風閥對地鐵隧道壓力的影響研究

張 悅 張 強 畢海權 王君宜

風閥對地鐵隧道壓力的影響研究

張 悅1張 強1畢海權2王君宜2

（1.廣州地鐵設計研究院股份有限公司 廣州 510010；2.西南交通大學機械工程學院 成都 610031）

隨著地鐵列車速度的提高，列車運行引起的空氣動力學效應對站臺屏蔽門、各類風井內風道等的安全影響越來越大。針對廣州地鐵多條線路，采用現場試驗方法，對地鐵風道不同位置的壁面壓力進行了現場測試，得到了地鐵車站站端及區間中間風井不同風閥前后測點的動態壓力變化，并通過對比分析，研究了風閥對地鐵風道內壓力幅值的影響。現場測試結果表明：當列車速度為80km/h時，每道風閥的阻力作用會將風道內最大正壓降低10～40Pa，最大負壓降低10～60Pa；聯通風閥開啟會將軌行區和活塞風道內的最大正壓降低10～30Pa，最大負壓降低30～40Pa。

地鐵；現場測試；風閥；風井；風道壓力

0 引言

地鐵作為城市軌道交通線網體系中的重要組成部分，對改善城市交通環境、提高人們出行舒適性具有重要作用。截至2018年底，共有35個城市開通城軌交通運營線路185條，運營線路總長度為5761.4km[1]。隨著城市規模的擴大，多條120km/h及以上的城市軌道交通快線也已建成和開通[2]。

然而，地鐵隧道結構復雜，列車在車站及區間隧道運行過程中所產生的空氣動力學效應將直接影響隧道及車內環境，特別是隨著地鐵列車速度的提高，空氣動力學效應對站臺屏蔽門、各類風井內風道等的安全影響越來越大，必須深入研究，以采取相應的減緩措施[3,4]。

風閥，作為控制和調節地鐵車站及隧道內空氣流動的重要設施，一方面承受著隧道內空氣動力學效應的作用，另一方面對隧道風道內壓力變化具有重要影響。目前研究多針對列車內、隧道內和屏蔽門上的壓力[5-7]，而尚無針對風道內壓力變化的研究。為了探究活塞風道和區間風井風閥對地鐵風道壓力的影響，本文采用現場試驗方法，對廣州地鐵選定的地鐵車站軌行區、活塞風道、區間風井進行了多次風壓測試，并根據測試結果，研究了風道內壓力的動態變化及風閥對地鐵風道壓力的影響，為地鐵隧道設計提供參考依據。

1 地鐵隧道風閥

隧道通風系統包括區間隧道通風系統和車站隧道通風系統兩部分，它主要起到排除隧道內余熱、余濕，滿足隧道內通風換氣及溫度控制、阻塞情況下向阻塞區間送新風、火災情況下排出隧道煙氣的作用[8]。隧道通風系統有單活塞風道和雙活塞風道兩種模式，單活塞風道通常只在車站出口端設置一個活塞風道；雙活塞風道則是在車站的進口端和出口端分別設置活塞風道[9,10]。同時，在同一區間隧道，如果出現兩列車運行，則需設置區間風井，如圖1所示[11]。

圖1 區間中間風井示意圖

圖2 活塞風井結構示意圖

活塞風井系統由活塞風閥、活塞風道和連接室外的活塞風亭構成[12]，如圖2所示。風道內的風閥是控制和調節活塞風進入和離開隧道的關鍵部件。由于風閥的開啟，列車在軌行區運行產生的壓力波和活塞風會使活塞風道內的壓力和風速產生幾乎同步的動態變化。此外，有的風井系統為了便于控制空氣的流動方向，將其引入其他風道，實現系統功能切換，會在風井內設置第二道閥門[13]。

對于單活塞車站，為了便于泄壓，在車站兩條線路的入口處分別設置了聯通風道，聯通風道和另一線路出口處的活塞風井相連，聯通風道內的風閥即為聯通風閥，如圖3所示。

圖3 聯通風閥示意圖

2 風道壓力現場測試

2.1 測試方法

地鐵風道壓力測試通過在風道壁面上安裝壓力傳感器、通過信號調理及數據采集系統采集列車運行引起的壓力變化，再利用數據采集軟件和數據分析處理軟件分析試驗結果。

2.2 工況設置

本測試包括風閥開啟和關閉兩種試驗工況，工況1為活塞風閥開啟，工況2為活塞風閥關閉。試驗列車速度為80km/h。

2.3 測試儀器

本測試選用Endevco壓阻式絕壓型壓力傳感器8515C-15對隧道壁面壓力進行測試，采用美國DTS的SLICE數據采集系統對傳感器的壓力數據進行采集，通過系統接口為SLICE提供直流電源、觸發和信號通訊，采集數據并連接至計算機。測試系統如圖4所示。

2.4 測點布置

（1）雙活塞車站測點布置

雙活塞車站共布置3個測點，如圖5所示。其中測點1位于軌行區，測點2分別位于第一道風閥后，測點3位于第二道風閥后。

（2）單活塞車站測點布置

單活塞車站共布置兩個測點，如圖6所示，測點1位于軌行區，測點2位于第一道風閥后。

（3）區間中間風井測點布置

區間中間風井共布置3個測點，如圖7所示。測點1位于軌行區，測點2位于第一道風閥后，測點3位于左線第二道風閥后。

圖5 雙活塞車站進站端測點布置示意圖

圖6 單活塞車站測點布置示意圖

圖7 區間隧道左線中間風井測點布置示意圖（側視）

（4）聯通風閥測點布置

聯通風閥測點布置如圖8所示，共布置2個測點。測點1位于軌行區，測點2位于第一道風閥后。

圖8 聯通風閥測點布置示意圖

3 測試結果與分析

3.1 風閥對活塞風道及風井內壓力變化的影響

3.1.1 雙活塞車站

雙活塞車站風道內各閥門前后壓力測試結果如圖9所示。由圖9可以看出，軌行區和風道內各處的動態壓力變化規律基本同步，且最大正壓出現的時刻相同，但壓力的最大幅值不同。由于風閥的阻力作用，軌行區測點、第一道風閥后及第二道風閥后測點的（見圖5）最大壓力幅值由102Pa分別降低至52Pa和43Pa。第一道風閥將最大正壓和負壓分別降低了50Pa；第二道風閥將最大正壓降低了9Pa，最大負壓降低了14Pa。

圖9 雙活塞車站進站端測點壓力變化曲線

3.1.2 單活塞車站

單活塞車站的閥門前后壓力試驗結果如圖10所示。從圖10中可以看出，與雙活塞車站結論一致，軌行區和閥門后的壓力變化規律同步，且最大正壓出現的時刻相同，但壓力的最大幅值不同，經過閥門后的最大正壓和最大負壓均降低。由于風閥的阻力作用，可以使豎井內風閥后端的正壓幅值由44Pa降低至24Pa，負壓幅值由-121Pa降低至-60Pa。

圖10 單活塞車站測點壓力變化曲線

3.1.3 區間中間風井

區間中間風機測試結果如圖11所示。從圖11中可以看出，軌行區及風井內各測點的壓力變化規律一致，且峰值壓力出現的時刻相同，測點1與測點2的最大正壓差為28Pa，最大負壓差為7Pa；測點2與測點3的最大正壓差為28Pa，最大負壓差為100Pa。由此可見，風閥可有效地減緩豎井內的壓力。

圖11 區間隧道左線中間風井測點壓力變化曲線（風閥開啟）

3.2 聯通風閥開啟對風道壓力的影響

聯通風閥開啟對風道壓力影響的測試結果如圖12所示。由圖12可以看出，開啟聯通風閥后，軌行區最大正壓由44Pa降低到36Pa；最大負壓由-121Pa降低到-100Pa。由圖13可以看出，活塞風道內最大正壓由56Pa降低到26Pa；最大負壓由-80Pa，降低到-38Pa。由此可見：在正常工況下打開聯通風閥可以降低列車所在線路軌行區和活塞風道內的壓力，但不可避免地增加了另一條線路上隧道內的壓力，但對另一條線路上隧道內壓力的影響需要依據該線路列車的運行情況進行討論。聯通風閥起到了與高速鐵路隧道橫通道相同的泄壓作用。

圖12 聯通風閥開啟對軌行區壓力的影響

圖13 聯通風閥開啟對活塞風道壓力的影響

4 結論

本文針對多條廣州地鐵線路，采用現場測試的方法，對比研究了風閥開啟時地鐵車站站端活塞風井及區間中間風井內的動態壓力變化，主要研究結論如下：

（1）風道內壓力的動態變化規律與軌行區內的基本一致。

（2）當列車速度為80km/h時，風閥的阻力作用可降低風道內的壓力幅值，每道風閥約能降低10～40Pa的最大正壓，10～60Pa的最大負壓。

（3）當列車速度為80km/h時，聯通風閥開啟可對軌行區和活塞風道的壓力進行有效地泄壓。

[1] 中國城市軌道交通協會.城市軌道交通2018年度統計和分析報告[OL]. http://www.camet.org.cn, 2019.

[2] 段忠輝.高速地鐵隧道空氣動力學特性及控制技術研究[D].北京:北京交通大學,2019.

[3] 廖斌,禹倩倩.壓力波緩解措施在東莞地鐵二號線的應用[J].軌道交通裝備與技術,2017,(5):24-27.

[4] 楊寧.地鐵快線隧道內空氣壓力波控制技術方案與效果[J].城市軌道交通研究,2018,(7):54-57.

[5] 周朝暉.復雜結構鐵路隧道壓力波效應數值模擬研究[D].蘭州:蘭州交通大學,2016.

[6] 冉騰飛,梁習鋒,熊小慧.不同運行方式對高速地鐵氣動效應的影響[J].鐵道科學與工程學報,2019,16(4): 860-870.

[7] 劉俊,車輪飛.高速模式下地鐵隧道空氣動力學效應斷面優化分析[J].暖通空調,2016,46(5):1-16.

[8] 韓云.地鐵風亭和風井形式對隧道通風效果影響的研究[D].西安:西安建筑科技大學,2009.

[9] 曾瑜,陳麗華.對廣州地鐵風亭設計的總結與思考[J].廣州建筑,2010,38(2):7-11.

[10] 廖建科.廣州某地鐵通風空調設計[J].山西建筑, 2019,45(11):95-96.

[11] GB 50157—2013,地鐵設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2013.

[12] 王麗慧,龔偉,宋潔,等.地鐵水平活塞風閥速度場特性實測研究[J].制冷學報,2012,33(5):54-59.

[13] 閆家偉,杜霞.地鐵通風系統組合風閥存在問題及建議[J].消防科學與技術,2012,31(12):1298-1300.

Effect of Air Valve on Pressure Change in Metro Tunnel

Zhang Yue1Zhang Qiang1Bi Haiquan2Wang Junyi2

( 1.Guangzhou Metro Design & Research Institute Co., Ltd, Guangzhou, 510010；2.School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

With the increasing speed of subway train, the aerodynamic effects caused by train operation have a greater and greater effect on the safety of platform screen doors and the air passage of the airshafts. For multiple lines of Guangzhou Metro, the dynamicpressure at different locations of the airshaft and tunnel is tested by field measurement. The pressure changes before and after the different valves at the airshaft of the station and the middle airshaft during two stations are obtained. The effect of air valve on pressure amplitude at the air passage of the airshafts was studied through comparative analysis. The field test results show that when the train speed is 80km/h, because of the resistance of every air valve, the maximum positive pressure and negative pressure at the air passage will be respectively reduced 10～40Pa and 10～60Pa. Moreover, the opening of the joint ventilation valve will reduce the maximum positive pressure of 10～30Pa and the maximum negative pressure of 30～40Pa for tunnel and the air passage of the airshafts.

Subway; field test; air valve; airshaft; pressure

U451

A

1671-6612（2020）03-369-05

張 悅（1979.10-），女，本科，高級工程師，E-mail：31649391@qq.com

2020-03-27