地鐵隧道壓力變化的分析與計(jì)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(guó)內(nèi)外部分國(guó)家和地區(qū)的壓力波動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)，并通過(guò)模擬計(jì)算，得出在5.4米盾構(gòu)隧道和6m盾構(gòu)隧道中，列車(chē)在不同運(yùn)行速度、氣密性條件下車(chē)頭、車(chē)尾的壓力波動(dòng)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(dāng)?shù)罔F列車(chē)在區(qū)間隧道中運(yùn)行時(shí)，列車(chē)前方的空氣受到擠壓，空氣壓強(qiáng)驟然增大而形成壓縮波并向周?chē)鷤鞑ィ瑢?dǎo)致隧道內(nèi)部及列車(chē)車(chē)體表面的壓力產(chǎn)生變化，進(jìn)而車(chē)體表面的壓力波動(dòng)變化隨之傳播到車(chē)內(nèi)，當(dāng)車(chē)內(nèi)壓力波動(dòng)超過(guò)一定值后，將對(duì)車(chē)內(nèi)乘客的生理產(chǎn)生不良影響，這一現(xiàn)象稱(chēng)之為隧道空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。

根據(jù)已有的研究成果，列車(chē)行駛速度和阻塞比（列車(chē)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(gè)參數(shù)。隨著列車(chē)行駛速度的提高，為了滿(mǎn)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(jì)中一般將阻塞比控制在0.23～0.12。相對(duì)而言，地鐵的運(yùn)行速度比較低，一般小于100km/h，此時(shí)的空氣動(dòng)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(guó)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(chē)速度的微小提升，都會(huì)產(chǎn)生較大的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。

同時(shí)，當(dāng)?shù)罔F車(chē)站間距比較大時(shí)，為滿(mǎn)足防災(zāi)及隧道內(nèi)換氣次數(shù)的要求，在長(zhǎng)區(qū)間需設(shè)置斷面較大的中間通風(fēng)井，當(dāng)列車(chē)高速通過(guò)中間通風(fēng)井時(shí)，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(dòng)，頻繁的壓力變化必然引起車(chē)體內(nèi)外壓力產(chǎn)生連鎖變化，從而惡化乘車(chē)環(huán)境，降低了乘車(chē)的舒適性。

鑒于以上的原因，必須對(duì)列車(chē)高速行駛在長(zhǎng)區(qū)間的壓力變化情況進(jìn)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(dòng)控制判定標(biāo)準(zhǔn)

1）國(guó)外地鐵或高速鐵路壓力控制標(biāo)準(zhǔn)介紹

表1列出了部分國(guó)家及地區(qū)的地鐵或高速鐵路的壓力控制標(biāo)準(zhǔn)：

2）國(guó)內(nèi)高鐵壓力控制標(biāo)準(zhǔn)

在我國(guó)高鐵，自廣深線準(zhǔn)高速列車(chē)開(kāi)行以來(lái)所帶來(lái)的氣密性問(wèn)題，給了我們一些感性認(rèn)識(shí)。許多專(zhuān)家學(xué)者已開(kāi)始研究高速列車(chē)的氣密性問(wèn)題，試圖通過(guò)試驗(yàn)研究來(lái)確定高速列車(chē)必要的人體舒適度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。2005年5月，我國(guó)第一次進(jìn)行了200km/h等級(jí)遂渝線隧道空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)。在該試驗(yàn)基礎(chǔ)上，參考國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)于2006年對(duì)列車(chē)通過(guò)隧道時(shí)車(chē)廂內(nèi)氣壓變化提出了初步考核意見(jiàn)：?jiǎn)尉€隧道小于800Pa/3s；雙線隧道小于1250Pa/3s。

3）廣州地鐵三號(hào)線的壓力控制標(biāo)準(zhǔn)

由于我國(guó)針對(duì)地鐵壓力控制尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)，只能通過(guò)類(lèi)比借鑒國(guó)外的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。根據(jù)資料，美國(guó)的環(huán)控設(shè)計(jì)手冊(cè)中地鐵壓力控制標(biāo)準(zhǔn)，是根據(jù)美國(guó)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(chē)外形等參數(shù)均與廣州地鐵的相仿，所以，廣州地鐵三號(hào)線的壓力控制標(biāo)準(zhǔn)采取與美國(guó)地鐵標(biāo)準(zhǔn)一致，即壓力變化幅值<700Pa/1.7s，壓力變化率<410Pa/s。同時(shí)，香港地鐵亦采用美國(guó)的壓力控制標(biāo)準(zhǔn)。

本文中評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，與廣州地鐵三號(hào)線一致。

3隧道空氣動(dòng)力特性分析

地鐵列車(chē)高速進(jìn)入隧道時(shí)、在隧道內(nèi)高速行駛通過(guò)中間風(fēng)井、橫通道等面積突變處時(shí)，都會(huì)引起空氣壓力變化，可造成列車(chē)內(nèi)司乘人員耳鳴、耳痛等不適問(wèn)題，同時(shí)，空氣阻力增加，增加列車(chē)運(yùn)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(guó)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(chē)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(fēng)通道、隔墻）等。隧道壓力波與阻塞比成正比，與列車(chē)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(chē)輛截面積與行車(chē)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(chē)計(jì)算截面積約為10.3m2，B型車(chē)計(jì)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(chē)之間的阻塞比。

2）豎井、橫通道對(duì)隧道壓力波的影響

國(guó)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(chē)進(jìn)入隧道時(shí)的壓力波，兩者減緩壓力波動(dòng)的原理是類(lèi)似的，圖1表示了列車(chē)以140km/h速度通過(guò)設(shè)置了一個(gè)豎井的隧道，開(kāi)關(guān)豎井時(shí)，隧道內(nèi)某一點(diǎn)的壓力波特性的對(duì)比；圖2表示了列車(chē)在有無(wú)橫通道時(shí)，進(jìn)洞的壓力波特性對(duì)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(shí)也由于豎井、橫通道的存在，當(dāng)列車(chē)通過(guò)豎井、橫通道時(shí)將產(chǎn)生新的壓縮波或膨脹波，壓力會(huì)急劇變化，因而又加劇了壓力波動(dòng)。

圖1 通過(guò)設(shè)置豎井的隧道壓力波變化

圖2 通過(guò)橫通道的隧道壓力波變化

3）隧道凈空面積突變對(duì)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(dòng)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(chē)內(nèi)壓力波的主要影響因素

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

靜態(tài)時(shí)間常數(shù)可通過(guò)在外部壓力保持不變條件下，給車(chē)廂內(nèi)充氣或抽真空，測(cè)定車(chē)內(nèi)壓力變化特性得到。

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

表5列出了不同氣密性列車(chē)的定義與時(shí)間常數(shù)的關(guān)系：

根據(jù)四方車(chē)輛廠、四方車(chē)輛研究所、長(zhǎng)春車(chē)輛廠和西南交大牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等單位多次進(jìn)行的試驗(yàn)測(cè)試，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有運(yùn)營(yíng)地鐵車(chē)輛的密封性能一般較差，固可將地鐵車(chē)輛的密封性定義為密封差的車(chē)輛，即密封指數(shù)為0.5s< <6。

4.隧道壓力波動(dòng)模擬計(jì)算

4.1模擬計(jì)算程序初始輸入?yún)?shù)：

1）列車(chē)參數(shù)：

列車(chē)長(zhǎng)度：135m，6節(jié)車(chē)輛編組；

列車(chē)速度：100km/h，120km/h；

列車(chē)橫截面面積：A型車(chē)輛，10.3m2；

列車(chē)氣密指數(shù)：0.5s，3s；

列車(chē)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(zhǎng)度：3000m；

隧道壁面系數(shù)：0.005。

3）豎井參數(shù)：

豎井長(zhǎng)度：40m；

豎井橫截面積：16m2；

豎井?dāng)?shù)量：1個(gè)，區(qū)間中間布置。

4）隧道內(nèi)空氣流動(dòng)模型和數(shù)值分析方法

研究隧道壓力波的波動(dòng)規(guī)律主要采用一維可壓縮非定常不等熵流動(dòng)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(dòng)量方程：

能量方程：

4.2模擬計(jì)算工況描述

通過(guò)以上對(duì)隧道內(nèi)壓力波動(dòng)特性的分析，需要做以下幾種工況組合的模擬計(jì)算：

1）列車(chē)速度選取：100km/h、120 km/h

2）隧道盾構(gòu)內(nèi)徑：5.4m、6m

1）列車(chē)密封密封性： =0.5s（未密封）、 =3s（密封差）

4.3計(jì)算結(jié)果

4.3.1 5.4米盾構(gòu)內(nèi)徑隧道

1）車(chē)外車(chē)頭、車(chē)尾壓力波動(dòng)

根據(jù)計(jì)算，車(chē)頭全過(guò)程處于正壓狀態(tài)，車(chē)尾全過(guò)程處于負(fù)壓狀態(tài)；同時(shí)，車(chē)頭正壓峰值遠(yuǎn)大于車(chē)尾負(fù)壓峰值。

2）車(chē)內(nèi)車(chē)頭在不同車(chē)速、不同車(chē)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(chē)輛相比未密封車(chē)輛的車(chē)內(nèi)壓力波動(dòng)有一定的改善。

3）車(chē)內(nèi)車(chē)頭在不同車(chē)速、不同車(chē)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(dāng)車(chē)速為100 km/h，車(chē)輛氣密指數(shù)為 =3s時(shí)，列車(chē)運(yùn)行滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，其余均不滿(mǎn)足要求。

因此，在不特殊要求車(chē)輛密封性能的情況下，列車(chē)最高速度為120 km/h時(shí)，5.4米內(nèi)徑盾構(gòu)隧道不能滿(mǎn)足列車(chē)運(yùn)行壓力控制標(biāo)準(zhǔn)。

4.3.2 6米盾構(gòu)內(nèi)徑隧道

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

1）車(chē)內(nèi)車(chē)頭在不同氣密指數(shù)下壓力峰值：

2）車(chē)內(nèi)車(chē)頭在不同車(chē)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(dāng)車(chē)速為120 km/h，車(chē)輛氣密指數(shù)為 =3s時(shí)，列車(chē)運(yùn)行滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，即使在車(chē)輛氣密性能較差的情況下，列車(chē)最高速度為120 km/h時(shí)，6米內(nèi)徑盾構(gòu)隧道滿(mǎn)足列車(chē)運(yùn)行壓力控制標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)的分析，可得以下結(jié)論：

1）當(dāng)列車(chē)最高速度為100 km/h，盾構(gòu)內(nèi)徑為5.4米、車(chē)輛氣密指數(shù)為 =3s（車(chē)輛氣密性能較差）時(shí)，列車(chē)運(yùn)行滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）當(dāng)列車(chē)最高速度為120 km/h，盾構(gòu)內(nèi)徑為6米、車(chē)輛氣密指數(shù)為 =3s（車(chē)輛氣密性能較差）時(shí)，列車(chē)運(yùn)行滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2、解決隧道內(nèi)空氣壓力波動(dòng)問(wèn)題的措施

根據(jù)以上對(duì)隧道內(nèi)壓力波動(dòng)的特性分析、計(jì)算數(shù)據(jù)的分析，解決隧道內(nèi)空氣壓力波動(dòng)問(wèn)題的措施有：

1）加大隧道斷面：

2）提高車(chē)輛的氣密性

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