東莞軌道交通2號線空氣動力學及運行舒適度的研究與實踐

陳 波，胡文偉

（1. 廣東珠三角城際軌道交通有限公司，廣州 510308；2. 東莞市軌道交通有限公司，東莞 523320）

東莞市城市軌道交通線網由4條線路組成，是東莞市連接各鎮街及珠三角周邊城市，1具有“內聚外聯”功能的骨干線網。其中1號線總長69.6 km，2號線總長55.7 km，3號線總長66.2 km，4號線總長26.8 km，線網總里程218.3 km（見圖1）。

東莞市城市軌道交通2號線（后簡稱2號線）首通段（一期、二期）37.8 km，是東莞市軌道交通線網中連接東莞北部與西南部的骨干線，居住人口密集、交通繁忙、城鎮間客運交通來往量較大，共設車站15座，其中高架車站1座，地下車站14座，在東城區茶山站西側設車輛段1座，線網控制中心設于西平站西北側，全線共設置2座主變電所。

由于東莞市城市軌道交通線網 1～3號線線路比較長，為了滿足乘客全線網整體出行的時間要求及全線網主要技術標準的統一，東莞市城市軌道交通線網擬定的最高運行速度目標值為120 km/h。

圖1 東莞市城市軌道交通線網Fig. 1 Dongguan city rail transit network

1 標準及理論分析

目前我國現行《地鐵設計規范》（GB 50157—2013）[1]和《城市軌道交通工程項目建設標準》（建標 104—2008）[2]限定的列車最高運行速度為100 km/h，地鐵列車在隧道內一般以不高于100 km/h的速度運行，在隧道內高于100 km/h的速度運行需要另行專題研究設計。為了緩解地鐵列車在隧道內高速運行對乘客造成的影響，2號線在設計之初就隧道空氣動力學、乘客舒適度、隧道斷面的選擇、車輛氣密性及流線型設計開展了專題研究，形成專題報告指導后續相關設計工作。

1.1 車輛空氣動力學及舒適度標準

隨著列車在隧道內運行速度的提高，空氣壓力變化傳入車廂內給乘客造成的不舒適程度逐漸增加。為了解氣壓變化對人體舒適性的影響，英國、日本、德國等高速列車發達國家對此開展了大量研究。目前，國際上對氣壓變化環境下人體舒適度評價有兩種方法：一種是通過壓力變化幅值和壓力變化率兩個指標來進行評估；另一種是考核某一時間段內的壓力變化幅值，這一時間段是根據人耳對外界氣壓變化完成自我調整所需時間來確定的。世界各國根據各自的試驗研究結果、線路條件等，制定了不同的人體舒適度評價標準。

慕尼黑德國聯邦鐵路總局（BZA）對志愿受試人員在試驗壓力艙和新建線路運行列車中進行了大量的試驗，得出結論：對于空氣壓力波的忍受力沒有絕對不變的極限。對旅客舒適度的影響取決于：

1）空氣壓力波動變化的幅度（Pa）；

2）壓力上升或壓力下降的梯度（Pa/s）；

3）發生該波動的頻繁性。

在壓力變化幅度和梯度之間確定了一種關系：壓力變化越大，壓力變化加速度就越小，如圖2所示[3]。

圖2 耳感不舒適度評定曲線Fig. 2 Evaluation curve of sensation of ear discomfort

圖2中曲線為大多數乘客“正好還沒有不舒適感覺”的壓力變化與所需時間的關系。這些值偶爾超過1次（例如，1 h 1次），絕大多數乘客能夠無抱怨地接受，而較頻繁地超過該值時就會感到不舒適，并會越來越敏感。在遇到隧道斷面變化、通風井時，隨著壓力迅速上升會出現明顯不適的感覺。

回顧國內外研究制定空氣動力學舒適度標準的過程，絕大多數國家都在最初制定的標準基礎上進行了調整，逐漸趨于中間水平。在舒適度標準中，越來越多地采用單一時間間隔內的最大壓力變化值標準。根據歐洲和日本近期對壓力舒適性方面的研究，發現人體建立中耳和外界的壓力平衡所需時間大約為3～4 s，即人耳對壓力的反應時間為3～4 s，采用單一時間間隔內的壓力變化值能較準確地反映出人體舒適度。因此，2號線空氣動力學舒適度準則采用單一時間間隔內（3 s）的最大壓力變化值標準作為空氣動力學舒適度評價指標，在此基礎上，兼顧氣壓變化率不超過一個固定值。

綜上所述，參考我國高速鐵路對舒適度標準的研究[4]，綜合國內外相關數據，選擇2號線車輛客室內壓力≤700 Pa/3s，同時兼顧氣壓變化率在330～370 Pa/s。

對于司機室，司機在其中的工作時間相對較長，經受壓力波動的頻次更多，其標準應比客室車廂內的標準高一些，選擇司機室車廂內壓力≤600 Pa/3s。

1.2 空氣動力學仿真計算

1.2.1 主要影響因素

1）列車方面：運行速度、橫截面積、車頭和車尾形狀、編組長度及車輛的氣密性等[5]；

2）隧道方面：隧道有效凈空面積、阻塞比、通風井緩沖結構設置、隧道出口緩沖設置等；

1.2.2 仿真計算數值模型

根據2號線工程隧道通風與列車隧道阻力、舒適度分析研究技術專題研究成果，隧道空氣動力分析考慮連續和動量方程式，而在能量變化劇烈的位置或相應情況下，還需要考慮增加能量方程式。

微分形式的連續方程、動量方程和能量方程分別為[6]：

三維模型計算中采用了基于有限元的有限體積法，在保證有限體積法的守恒特性基礎上，吸收了有限元法的數值精確性?？紤]守恒形式的控制方程，無源項條件下，笛卡爾坐標系（ ,,ijk）中，對于一個確定的控制體應用高斯定理，得到積分形式的控制方程：

式中：V表示控制體的體積，S表示控制體的表面積，djn表示垂直控制體表面指向外的法向量。對于六面體網格單元，采用24點積分，對于四面體網格單元，采用60點積分。

1.2.3 三維模型的選擇

標準B型地鐵列車模型[7-8]，如圖3所示，中間風井模型如圖4所示。

圖3 標準B型地鐵列車模型Fig. 3 Model of standard B metro train

1.2.4 2號線仿真計算方案

通過2號線的空氣動力學及影響因素分析，需要分析的情況有以下幾種。

1）列車在無中間風井的短區間隧道內運行情況。

隧道斷面取現行地鐵通用內徑5.4 m，區間隧道長度為3 km。根據計算情況，如空氣動力學舒適度指標不能滿足要求，將進一步計算擴大襯砌內徑的情況。

圖4 無過渡段及有過渡段通風井位置局部放大及網格劃分Fig. 4 Local magnification and grid division of the position of the ventilation shaft without and in transition section

2）列車在有中間風井的長大區間隧道內運行情況。

隧道斷面從現行地鐵通用內徑開始選取，分別取5.4、5.6、5.8、6.0 m（隧道軌面以上凈空面積分別為：21.6、23.3、25.1、26.9 m2）等。根據2號線實際情況，區間隧道長度為5 km。

3）哈地站至陳屋站區間特殊分析。

哈地站至陳屋站區間總長4.4 km，中間暗挖，兩邊盾構，在區間正中間的位置設有中間風井。長度分別為：靠近哈地站段的盾構長度1.4 km、中間暗挖段長度2.4 km、靠近陳屋站的盾構段長度0.6 km。

4）列車突入洞口情況。

結合展覽中心站（至東莞虎門站方向）附近有列車突入洞口的情況，現行地鐵隧道通用內徑為 5.4 m的斷面，隧道長度為1.5 km。

計算數據分析時，根據車輛漏氣點的位置，計算數據選取車頭與車廂連接處、每節車廂連接處、車尾與車廂連接處的壓力數據進行分析，這些數據既能反映漏氣處的車外壓力，又覆蓋了整個車身外的壓力情況。具體數據選取位置如圖5所示。

圖5 數據分析位置選取Fig. 5 Selection of data analysis location

1.3 數值仿真計算結果

1.3.1 壓力波形圖

列車在無中間風井的隧道內運行時，選取位置壓力波形圖如圖6所示（H-1為車頭，1-2為第1、2節車連接處，2-3為第2、3節車連接處，3-4為第3、4節車連接處，……，6-T為車尾）。

圖6 車速120 km/h、隧道長度3 000 m、直徑5.4 m車身周圍壓力波形Fig. 6 Pressure waves around the car body at speed 120 km/h,tunnel length 3,000 m, and diameter 5.4 m

計算結果表明，在沒有中間風井的短區間隧道內，車內3 s壓力變化最大值為450 Pa，遠小于各國的舒適度標準。地鐵隧道通用內徑5.4 m，可以滿足舒適度的要求。

1.3.2 空氣壓力波

列車運行空氣壓力波見圖7。

圖7 車速120 km/h、隧道直徑6.0 m車身周圍壓力波形Fig. 7 Pressure waves around the car body at a speed of 120 km/h and tunnel diameter of 6.0 m

3 s內車內壓力變化最大值如表1所示。

表1 3 s內車內壓力變化最大值Tab. 1 Maximum changes in 3 s within the carriage Pa

1.3.3 隧道突入洞口及設置緩沖結構

列車突入洞口時，無緩沖結構及增加緩沖結構，計算空氣壓力波車內3 s時間內最大變化值如表2所示。

計算結果表明，列車突入地鐵通用內徑5.4 m隧道洞口時，車內壓力變化已不能滿足要求，需要在洞口設置緩沖結構，緩沖結構設置成喇叭口形。優化結果顯示，當喇叭口面積為原隧道面積的1.5倍、緩沖長度大于20 m時，車內壓力變化能夠滿足舒適度的要求。

1.3.4 中間風井過渡措施的模擬計算

不同隧道直徑下，中間風井過渡段長度不同時的3 s內壓力變化最大值如表3所示。

表2 車內3 s時間內最大變化值Tab. 2 Maximum changes in 3 s within the carriage Pa

表3 中間風井過渡段長度不同時的3 s內壓力變化最大值Tab. 3 Maximum pressure change value within 3 s at different ventilation shaft transition lengths

計算結果表明，中間風井過渡段措施能夠緩解空氣動力學效應，但當中間風井過渡段長度大于 40 m后，空氣動力學效應不會繼續隨過渡段長度得到改善。

當地鐵隧道內徑為6.0 m時，中間風井與隧道相接處過渡段長度為20 m，基本可以滿足舒適度的要求。

從3 s氣壓變化最大值的角度分析，當車速為120 km/h，隧道內徑為6.0 m時，3 s氣壓變化最大值仍高于800 Pa/3s時，耳膜反應增強，從超限的數值上分析可以采取優化隧道局部結構的措施或提高列車密封性能來解決。

2 采取的主要措施

2.1 擴大長大區間隧道斷面

根據仿真計算的結果可以看出，擴大隧道斷面緩解空氣動力學效應是最有效的措施，其優點為：

1）能夠比較徹底地解決速度目標值提高到120 km/h的空氣動力學問題。

擴大斷面能夠直接使地鐵列車產生的空氣壓力幅值降低、壓力波動變得緩慢。因此，從根本上降低了空氣動力學效應。

2）具有一定的前瞻性。隧道一旦建成，很難改變。大斷面隧道緩解空氣動力學效應的措施具有一定的前瞻性。

3）能夠減小隧道阻力，降低牽引能耗與運營成本。

東莞軌道交通2號線線速度目標值提高后，基本阻力與隧道阻力增加，牽引能耗相應增加，擴大斷面可抵消阻力能耗的增加，減少運營成本。經計算，速度提高后，斷面直徑擴大到6.0 m后，牽引能耗降低4%。

缺點則是增加建設期的投資。隧道斷面擴大，如果采用盾構法施工，盾構機型式不是目前國內常用型式，需要特殊定制，制造成本增加；隧道挖土方量及支護結構均有所增加；經研究，盾構法施工大斷面區間隧道與常規斷面隧道相比土建工程造價約增加25%。經研究2號線線路，只有茶榴區間3.39 km、榴下區間4.27 km、哈陳區間4.6 km隧道長度超過3 km，區間運行速度超過100 km/h，需擴大隧道斷面，按長大區間隧道所占比例估算，區間隧道土建工程總造價約增加8%（2號線實際建設過程中，大斷面區間盾構隧道較常規斷面隧道工程每延米造價約增加8.6%，整個區間隧道土建工程總造價增加約3.7%）。

2.2 提高車輛氣密性

2.2.1 車體結構

為保證車體的氣密性，采用整體全焊接結構鋁合金車體，對直通車下的管路和電纜孔采取必要的密封措施。

2.2.2 車門

車門（包括司機室門）選擇密封性能良好的塞拉門，以保證車體密封性。

2.2.3 空調環控設備

軌道交通車輛空調設備的主要任務除調溫和向客室提供新鮮空氣外，還應避免外部壓力波通過通風口進入車廂，在客室進排風口各安裝一個壓力保護閥，當車內外壓力差超過一定的臨界值時，進排氣壓力保護閥同時關閉，空調機組只在車內系統內部循環通風工作，不從車外引進新風。當車內外壓力差低于臨界值時，進排氣閥重新打開，恢復車廂正常進排風。

2.2.4 貫通道

采用雙體高氣密性的貫通道，具有良好的密封、隔聲和隔熱性能。

2.3 車頭流線型造型

2號線流線型造型如圖8所示。車頭流線突出1 928 mm（不含車鉤），車頭兩側設置裙板，進一步改善空氣流動性能[9]。

圖8 2號線車頭流線型造型示意Fig. 8 Train head of Dongguan Rail Transit Line 2

2.4 隧道中間風井實施過渡段

在茶榴、榴下區間、哈陳3個長度超過3 km的隧道區間，中間風井與隧道相接處設置過渡段長度為20 m的緩沖區[10]，緩解空氣壓力波的變化。

2.5 隧道出洞口泄壓措施

在展覽中心站—虎門火車站區間洞口處設置緩沖結構及上下行線之間，隧道與地面間設置泄壓孔，以緩解列車進、出洞口時的瞬變壓力。

3 壓力波測試方法及結果

2015年12月，東莞軌道交通2號線首期段建成并開始試運行，為了驗證2號線緩解空氣壓力波的相關設計是否達到預期，同時為今后100～120 km/h的地鐵快線設計提供依據，東莞軌道交通有限公司結合當時東莞軌道交通2號線的實際情況，在2016年1—4月委托中國鐵道科學研究院進行了相關測試。

3.1 測試的內容

3.1.1 隧道區間壓力波測試

列車以100 km/h、110 km/h、120 km/h 3種速度在區間內運行時，測試各斷面最大壓力幅值和壓力梯度值，并給出波形圖。斷面布置如表4所示。

表4 測試斷面布置Tab. 4 Test section layout

3.1.2 車內外壓力波測試

在中間風井打開與關閉兩種狀態下，列車以100 km/h、110 km/h、120 km/h 3種速度級分別通過西平—陳屋區間的常規斷面和大斷面時，車體內外壓力波變化曲線。

3.1.3 洞口處壓力波測試

在展覽中心站—虎門火車站區間洞口泄壓孔（ZDK34+175）打開與封堵狀態下，列車以100 km/h、110 km/h、120 km/h 3種速度級進出展覽中心站—虎門火車站區間時，車內外壓力變化曲線。

3.2 測試的方法

3.2.1 測試原理圖

壓力波測試采用高精度壓差式壓力傳感器，該傳感器尺寸為Ф10 mm×3 mm，傳感器量程為±8.0 kPa，精度為0.25%Fs，動態響應頻率為0～3 kHz，如圖9所示[11]。

圖9 測試原理圖Fig. 9 Testing principles

3.2.2 測試設備布置

1）車體傳感器。車頭位置處車體內外安裝氣壓傳感器；司機室空調風口安裝風速傳感器，車頭測點布置見圖10。

圖10 車頭位置壓力波傳感器Fig. 10 Pressure wave sensor in car head position

在列車中部、尾部也各布置了一組同樣的傳感器。

2）在蛤地、西平站人防門處、區間中間風井、聯絡通道兩側、其他任一位置點安裝若干氣壓傳感器。區間測點布置見圖11。

圖11 區間風壓測點布置Fig. 11 Arrangement of interval wind pressure measurement points

3）泄壓孔封堵。為測試泄壓孔設置的效果，對區間上下行線間泄壓孔及地下到地面的泄壓孔進行封堵，并對泄壓孔有無封堵時的空氣壓力變化進行對比。

下行線間泄壓孔封堵如圖12所示，地下到地面的泄壓孔封堵如圖13所示。

圖12 下行線間泄壓孔封堵Fig. 12 Plugging of pressure relief holes between downlines

圖13 地下到地面的泄壓孔封堵Fig. 13 Pressure relief hole plugging from underground to ground

3.3 測試結果

3.3.1 隧道內的空氣壓力測試結果

1）當測試列車以120 km/h在西平—蛤地（內徑5.4 m，常規斷面）區間及蛤地—陳屋（內徑6.0 m，擴大斷面）區間運行時，測得隧道內瞬變壓力最大峰峰值、最大變化率及最大3 s極值出現在中間風井處為 0.975 2、0.919 4、0.962 4 kPa；0.783 9、0.729 3、0.769 9 kPa。說明采用擴大斷面及中間風井緩沖設施對緩解隧道內空氣壓力波變化作用明顯。

2）當測試列車在蛤陳區間分別以100、120 km/h速度運行時，測得隧道內瞬變壓力最大峰峰值、最大變化率及最大3 s極值出現在聯絡通道處為0.612 0、0.538 3、0.564 6 kPa；0.920 6、0.856 3、0.898 2 kPa。說明在聯絡通道處隨著速度由 100 km/h提升到120 km/h，聯絡通道處空氣壓力變化增加幅度較大，應注意加強聯絡通道門鎖閉機構的加強。

3.3.2 列車內外的空氣壓力測試結果

1）測試曲線如圖14、圖15所示。

圖14 西蛤區間車體內外瞬變壓力典型時程曲線Fig. 14 Typical time-history curve of the transient pressure outside the carriage of the Xi-Ha section

圖15 蛤陳區間車體內外瞬變壓力典型時程曲線Fig. 15 Typical time-history curve of the transient pressure outside the carriage of the Ha-Chen section

2）測試數據如表5所示。

3）數據分析。

由表5可知，測試列車以100～120 km/h運行時，測得列車內瞬變壓力最大峰峰值、最大變化率及最大3 s極值較車外相差較大，顯示列車密封性能較好，能夠較好地緩解空氣壓力波的影響；

當測試列車以100～120 km/h在西蛤、蛤陳區間運行時，測得西蛤區間車內壓力波最大3 s極值為528.7 Pa，蛤陳區間車內壓力波最大3 s極值為424.1 Pa，均小于700 Pa，擴大隧道斷面區間的車內壓力波最大3 s極值明顯小于常規斷面區間，顯示擴大斷面隧道起到了緩解空氣壓力波的作用。

表5 區間中間風井打開狀態下的測試數據Tab. 5 Test data under the condition of the interval ventilation shaft being open

在西蛤（內徑5.4 m，常規斷面）區間，列車120 km/h速度運行時，列車車中（客室內）空氣壓力波最大變化率為390 Pa/s，超過370 Pa/s，顯示在常規斷面，列車以120 km/h速度運行時，會給對空氣壓力波敏感的人帶來不舒適。

在蛤陳（內徑6.0 m，擴大斷面）區間，列車以120 km/h速度運行時，列車車中（客室內）空氣壓力波最大變化率為261.9 Pa/s，小于330 Pa/s，顯示擴大斷面對緩解空氣壓力波的作用明顯，對空氣壓力波敏感的人也不會不舒適。

當測試列車以100～120 km/h在西蛤、蛤陳區間運行時，測得西蛤區間列車頭尾壓力波最大變化率為463 Pa/s，蛤陳區間列車頭尾壓力波最大變化率為393.6 Pa/s，均大于370 Pa/s，對空氣壓力波敏感的人在司機室會感到不舒適，或者說司機室的密封性還需進一步優化提高。

3.3.3 出洞口處列車內外壓力波測試結果

根據測試數據可知，在出洞口泄壓孔打開狀態下，當測試列車以120 km/h通過展虎區間時，車體內瞬變壓力變化率為374.9 Pa/s，最大3 s極值為428.2 Pa，最大峰峰值為463.7 Pa；車體外瞬變壓力最大變化率為994.5 Pa/s，最大3 s極值為1 222 Pa，最大峰峰值為1 247.2 Pa。在出洞口泄壓孔封堵狀態下，當測試列車以120 km/h通過展虎區間時，車體內瞬變壓力最大變化率為516.8 Pa/s，最大3s極值為571 kPa，最大峰峰值為 609.1 Pa；車體外瞬變壓力最大變化率為1 475.8 Pa/s，最大3 s極值為1 602.4 Pa，最大峰峰值為1 609.6 Pa；顯示出出洞口泄壓孔對緩解出洞口處空氣壓力波的變化作用明顯。

當測試列車以120 km/h通過展虎區間時，車體內瞬變壓力最大3 s極值為428.2 Pa，沒有超過700 Pa，舒適度得到了保障；車頭瞬變壓力變化率為374.9 Pa/s，稍大于370 Pa/s，舒適度基本得到了保障。

4 結語

東莞市軌道交通2號線首期段于2016年5月27日以ATO模式，最高行車速度120 km/h開通試運營，經過一年半的運營實踐，沒有收到乘客對空氣壓力波感到不適的反映，較好地解決了最高行車速度 120 km/h城市軌道交通地下線路運行時乘客舒適度的問題。

2號線設計初期的專題研究及相關研究成果在設計施工圖、各專業實施中的落實，對解決地鐵列車在隧道內高速運行乘客舒適度的問題起到了關鍵的作用，開通前的專項測試也顯示出采取緩解空氣壓力波的各項措施都取得了較好的表現，并摸索出一套衡量空氣壓力波的標準。希望2號線的設計、建設經驗能給東莞后續地鐵快線及軌道交通行業快線設計、建設提供有力的支撐及幫助。