高速地鐵隧道內(nèi)風(fēng)壓變化研究

1、高速地鐵隧道內(nèi)風(fēng)壓變化研究摘 要：根據(jù)國(guó)內(nèi)外有關(guān)資料，提出了適合我國(guó)高速地鐵隧道壓力控制的標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)數(shù)值分析，給出了高速地鐵隧道內(nèi)典型位置的壓力變化及控制處理方法。關(guān)鍵詞：地鐵隧道 壓力變化 壓力變化率 近年來(lái)，國(guó)內(nèi)許多大城市正在建設(shè)或籌劃城市快速軌道交通系統(tǒng)（或地鐵系統(tǒng)），其最高時(shí)速一般不大于，平均旅行速度為。根據(jù)國(guó)內(nèi)已建成的幾條城市地鐵系統(tǒng)的運(yùn)行情況，乘客對(duì)隧道內(nèi)的壓力及壓力變化尚未有不良反應(yīng)，現(xiàn)行的地下鐵道設(shè)計(jì)規(guī)范也未對(duì)此有明確的限制標(biāo)準(zhǔn)。最近一段時(shí)間，有的城市對(duì)列車運(yùn)行提出了更高運(yùn)行速度的要求，根據(jù)香港及國(guó)外已建成運(yùn)營(yíng)的地鐵或快速軌道交通情況，其隧道內(nèi)的壓力及壓力變化率必須加以控制，這

2、方面有成功的例子，也有失敗的教訓(xùn)。1壓力及壓力變化率標(biāo)準(zhǔn) 列車在隧道內(nèi)高速運(yùn)行的壓力及壓力變化率若超出一定的限制，輕則會(huì)造成乘客耳朵不適，乘客舒適度降低，行車阻力增大和能耗增加，重則會(huì)造成乘客失聰，甚至影響車輛行車安全。因此，已建成并投入運(yùn)營(yíng)的高速軌道交通系統(tǒng)對(duì)隧道內(nèi)的壓力及壓力變化率均作出了一定的限制（詳見(jiàn)表），雖然不同系統(tǒng)的限值存在較大的差異，但基本上均從兩個(gè)方面控制：（）“峰對(duì)峰”（）值，即最大壓力變化的絕對(duì)值；（）壓力變化率。 在有關(guān)的研究文獻(xiàn)中還指出上述兩種控制指標(biāo)單獨(dú)使用均不能合理地反映乘客的生理反應(yīng)，例如，對(duì)于壓力變化絕對(duì)值較高但壓力變化過(guò)程較長(zhǎng)的情況，由于人體來(lái)得及適應(yīng)耳膜內(nèi)外

3、壓力變化，因此不會(huì)有明顯的不適反應(yīng)，這方面非常典型的例子是飛機(jī)在起飛或降落過(guò)程中的緩慢降壓或升壓過(guò)程，雖然其前后的壓力變化達(dá)幾千帕，但乘客一般不會(huì)有不良反應(yīng)。另一方面，若壓力變化率較大，但壓力變化的絕對(duì)值控制在一定的范圍內(nèi)時(shí)，乘客一般也不會(huì)有不舒適的反應(yīng)。當(dāng)然，無(wú)論如何隧道內(nèi)的壓力變化絕對(duì)值不可以超過(guò)，這會(huì)對(duì)乘客的耳膜造成永久性傷害。 雖然世界各國(guó)對(duì)高速隧道內(nèi)壓力變化及壓力變化率的標(biāo)準(zhǔn)不完全一致，美國(guó)運(yùn)輸部（）在這方面是較早開(kāi)展研究的單位之一，而其在地鐵環(huán)境設(shè)計(jì)手冊(cè)（）提出表中的標(biāo)準(zhǔn)也基本得到世界各國(guó)的認(rèn)可，同時(shí)也在多條地鐵或快速軌道交通的設(shè)計(jì)中采用，其典型系統(tǒng)為美國(guó)三藩市的（最高速度，即）和

4、香港新機(jī)場(chǎng)快線（最高速度），因此，在現(xiàn)行規(guī)范尚未完善前，采用經(jīng)較多實(shí)踐檢驗(yàn)過(guò)的美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)較為合適。表 各國(guó)隧道壓力控制標(biāo)準(zhǔn)注：為壓力變化率；為壓力變化絕對(duì)值；為特定時(shí)間內(nèi)的壓力變 化。2壓力變化的形成及數(shù)學(xué)描述 列車在隧道內(nèi)運(yùn)行現(xiàn)象與活塞運(yùn)動(dòng)類似，但又有所不同，列車前面的空氣一部分被推向前方，另一部分則沿列車與隧道之間的環(huán)形空間形成回流，這主要是由于空氣黏性以及氣流對(duì)隧道壁面和列車表面的摩擦作用使得被列車排擠的空氣不能像在大空間中那樣及時(shí)散開(kāi)。因此，列車前方空氣受壓縮，隨之就產(chǎn)生特定的壓力變化過(guò)程，其引起的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)會(huì)隨著行車速度的提高而加劇。當(dāng)然，隧道內(nèi)的壓力變化除與行車速度有關(guān)外，還受列

5、車車輛的有關(guān)參數(shù)（車頭尾的形狀系數(shù)、列車截面、列車表面阻力系數(shù)等）、隧道型式（隧道截面面積、隧道和道床的表面阻力系數(shù)、所有隧道通風(fēng)管件變化等）等條件的影響。 隧道內(nèi)列車活塞運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的空氣動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象是三維可壓縮、非定常的紊流，但由于隧道的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于隧道的水力半徑，而在隧道通風(fēng)系統(tǒng)計(jì)算中是以隧道斷面平均速度作為研究對(duì)象，因此可以用一維非穩(wěn)定流模型來(lái)描述，在這方面美國(guó)交通部作過(guò)相應(yīng)的理論分析并為大量的測(cè)試所證明。描述隧道內(nèi)空氣運(yùn)行的基本方程為：（）連續(xù)性方程 一般來(lái)說(shuō)，隧道內(nèi)的活塞風(fēng)速較低，小于馬赫數(shù)，因此，可以將列車活塞運(yùn)動(dòng)的空氣流動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象作為不可壓縮流體的空氣流動(dòng)現(xiàn)象。因此，將式（）沿流線積

6、分可得到下式：3壓力變化的數(shù)值分析 目前，在地鐵隧道通風(fēng)方面數(shù)值模擬分析較通用的軟件為美國(guó)運(yùn)輸部組織編寫的（）程序，該程序是一維模型，不但可以用于預(yù)測(cè)地鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)隧道內(nèi)的空氣溫濕度，還可以用作壓力分析，而且已成功用于世界上多條地鐵設(shè)計(jì)中。根據(jù)前面的分析可知，由于地鐵隧道內(nèi)壓力變化與許多因素有關(guān)，因此，我們根據(jù)地鐵最普遍采用的相關(guān)參數(shù)選取種最通常出現(xiàn)的情況進(jìn)行了模擬分析，分析結(jié)果如下。（）長(zhǎng)區(qū)間隧道 對(duì)于一段長(zhǎng)的單洞單線隧道，阻塞比約為，在隧道兩端均為設(shè)置有站臺(tái)屏蔽門的島式站臺(tái)的地下車站，同時(shí)在隧道的兩端均設(shè)有的活塞風(fēng)井，列車的行車間隔為，當(dāng)列車以的速度經(jīng)過(guò)隧道中部區(qū)域時(shí)，根據(jù)程序模擬計(jì)算顯示：其

7、隧道內(nèi)中部區(qū)域某固定點(diǎn)處一個(gè)行車間隔內(nèi)的壓力變化（如圖所示）將超過(guò)允許標(biāo)準(zhǔn)，最大壓力變化率達(dá)，因此正常運(yùn)行時(shí)不可以有工作人員在隧道內(nèi)作業(yè)；而列車上乘客所感受的壓力變化則不同，圖是模擬計(jì)算列車以高速通過(guò)區(qū)間隧道中部附近區(qū)域時(shí)，內(nèi)列車頭及車尾的壓力變化曲線，從圖中可知，列車在通過(guò)區(qū)間中點(diǎn)前，其車頭的壓力是逐漸升高，列車經(jīng)過(guò)中點(diǎn)后，其車頭的壓力又逐漸下降，這是由于車頭離前方車站活塞風(fēng)井越來(lái)越近的緣故；而車尾的壓力在列車開(kāi)始制動(dòng)前壓力是一直下降的，這是由于車尾離后方車站活塞風(fēng)井越來(lái)越遠(yuǎn)的緣故。從圖中還可以看出，雖然車頭車尾的壓力變化絕對(duì)值較大（特別是負(fù)壓），但其變化過(guò)程是相當(dāng)緩慢的，其最大壓力變化率均

8、小于，與標(biāo)準(zhǔn)要求還相差較遠(yuǎn)。因此，在高速地鐵隧道內(nèi)，若不存在隧道突變時(shí)，乘客并不會(huì)有不適反應(yīng)。（）長(zhǎng)區(qū)間隧道中部中間風(fēng)井處 高速地鐵系統(tǒng)的站間距一般較長(zhǎng)（平均達(dá)）才能體現(xiàn)高速運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)，由于種種原因，列車車輛的發(fā)熱量也會(huì)有較大幅度的提高，因此，在屏蔽門系統(tǒng)下為控制地下區(qū)間隧道內(nèi)溫度，一般會(huì)在隧道中部設(shè)置中間風(fēng)井以加大區(qū)間隧道與外界的熱交換。在利用程序模擬計(jì)算分析過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)高速運(yùn)行的列車通過(guò)中間風(fēng)井時(shí)，若不對(duì)中間風(fēng)井處進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，列車車頭、車尾處的壓力變化率相當(dāng)高，這在某些已運(yùn)行的快速軌道交通系統(tǒng)中是存在此種現(xiàn)象的，乘客有非常明顯的耳膜陣痛感。以廣州地鐵號(hào)線為例，當(dāng)列車以的速度經(jīng)過(guò)隧道中

9、間風(fēng)井時(shí)，若不對(duì)接口進(jìn)行任何處理，其車頭最大壓力變化率高達(dá)近 ，車尾也高達(dá)，而要滿足的標(biāo)準(zhǔn)，在此種情況下較經(jīng)濟(jì)的處理方法是在一定區(qū)域局部加大隧道截面積，而且最好采用喇叭型的漸變方式，其治理后前后車頭、車尾的壓力變化情況詳見(jiàn)圖、圖所示。（）長(zhǎng)區(qū)間隧道口 一般地鐵總有部分線路設(shè)于地面以方便與車輛段聯(lián)絡(luò)，若地鐵有部分線路是地面線路且洞口的位置處于列車高速運(yùn)行區(qū)段，當(dāng)列車以高速?zèng)_入不作任何處理的隧道內(nèi)時(shí)，列車上乘客耳膜會(huì)有較強(qiáng)的壓痛感，這主要是由于壓力變化率超標(biāo)所致，對(duì)已建成投入運(yùn)營(yíng)的系統(tǒng)來(lái)講惟一的處理方法只有降低列車速度，即以犧牲運(yùn)營(yíng)水平來(lái)解決，因此，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)控制解決好隧道口的壓力變化率。國(guó)

10、外有關(guān)研究機(jī)構(gòu)曾進(jìn)行過(guò)有關(guān)研究，其基本結(jié)論是列車高速運(yùn)行區(qū)段內(nèi)的隧道口面積最少應(yīng)加大到正常隧道面積的倍，然后在一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)漸變到正常隧道面積，其加大長(zhǎng)度與多種因素有關(guān)，其中最重要的兩項(xiàng)是隧道的長(zhǎng)度和列車的速度。以廣州地鐵號(hào)線為例，當(dāng)列車以 的速度沖入距前方車站約 且不作處理的隧道口時(shí)，其車頭壓力變化率高達(dá) ，車尾壓力變化率也高達(dá)近 ，經(jīng)多次模擬計(jì)算，當(dāng)隧道口面積加大至正常隧道面積倍，漸變長(zhǎng)度為 時(shí)，其車頭車尾的壓力變化率才能得到有效的控制，其治理前后車頭、車尾的壓力變化情況詳見(jiàn)圖、圖所示。4小 結(jié) 根據(jù)前面的有關(guān)分析，可以很明顯地看出，在高速地鐵隧道內(nèi)必須對(duì)壓力及壓力變化率進(jìn)行控制，在目前有關(guān)規(guī)范尚未對(duì)此作出規(guī)定前參考美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)是較為適當(dāng)?shù)?，若現(xiàn)行的地下鐵道設(shè)計(jì)規(guī)范適用范圍擴(kuò)大到 時(shí)應(yīng)補(bǔ)充該部分內(nèi)容。 從隧道內(nèi)壓力數(shù)值分析情況基本可以得出以下結(jié)論：正常運(yùn)行時(shí)，高速運(yùn)行區(qū)間隧道不應(yīng)有作業(yè)人員；若區(qū)間隧道內(nèi)無(wú)較大的局部變化（無(wú)突擴(kuò)、突縮斷面），雖然長(zhǎng)區(qū)間隧道壓力值較高，但一般壓力變化過(guò)程的時(shí)間長(zhǎng)，其壓力變化率較小，對(duì)乘客不會(huì)有影響；但若區(qū)間隧道內(nèi)存在局部隧道截面較大的突擴(kuò)或突縮、中隔墻斷開(kāi)、中間風(fēng)井、隧道口等情況時(shí)，必須采取一定的數(shù)值計(jì)算方法，分析壓力變化過(guò)程，確定合理的處理措施