高速地铁隧道内风压变化研究

　　

摘 要：根据国内外有关资料，提出了适合我国高速地铁隧道压力控制的标准，通过数值分析，给出了高速地铁隧道内典型位置的压力变化及控制处理方法。

关键词：地铁隧道 压力变化 压力变化率

近年来，国内许多大城市正在建设或筹划城市快速轨道交通系统（或地铁系统），其最高时速一般不大于８０　ｋｍ／ｈ，平均旅行速度为３５　ｋｍ／ｈ。根据国内已建成的几条城市地铁系统的运行情况，乘客对隧道内的压力及压力变化尚未有不良反应，现行的《地下铁道设计规范》也未对此有明确的限制标准。最近一段时间，有的城市对列车运行提出了更高运行速度的要求，根据香港及国外已建成运营的地铁或快速轨道交通情况，其隧道内的压力及压力变化率必须加以控制，这方面有成功的例子，也有失败的教训。
1压力及压力变化率标准
列车在隧道内高速运行的压力及压力变化率若超出一定的限制，轻则会造成乘客耳朵不适，乘客舒适度降低，行车阻力增大和能耗增加，重则会造成乘客失聪，甚至影响车辆行车安全。因此，已建成并投入运营的高速轨道交通系统对隧道内的压力及压力变化率均作出了一定的限制（详见表１），虽然不同系统的限值存在较大的差异，但基本上均从两个方面控制：
（１）“峰对峰”（ｐｅａｋ　ｔｏ　ｐｅａｋ）值，即最大压力变化的绝对值；
（２）压力变化率。
在有关的研究文献中还指出上述两种控制指标单独使用均不能合理地反映乘客的生理反应，例如，对于压力变化绝对值较高但压力变化过程较长的情况，由于人体来得及适应耳膜内外压力变化，因此不会有明显的不适反应，这方面非常典型的例子是飞机在起飞或降落过程中的缓慢降压或升压过程，虽然其前后的压力变化达几千帕，但乘客一般不会有不良反应。另一方面，若压力变化率较大，但压力变化的绝对值控制在一定的范围内时，乘客一般也不会有不舒适的反应。当然，无论如何隧道内的压力变化绝对值不可以超过１０　ｋＰａ，这会对乘客的耳膜造成永久性伤害。
虽然世界各国对高速隧道内压力变化及压力变化率的标准不完全一致，美国运输部（ＵＳＤＯＴ）在这方面是较早开展研究的单位之一，而其在《地铁环境设计手册》（Ｓｕｂｗａｙ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｈａｎｄｂｏｏｋ）提出表１中的标准也基本得到世界各国的认可，同时也在多条地铁或快速轨道交通的设计中采用，其典型系统为美国三藩市的ＢＡＲＴ（最高速度８０　ｍｉｌｅ／ｈ，即１２８　ｋｍ／ｈ）和香港新机场快线（最高速度１３５　ｋｍ／ｈ），因此，在现行规范尚未完善前，采用经较多实践检验过的美国标准较为合适。
表１ 　各国隧道压力控制标准
注：Ｐｔ为压力变化率；Ｐ为压力变化绝对值；Ｐ＇为特定时间内的压力变 化。
2压力变化的形成及数学描述
列车在隧道内运行现象与活塞运动类似，但又有所不同，列车前面的空气一部分被推向前方，另一部分则沿列车与隧道之间的环形空间形成回流，这主要是由于空气黏性以及气流对隧道壁面和列车表面的摩擦作用使得被列车排挤的空气不能像在大空间中那样及时散开。因此，列车前方空气受压缩，随之就产生特定的压力变化过程，其引起的空气动力学效应会随着行车速度的提高而加剧。当然，隧道内的压力变化除与行车速度有关外，还受列车车辆的有关参数（车头尾的形状系数、列车截面、列车表面阻力系数等）、隧道型式（隧道截面面积、隧道和道床的表面阻力系数、所有隧道通风管件变化等）等条件的影响。
隧道内列车活塞运动所产生的空气动力学现象是三维可压缩、非定常的紊流，但由于隧道的长度远大于隧道的水力半径，而在隧道通风系统计算中是以隧道断面平均速度作为研究对象，因此可以用一维非稳定流模型来描述，在这方面美国交通部作过相应的理论分析并为大量的测试所证明。描述隧道内空气运行的基本方程?４?为：
（１）连续性方程
一般来说，隧道内的活塞风速较低，小于０?１马赫数，因此，可以将列车活塞运动的空气流动力学现象作为不可压缩流体的空气流动现象?５?。因此，将式（２）沿流线积分可得到下式：
3压力变化的数值分析
目前，在地铁隧道通风方面数值模拟分析较通用的软件为美国运输部组织编写的ＳＥＳ（Ｓｕｂｗａｙ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｐｒｏｇｒａｍ）程序，该程序是一维模型，不但可以用于预测地铁运营时隧道内的空气温湿度，还可以用作压力分析，而且已成功用于世界上多条地铁设计中。根据前面的分析可知，由于地铁隧道内压力变化与许多因素有关，因此，我们根据地铁最普遍采用的相关参数选取３种最通常出现的情况进行了模拟分析，分析结果如下。
（１）长区间隧道
对于一段２?５　ｋｍ长的单洞单线隧道，阻塞比约为０?４８，在隧道两端均为设置有站台屏蔽门的岛式站台的地下车站，同时在隧道的两端均设有１６　ｍ２的活塞风井，列车的行车间隔为１２０　ｓ，当列车以１２０　ｋｍ／ｈ的速度经过隧道中部区域时，根据ＳＥＳ程序模拟计算显示：其隧道内中部区域某固定点处一个行车间隔内的压力变化（如图１所示）将超过允许标准，最大压力变化率达９７２　Ｐａ／ｓ，因此正常运行时不可以有工作人员在隧道内作业；而列车上乘客所感受的压力变化则不同，图２是ＳＥＳ模拟计算列车以高速通过区间隧道中部附近区域时，２５　ｓ内列车头及车尾的压力变化曲线，从图中可知，列车在通过区间中点前，其车头的压力是逐渐升高，列车经过中点后，其车头的压力又逐渐下降，这是由于车头离前方车站活塞风井越来越近的缘故；而车尾的压力在列车开始制动前压力是一直下降的，这是由于车尾离后方车站活塞风井越来越远的缘故。从图２中还可以看出，虽然车头车尾的压力变化绝对值较大（特别是负压），但其变化过程是相当缓慢的，其最大压力变化率均小于５０　Ｐａ／ｓ，与标准要求还相差较远。因此，在高速地铁隧道内，若不存在隧道突变时，乘客并不会有不适反应。

（２）长区间隧道中部中间风井处
高速地铁系统的站间距一般较长（平均达２～３　ｋｍ）才能体现高速运行的优势，由于种种原因，列车车辆的发热量也会有较大幅度的提高，因此，在屏蔽门系统下为控制地下区间隧道内温度，一般会在隧道中部设置中间风井以加大区间隧道与外界的热交换。在利用ＳＥＳ程序模拟计算分析过程中发现，当高速运行的列车通过中间风井时，若不对中间风井处进行适当的处理，列车车头、车尾处的压力变化率相当高，这在某些已运行的快速轨道交通系统中是存在此种现象的，乘客有非常明显的耳膜阵痛感。以广州地铁３号线为例，当列车以１２０　ｋｍ／ｈ的速度经过隧道中间风井时，若不对接口进行任何处理，其车头最大压力变化率高达近１　０００ Ｐａ／ｓ，车尾也高达６５　Ｐａ／ｓ，而要满足ＳＥＳ的标准，在此种情况下较经济的处理方法是在一定区域局部加大隧道截面积，而且最好采用喇叭型的渐变方式，其治理后前后车头、车尾的压力变化情况详见图３、图４所示。
（３）长区间隧道口
一般地铁总有部分线路设于地面以方便与车辆段联络，若地铁有部分线路是地面线路且洞口的位置处于列车高速运行区段，当列车以高速冲入不作任何处理的隧道内时，列车上乘客耳膜会有较强的压痛感，这主要是由于压力变化率超标所致，对已建成投入运营的系统来讲惟一的处理方法只有降低列车速度，即以牺牲运营水平来解决，因此，在进行设计时就应控制解决好隧道口的压力变化率。国外有关研究机构曾进行过有关研究，其基本结论是列车高速运行区段内的隧道口面积最少应加大到正常隧道面积的２倍，然后在一定长度范围内渐变到正常隧道面积，其加大长度与多种因素有关，其中最重要的两项是隧道的长度和列车的速度。以广州地铁３号线为例，当列车以１２０ ｋｍ／ｈ的速度冲入距前方车站约２ ｋｍ且不作处理的隧道口时，其车头压力变化率高达１ ０００ Ｐａ／ｓ，车尾压力变化率也高达近６００ Ｐａ／ｓ，经多次模拟计算，当隧道口面积加大至正常隧道面积２倍，渐变长度为１００ ｍ时，其车头车尾的压力变化率才能得到有效的控制，其治理前后车头、车尾的压力变化情况详见图５、图６所示。
4小 结
根据前面的有关分析，可以很明显地看出，在高速地铁隧道内必须对压力及压力变化率进行控制，在目前有关规范尚未对此作出规定前参考美国ＳＥＳ标准是较为适当的，若现行的《地下铁道设计规范》适用范围扩大到１２０ ｋｍ／ｈ时应补充该部分内容。
从隧道内压力数值分析情况基本可以得出以下结论：正常运行时，高速运行区间隧道不应有作业人员；若区间隧道内无较大的局部变化（无突扩、突缩断面），虽然长区间隧道压力值较高，但一般压力变化过程的时间长，其压力变化率较小，对乘客不会有影响；但若区间隧道内存在局部隧道截面较大的突扩或突缩、中隔墙断开、中间风井、隧道口等情况时，必须采取一定的数值计算方法，分析压力变化过程，确定合理的处理措施才能将压力变化率控制在可接受的范围内。同时，若处理不当，出现运营后压力变化率过高而导致乘客有不适反应时，只能降低列车运行速度，而这将大大降低预期的运营服务质量，达不到设计的运营速度要求。

参考文献
１ 　Ｓｕｂｗａｙ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｈａｎｄｂｏｏｋ，Ｖｏｌｕｍｅ　Ⅰ＆Ⅱ Ｕ?Ｓ?Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｎｔｉｏｎ
２　 空调换气设备篇?日本铁道建设公团
３　 Ｄｅｓｉｇｎ　Ｓｔａｎｄａｒｄ?ＨｏｎｇＫｏｎｇ　ＭＲＴ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ
４　 吴望一，编著?流体力学?北京：北京大学出版社，１９９８
５　 长区间隧道与快速运营造成的影响?北方交通大学城市轨道交通研究中心