高速地鐵隧道壓力波分析與隧道斷面選取

陳雅莉　翁運飛

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，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

陳雅莉翁運飛

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京100055)

采用數值分析方法，計算在不同斷面的隧道內，當列車最高運行速度為120km/h和140km/h時的壓力波動和變化率，分析得到在上述運行速度下滿足壓力控制標準的隧道斷面條件，并提出優化方向。

高速地鐵壓力波隧道斷面密封指數

地鐵列車在區間隧道中運行時，由于空氣流動受到隧道及車體的限制以及空氣的可壓縮性，空氣壓強驟然增大，從而形成壓縮波并向周圍傳播，引起隧道內部及列車車體表面的壓力產生變化，進而壓力波動傳播到車內。這種壓力波的傳播可引發如下問題: 壓力波動引起車窗玻璃、列車側壁以及隧道內部分設施被破壞； 產生噪聲，引起車內乘客耳膜壓痛;車體受橫向力及側滾力矩作用等[1]。

南方某城市的地鐵運營經驗表明，列車在長區間內運行速度達到120km/h時，乘客普遍存在不良反應。因此，有必要對列車高速行駛在長區間的壓力變化情況進行研究，對隧道內壓力和壓力變化率進行控制，降低壓力波動，從而避免、減輕乘客的不良反應，提高乘車舒適度。

1　壓力變化的形成及標準

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行下受到擠壓和壓縮而產生的壓力變化被稱為壓力波，隨著行車速度的提高，這種空氣動力學效應更為劇烈。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、隧道形式等是影響隧道內壓力變化的主要因素。

1.2壓力變化導致的影響

通常，一個健康的人可以承受壓力波動范圍是1s內1 000Pa左右，在這個變化范圍內除了略微感覺不適外，健康不會受到嚴重影響。但若壓力變化超出一定范圍， 乘客會感覺乘車的舒適感降低，耳部有充脹感或聽力降低,同時增大了行車阻力及能耗；如果壓力變化范圍繼續增大，會導致乘客失聰， 還會對行車安全產生嚴重隱患。表1列出了短期內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

1.3地鐵列車內壓力舒適度標準

(1)國內標準

《地鐵設計規范》(GB50157—2013)第13.2.7 條對車內乘客壓力舒適度做出了相關規定：當隧道內空氣總的壓力變化超過700Pa時，其壓力變化率不得大于415Pa/s，此標準與美國現有標準基本一致。

(2)國外鐵路及地鐵壓力控制標準介紹

各個國家對高速隧道內壓力變化率及壓力變化的標準均有差異，具體數值參數見表2。

表2　部分國家及地區的隧道壓力控制標準

2　隧道壓力波分析

2.1隧道內徑與阻塞比

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行速度是影響隧道壓力波最重要的兩個因素。根據研究，在列車最高運行速度為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中間風井對隧道壓力波的影響

研究表明，區間隧道內布置中間風井可以減緩列車進入隧道時的壓力波，降低壓力波幅值及壓力變化率，圖1表示了列車以140km/h的運行速度通過設置了中間風井的隧道，中間風井開啟和關閉時，隧道內壓力波特性的對比。

圖1　中間風井開啟、關閉時隧道壓力波特性對比

2.3地鐵列車內壓力波分析

列車的密封情況決定了車外壓力傳遞到車內時傳遞的速度以及車廂內壓力的大小，即列車內壓力波動取決于列車的密封性。列車密封性提高時，車內壓力的波動將更加平緩。車體的密封指數一般定義為將車內外壓差降低到初始值的38%所需要的泄露時間，其定義公式為

式中：τ為列車內壓力泄露的時間；Dp0為初始車內外壓差；Dpf為泄露后車內外壓差；Dpf為Dp0的36.8%時所經歷的時間(即車體密封指數)。

表3列出了部分國外列車的密封指數。

表3　車輛密封指數及評價

根據調研分析，地鐵車型一般屬于低密封列車。

3　壓力波動數值分析

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

取總長度為3 000m的一段隧道進行研究。

(2)列車條件

A型車6節編組，列車長度140m，列車橫截面面積：10.3m2。

列車運行速度:120km/h；140km/h。

列車密封指數：3s。

(3)中間風井

中間風井設置于隧道中間，風道長度為40m；風井凈面積為16m2。

(4)數值分析方法

地鐵隧道長度遠大于隧道斷面直徑，可將地鐵隧道內空氣流動簡化為一維可壓縮非定常流動。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模型，描述隧道內空氣運行的基本方程[4]為

連續方程：

動量方程：

能量方程：

式中：u為隧道內空氣流速；p為隧道內空氣壓力；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；q為空氣與壁面的傳熱項；t為時間；θ為隧道坡度。

3.2計算結果

(1)列車運行速度120km/h

車內車頭壓力波動如表5。

表5　不同尺寸隧道車內車頭壓力波動

車內車尾壓力波動如表6。

表6　不同尺寸隧道車內車尾壓力波動

計算結果顯示，在列車最高運行車速為120km/h，車輛密封指數為t=3s時，具體情況如下：

①對于5.4m內徑盾構隧道，車尾的壓力波動可以滿足列車運行壓力控制標準，而車頭的壓力波動不能滿足要求。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，需要今后進一步研究。

②對于6.0m內徑盾構隧道，車頭、車尾均能滿足列車運行壓力控制標準，且有一定的富余空間。

③對于6.3m內徑盾構隧道，車頭、車尾均能滿足列車運行壓力控制標準，且有很大的富余空間。

(2)列車運行速度140km/h

車內車頭壓力波動如表7。

表7　不同尺寸隧道車內車頭壓力波動

車內車尾壓力波動如表8。

表8　不同尺寸隧道車內車尾壓力波動

計算結果顯示，在列車最高運行車速為140km/h，車輛密封指數為t=3s時，具體情況如下：

①對于5.4m內徑盾構隧道，車頭、車尾的壓力波動均不能滿足要求。

②對于6.0m內徑盾構隧道，車尾可以滿足列車運行壓力控制標準，車頭的壓力波動不滿足控制標準，但壓力波動數值超出控制標準的幅度不大，提高列車密封性或者采用流線型車輛，有可能滿足控制標準。

③對于6.8m內徑盾構隧道，車頭、車尾均能滿足列車運行壓力控制標準，且有較大的富余空間。

4　結論

高速地鐵列車隧道的斷面選取，可做如下初步判斷：

(1)當列車最高速度為120km/h，車輛密封指數為t=3s時，隧道盾構內徑大于等于6m，可滿足列車運行壓力控制標準。

(2)當列車最高速度為140km/h，車輛密封指數為t=3s時，隧道盾構內徑大于等于6.8m，可滿足列車運行壓力控制標準。

提高列車運行舒適度和解決隧道內空氣壓力波動問題的方向：

(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].鐵道標準設計，2010(增刊2)

[2]張海天，陳健.深圳地鐵11號線隧道空氣壓力波研究[J].都市快軌交通，2011(10)

[3]祝嵐，張東，孫振旭，等.基于乘客舒適性的快速地鐵隧道壓力波分析[J].都市快軌交通，2015(2)

[4]劉鶴年.流體力學：第二版[M].北京：中國建筑工業出版社，2004

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

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

[7]黨紅玲，黃紅東，張大春.軌道工程測控新技術在廣州地鐵中的應用研究[J].鐵道勘察，2013(4)

[8]周劉剛，王海祥.城市地鐵及地下工程施工環境安全風險評估與控制[J].鐵道勘察，2007(6)

[9]王迪軍，羅燕萍，張智力.高速地鐵隧道內壓力變化分析研究[J].地鐵與輕軌，2003(3)

[10]宋玉香，賈曉云，朱永全.地鐵隧道豎向土壓力荷載的計算研究[J].巖土力學，2007(10)

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年畢業于香港科技大學智能建筑物技術與管理專業，碩士，工程師。

1672-7479(2016)04-0091-04

U451

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