shí)，其壓力變化率不得大于415Pa/s，此標(biāo)準(zhǔn)與美國現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)基本一致。

(2)國外鐵路及地鐵壓力控制標(biāo)準(zhǔn)介紹

各個(gè)國家對(duì)高速隧道內(nèi)壓力變化率及壓力變化的標(biāo)準(zhǔn)均有差異，具體數(shù)值參數(shù)見表2。

表2　部分國家及地區(qū)的隧道壓力控制標(biāo)準(zhǔn)

2　隧道壓力波分析

2.1隧道內(nèi)徑與阻塞比

阻塞比是車輛截面積與行車隧道有效截面積(扣除回填、管線后的凈面積)之間的比值，可以說阻塞比及列車運(yùn)行速度是影響隧道壓力波最重要的兩個(gè)因素。根據(jù)研究，在列車最高運(yùn)行速度為120km/h的條件下，阻塞比0.5的隧道與阻塞比為0.4的隧道兩者的壓力波幅值之比約為1.3[3]。

2.2中間風(fēng)井對(duì)隧道壓力波的影響

研究表明，區(qū)間隧道內(nèi)布置中間風(fēng)井可以減緩列車進(jìn)入隧道時(shí)的壓力波，降低壓力波幅值及壓力變化率，圖1表示了列車以140km/h的運(yùn)行速度通過設(shè)置了中間風(fēng)井的隧道，中間風(fēng)井開啟和關(guān)閉時(shí)，隧道內(nèi)壓力波特性的對(duì)比。

圖1　中間風(fēng)井開啟、關(guān)閉時(shí)隧道壓力波特性對(duì)比

2.3地鐵列車內(nèi)壓力波分析

列車的密封情況決定了車外壓力傳遞到車內(nèi)時(shí)傳遞的速度以及車廂內(nèi)壓力的大小，即列車內(nèi)壓力波動(dòng)取決于列車的密封性。列車密封性提高時(shí)，車內(nèi)壓力的波動(dòng)將更加平緩。車體的密封指數(shù)一般定義為將車內(nèi)外壓差降低到初始值的38%所需要的泄露時(shí)間，其定義公式為

式中：τ為列車內(nèi)壓力泄露的時(shí)間；Dp0為初始車內(nèi)外壓差；Dpf為泄露后車內(nèi)外壓差；Dpf為Dp0的36.8%時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間(即車體密封指數(shù))。

表3列出了部分國外列車的密封指數(shù)。

表3　車輛密封指數(shù)及評(píng)價(jià)

根據(jù)調(diào)研分析，地鐵車型一般屬于低密封列車。

3　壓力波動(dòng)數(shù)值分析

3.1輸入條件

(1)隧道條件

隧道條件如表4。

表4　隧道條件參數(shù)

取總長度為3 000m的一段隧道進(jìn)行研究。

(2)列車條件

A型車6節(jié)編組，列車長度140m，列車橫截面面積：10.3m2。

列車運(yùn)行速度:120km/h；140km/h。

列車密封指數(shù)：3s。

(3)中間風(fēng)井

中間風(fēng)井設(shè)置于隧道中間，風(fēng)道長度為40m；風(fēng)井凈面積為16m2。

(4)數(shù)值分析方法

地鐵隧道長度遠(yuǎn)大于隧道斷面直徑，可將地鐵隧道內(nèi)空氣流動(dòng)簡(jiǎn)化為一維可壓縮非定常流動(dòng)。考慮到隧道壁面、列車表面與空氣之間存在摩擦等不可逆因素，采用一維可壓縮非定常不等熵流動(dòng)模型，描述隧道內(nèi)空氣運(yùn)行的基本方程[4]為

連續(xù)方程：

動(dòng)量方程：

能量方程：

式中：u為隧道內(nèi)空氣流速；p為隧道內(nèi)空氣壓力；κ為空氣比熱比；ρ為空氣密度；a為空氣聲速；F為空氣流道橫截面面積；g為空氣重力加速度；G為空氣與壁面的摩擦項(xiàng)；q為空氣與壁面的傳熱項(xiàng)；t為時(shí)間；θ為隧道坡度。

3.2計(jì)算結(jié)果

(1)列車運(yùn)行速度120km/h

車內(nèi)車頭壓力波動(dòng)如表5。

表5　不同尺寸隧道車內(nèi)車頭壓力波動(dòng)

車內(nèi)車尾壓力波動(dòng)如表6。

表6　不同尺寸隧道車內(nèi)車尾壓力波動(dòng)

計(jì)算結(jié)果顯示，在列車最高運(yùn)行車速為120km/h，車輛密封指數(shù)為t=3s時(shí)，具體情況如下：

①對(duì)于5.4m內(nèi)徑盾構(gòu)隧道，車尾的壓力波動(dòng)可以滿足列車運(yùn)行壓力控制標(biāo)準(zhǔn)，而車頭的壓力波動(dòng)不能滿足要求。如果提高列車密封性能，或者采用流線形車輛，存在滿足舒適性的可能，需要今后進(jìn)一步研究。

②對(duì)于6.0m內(nèi)徑盾構(gòu)隧道，車頭、車尾均能滿足列車運(yùn)行壓力控制標(biāo)準(zhǔn)，且有一定的富余空間。

③對(duì)于6.3m內(nèi)徑盾構(gòu)隧道，車頭、車尾均能滿足列車運(yùn)行壓力控制標(biāo)準(zhǔn)，且有很大的富余空間。

(2)列車運(yùn)行速度140km/h

車內(nèi)車頭壓力波動(dòng)如表7。

表7　不同尺寸隧道車內(nèi)車頭壓力波動(dòng)

車內(nèi)車尾壓力波動(dòng)如表8。

表8　不同尺寸隧道車內(nèi)車尾壓力波動(dòng)

計(jì)算結(jié)果顯示，在列車最高運(yùn)行車速為140km/h，車輛密封指數(shù)為t=3s時(shí)，具體情況如下：

①對(duì)于5.4m內(nèi)徑盾構(gòu)隧道，車頭、車尾的壓力波動(dòng)均不能滿足要求。

②對(duì)于6.0m內(nèi)徑盾構(gòu)隧道，車尾可以滿足列車運(yùn)行壓力控制標(biāo)準(zhǔn)，車頭的壓力波動(dòng)不滿足控制標(biāo)準(zhǔn)，但壓力波動(dòng)數(shù)值超出控制標(biāo)準(zhǔn)的幅度不大，提高列車密封性或者采用流線型車輛，有可能滿足控制標(biāo)準(zhǔn)。

③對(duì)于6.8m內(nèi)徑盾構(gòu)隧道，車頭、車尾均能滿足列車運(yùn)行壓力控制標(biāo)準(zhǔn)，且有較大的富余空間。

4　結(jié)論

高速地鐵列車隧道的斷面選取，可做如下初步判斷：

(1)當(dāng)列車最高速度為120km/h，車輛密封指數(shù)為t=3s時(shí)，隧道盾構(gòu)內(nèi)徑大于等于6m，可滿足列車運(yùn)行壓力控制標(biāo)準(zhǔn)。

(2)當(dāng)列車最高速度為140km/h，車輛密封指數(shù)為t=3s時(shí)，隧道盾構(gòu)內(nèi)徑大于等于6.8m，可滿足列車運(yùn)行壓力控制標(biāo)準(zhǔn)。

提高列車運(yùn)行舒適度和解決隧道內(nèi)空氣壓力波動(dòng)問題的方向：

(1)提高地鐵列車車輛的密封性能。

(2)采用流線形車輛。

(3)增大隧道斷面面積。

[1]劉伊江.高速地鐵隧道壓力波研究及隧道斷面的擬定[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2010(增刊2)

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Analysis of Pressure Wave in High Speed Subway Tunnel and Selection of Tunnel Section

CHEN YaliWENG Yunfei

2016-03-22

陳雅莉(1983—)，女，2008年畢業(yè)于香港科技大學(xué)智能建筑物技術(shù)與管理專業(yè)，碩士，工程師。

1672-7479(2016)04-0091-04

U451

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