高速地鐵隧道內風壓變化研究

廣州市地下鐵道設計研究院
同濟大學熱能工程系
摘 要：根據國內外有關資料，提出了適合我國高速地鐵隧道壓力控制的標準，通過數值分析，給出了高速地鐵隧道內典型位置的壓力變化及控制處理方法。
關鍵詞：地鐵隧道 壓力變化 壓力變化率
近年來，國內許多大城市正在建設或籌劃城市快速軌道交通系統（或地鐵系統），其最高時速一般不大于８０　ｋｍ／ｈ，平均旅行速度為３５　ｋｍ／ｈ。根據國內已建成的幾條城市地鐵系統的運行情況，乘客對隧道內的壓力及壓力變化尚未有不良反應，現行的《地下鐵道設計規范》也未對此有明確的限制標準。最近一段時間，有的城市對列車運行提出了更高運行速度的要求，根據香港及國外已建成運營的地鐵或快速軌道交通情況，其隧道內的壓力及壓力變化率必須加以控制，這方面有成功的例子，也有失敗的教訓。
1壓力及壓力變化率標準
列車在隧道內高速運行的壓力及壓力變化率若超出一定的限制，輕則會造成乘客耳朵不適，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，已建成并投入運營的高速軌道交通系統對隧道內的壓力及壓力變化率均作出了一定的限制（詳見表１），雖然不同系統的限值存在較大的差異，但基本上均從兩個方面控制：
（１）“峰對峰”（ｐｅａｋ　ｔｏ　ｐｅａｋ）值，即最大壓力變化的絕對值；
（２）壓力變化率。
在有關的研究文獻中還指出上述兩種控制指標單獨使用均不能合理地反映乘客的生理反應，例如，對于壓力變化絕對值較高但壓力變化過程較長的情況，由于人體來得及適應耳膜內外壓力變化，因此不會有明顯的不適反應，這方面非常典型的例子是飛機在起飛或降落過程中的緩慢降壓或升壓過程，雖然其前后的壓力變化達幾千帕，但乘客一般不會有不良反應。另一方面，若壓力變化率較大，但壓力變化的絕對值控制在一定的范圍內時，乘客一般也不會有不舒適的反應。當然，無論如何隧道內的壓力變化絕對值不可以超過１０　ｋＰａ，這會對乘客的耳膜造成永久性傷害。
雖然世界各國對高速隧道內壓力變化及壓力變化率的標準不完全一致，美國運輸部（ＵＳＤＯＴ）在這方面是較早開展研究的單位之一，而其在《地鐵環境設計手冊》（Ｓｕｂｗａｙ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｈａｎｄｂｏｏｋ）提出表１中的標準也基本得到世界各國的認可，同時也在多條地鐵或快速軌道交通的設計中采用，其典型系統為美國三藩市的ＢＡＲＴ（最高速度８０　ｍｉｌｅ／ｈ，即１２８　ｋｍ／ｈ）和香港新機場快線（最高速度１３５　ｋｍ／ｈ），因此，在現行規范尚未完善前，采用經較多實踐檢驗過的美國標準較為合適。
表１ 　各國隧道壓力控制標準
注：Ｐｔ為壓力變化率；Ｐ為壓力變化絕對值；Ｐ′為特定時間內的壓力變 化。
2壓力變化的形成及數學描述
列車在隧道內運行現象與活塞運動類似，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形空間形成回流，這主要是由于空氣黏性以及氣流對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散開。因此，列車前方空氣受壓縮，隨之就產生特定的壓力變化過程，其引起的空氣動力學效應會隨著行車速度的提高而加劇。當然，隧道內的壓力變化除與行車速度有關外，還受列車車輛的有關參數（車頭尾的形狀系數、列車截面、列車表面阻力系數等）、隧道型式（隧道截面面積、隧道和道床的表面阻力系數、所有隧道通風管件變化等）等條件的影響。
隧道內列車活塞運動所產生的空氣動力學現象是三維可壓縮、非定常的紊流，但由于隧道的長度遠大于隧道的水力半徑，而在隧道通風系統計算中是以隧道斷面平均速度作為研究對象，因此可以用一維非穩定流模型來描述，在這方面美國交通部作過相應的理論分析并為大量的測試所證明。描述隧道內空氣運行的基本方程?４?為：
（１）連續性方程
一般來說，隧道內的活塞風速較低，小于０?１馬赫數，因此，可以將列車活塞運動的空氣流動力學現象作為不可壓縮流體的空氣流動現象?５?。因此，將式（２）沿流線積分可得到下式：
3壓力變化的數值分析
目前，在地鐵隧道通風方面數值模擬分析較通用的軟件為美國運輸部組織編寫的ＳＥＳ（Ｓｕｂｗａｙ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｐｒｏｇｒａｍ）程序，該程序是一維模型，不但可以用于預測地鐵運營時隧道內的空氣溫濕度，還可以用作壓力分析，而且已成功用于世界上多條地鐵設計中。根據前面的分析可知，由于地鐵隧道內壓力變化與許多因素有關，因此，我們根據地鐵最普遍采用的相關參數選取３種最通常出現的情況進行了模擬分析，分析結果如下。
（１）長區間隧道
對于一段２?５　ｋｍ長的單洞單線隧道，阻塞比約為０?４８，在隧道兩端均為設置有站臺屏蔽門的島式站臺的地下車站，同時在隧道的兩端均設有１６　ｍ２的活塞風井，列車的行車間隔為１２０　ｓ，當列車以１２０　ｋｍ／ｈ的速度經過隧道中部區域時，根據ＳＥＳ程序模擬計算顯示：其隧道內中部區域某固定點處一個行車間隔內的壓力變化（如圖１所示）將超過允許標準，最大壓力變化率達９７２　Ｐａ／ｓ，因此正常運行時不可以有工作人員在隧道內作業；而列車上乘客所感受的壓力變化則不同，圖２是ＳＥＳ模擬計算列車以高速通過區間隧道中部附近區域時，２５　ｓ內列車頭及車尾的壓力變化曲線，從圖中可知，列車在通過區間中點前，其車頭的壓力是逐漸升高，列車經過中點后，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井越來越近的緣故；而車尾的壓力在列車開始制動前壓力是一直下降的，這是由于車尾離后方車站活塞風井越來越遠的緣故。從圖２中還可以看出，雖然車頭車尾的壓力變化絕對值較大（特別是負壓），但其變化過程是相當緩慢的，其最大壓力變化率均小于５０　Ｐａ／ｓ，與標準要求還相差較遠。因此，在高速地鐵隧道內，若不存在隧道突變時，乘客并不會有不適反應。
（２）長區間隧道中部中間風井處
高速地鐵系統的站間距一般較長（平均達２～３　ｋｍ）才能體現高速運行的優勢，由于種種原因，列車車輛的發熱量也會有較大幅度的提高，因此，在屏蔽門系統下為控制地下區間隧道內溫度，一般會在隧道中部設置中間風井以加大區間隧道與外界的熱交換。在利用ＳＥＳ程序模擬計算分析過程中發現，當高速運行的列車通過中間風井時，若不對中間風井處進行適當的處理，列車車頭、車尾處的壓力變化率相當高，這在某些已運行的快速軌道交通系統中是存在此種現象的，乘客有非常明顯的耳膜陣痛感。以廣州地鐵３號線為例，當列車以１２０　ｋｍ／ｈ的速度經過隧道中間風井時，若不對接口進行任何處理，其車頭最大壓力變化率高達近１　０００ Ｐａ／ｓ，車尾也高達６５　Ｐａ／ｓ，而要滿足ＳＥＳ的標準，在此種情況下較經濟的處理方法是在一定區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圖３、圖４所示。
（３）長區間隧道口
一般地鐵總有部分線路設于地面以方便與車輛段聯絡，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行區段，當列車以高速沖入不作任何處理的隧道內時，列車上乘客耳膜會有較強的壓痛感，這主要是由于壓力變化率超標所致，對已建成投入運營的系統來講惟一的處理方法只有降低列車速度，即以犧牲運營水平來解決，因此，在進行設計時就應控制解決好隧道口的壓力變化率。國外有關研究機構曾進行過有關研究，其基本結論是列車高速運行區段內的隧道口面積最少應加大到正常隧道面積的２倍，然后在一定長度范圍內漸變到正常隧道面積，其加大長度與多種因素有關，其中最重要的兩項是隧道的長度和列車的速度。以廣州地鐵３號線為例，當列車以１２０ ｋｍ／ｈ的速度沖入距前方車站約２ ｋｍ且不作處理的隧道口時，其車頭壓力變化率高達１ ０００ Ｐａ／ｓ，車尾壓力變化率也高達近６００ Ｐａ／ｓ，經多次模擬計算，當隧道口面積加大至正常隧道面積２倍，漸變長度為１００ ｍ時，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圖５、圖６所示。
4小 結
根據前面的有關分析，可以很明顯地看出，在高速地鐵隧道內必須對壓力及壓力變化率進行控制，在目前有關規范尚未對此作出規定前參考美國ＳＥＳ標準是較為適當的，若現行的《地下鐵道設計規范》適用范圍擴大到１２０ ｋｍ／ｈ時應補充該部分內容。
從隧道內壓力數值分析情況基本可以得出以下結論：正常運行時，高速運行區間隧道不應有作業人員；若區間隧道內無較大的局部變化（無突擴、突縮斷面），雖然長區間隧道壓力值較高，但一般壓力變化過程的時間長，其壓力變化率較小，對乘客不會有影響；但若區間隧道內存在局部隧道截面較大的突擴或突縮、中隔墻斷開、中間風井、隧道口等情況時，必須采取一定的數值計算方法，分析壓力變化過程，確定合理的處理措施才能將壓力變化率控制在可接受的范圍內。同時，若處理不當，出現運營后壓力變化率過高而導致乘客有不適反應時，只能降低列車運行速度，而這將大大降低預期的運營服務質量，達不到設計的運營速度要求。
參考文獻
１ 　Ｓｕｂｗａｙ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｈａｎｄｂｏｏｋ，Ｖｏｌｕｍｅ　Ⅰ＆Ⅱ Ｕ?Ｓ?Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｎｔｉｏｎ
２　 空調換氣設備篇?日本鐵道建設公團
３　 Ｄｅｓｉｇｎ　Ｓｔａｎｄａｒｄ?ＨｏｎｇＫｏｎｇ　ＭＲＴ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ
４　 吳望一，編著?流體力學?北京：北京大學出版社，１９９８
５　 長區間隧道與快速運營造成的影響?北方交通大學城市軌道交通研究中心