高速地鐵隧道內(nèi)風(fēng)壓變化研究

廣州市地下鐵道設(shè)計(jì)研究院
同濟(jì)大學(xué)熱能工程系
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８０　ｋｍ／ｈ，平均旅行速度為３５　ｋｍ／ｈ。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(chē)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(chē)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(chē)阻力增大和能耗增加，重則會(huì)造成乘客失聰，甚至影響車(chē)輛行車(chē)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１），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：
（１）“峰對(duì)峰”（ｐｅａｋ　ｔｏ　ｐｅａｋ）值，即最大壓力變化的絕對(duì)值；
（２）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)１０　ｋＰａ，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（ＵＳＤＯＴ）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)》（Ｓｕｂｗａｙ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｈａｎｄｂｏｏｋ）提出表１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ＢＡＲＴ（最高速度８０　ｍｉｌｅ／ｈ，即１２８　ｋｍ／ｈ）和香港新機(jī)場(chǎng)快線（最高速度１３５　ｋｍ／ｈ），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１ 　各國(guó)隧道壓力控制標(biāo)準(zhǔn)
注：Ｐｔ為壓力變化率；Ｐ為壓力變化絕對(duì)值；Ｐ′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(chē)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(chē)前面的空氣一部分被推向前方，另一部分則沿列車(chē)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(chē)表面的摩擦作用使得被列車(chē)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(chē)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(chē)速度的提高而加劇。當(dāng)然，隧道內(nèi)的壓力變化除與行車(chē)速度有關(guān)外，還受列車(chē)車(chē)輛的有關(guān)參數(shù)（車(chē)頭尾的形狀系數(shù)、列車(chē)截面、列車(chē)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(chē)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?４?為：
（１）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０?１馬赫數(shù)，因此，可以將列車(chē)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?５?。因此，將式（２）沿流線積分可得到下式：
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(xiě)的ＳＥＳ（Ｓｕｂｗａｙ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｐｒｏｇｒａｍ）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３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。
（１）長(zhǎng)區(qū)間隧道
對(duì)于一段２?５　ｋｍ長(zhǎng)的單洞單線隧道，阻塞比約為０?４８，在隧道兩端均為設(shè)置有站臺(tái)屏蔽門(mén)的島式站臺(tái)的地下車(chē)站，同時(shí)在隧道的兩端均設(shè)有１６　ｍ２的活塞風(fēng)井，列車(chē)的行車(chē)間隔為１２０　ｓ，當(dāng)列車(chē)以１２０　ｋｍ／ｈ的速度經(jīng)過(guò)隧道中部區(qū)域時(shí)，根據(jù)ＳＥＳ程序模擬計(jì)算顯示：其隧道內(nèi)中部區(qū)域某固定點(diǎn)處一個(gè)行車(chē)間隔內(nèi)的壓力變化（如圖１所示）將超過(guò)允許標(biāo)準(zhǔn)，最大壓力變化率達(dá)９７２　Ｐａ／ｓ，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(chē)上乘客所感受的壓力變化則不同，圖２是ＳＥＳ模擬計(jì)算列車(chē)以高速通過(guò)區(qū)間隧道中部附近區(qū)域時(shí)，２５　ｓ內(nèi)列車(chē)頭及車(chē)尾的壓力變化曲線，從圖中可知，列車(chē)在通過(guò)區(qū)間中點(diǎn)前，其車(chē)頭的壓力是逐漸升高，列車(chē)經(jīng)過(guò)中點(diǎn)后，其車(chē)頭的壓力又逐漸下降，這是由于車(chē)頭離前方車(chē)站活塞風(fēng)井越來(lái)越近的緣故；而車(chē)尾的壓力在列車(chē)開(kāi)始制動(dòng)前壓力是一直下降的，這是由于車(chē)尾離后方車(chē)站活塞風(fēng)井越來(lái)越遠(yuǎn)的緣故。從圖２中還可以看出，雖然車(chē)頭車(chē)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小于５０　Ｐａ／ｓ，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)。
（２）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)２～３　ｋｍ）才能體現(xiàn)高速運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)，由于種種原因，列車(chē)車(chē)輛的發(fā)熱量也會(huì)有較大幅度的提高，因此，在屏蔽門(mén)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ＳＥＳ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(chē)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)奶幚恚熊?chē)車(chē)頭、車(chē)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３號(hào)線為例，當(dāng)列車(chē)以１２０　ｋｍ／ｈ的速度經(jīng)過(guò)隧道中間風(fēng)井時(shí)，若不對(duì)接口進(jìn)行任何處理，其車(chē)頭最大壓力變化率高達(dá)近１　０００ Ｐａ／ｓ，車(chē)尾也高達(dá)６５　Ｐａ／ｓ，而要滿足ＳＥＳ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(chē)頭、車(chē)尾的壓力變化情況詳見(jiàn)圖３、圖４所示。
（３）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(chē)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(chē)高速運(yùn)行區(qū)段，當(dāng)列車(chē)以高速?zèng)_入不作任何處理的隧道內(nèi)時(shí)，列車(chē)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(chē)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)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(chē)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２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(chē)的速度。以廣州地鐵３號(hào)線為例，當(dāng)列車(chē)以１２０ ｋｍ／ｈ的速度沖入距前方車(chē)站約２ ｋｍ且不作處理的隧道口時(shí)，其車(chē)頭壓力變化率高達(dá)１ ０００ Ｐａ／ｓ，車(chē)尾壓力變化率也高達(dá)近６００ Ｐａ／ｓ，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２倍，漸變長(zhǎng)度為１００ ｍ時(shí)，其車(chē)頭車(chē)尾的壓力變化率才能得到有效的控制，其治理前后車(chē)頭、車(chē)尾的壓力變化情況詳見(jiàn)圖５、圖６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)ＳＥＳ標(biāo)準(zhǔn)是較為適當(dāng)?shù)模衄F(xiàn)行的《地下鐵道設(shè)計(jì)規(guī)范》適用范圍擴(kuò)大到１２０ ｋｍ／ｈ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才能將壓力變化率控制在可接受的范圍內(nèi)。同時(shí)，若處理不當(dāng)，出現(xiàn)運(yùn)營(yíng)后壓力變化率過(guò)高而導(dǎo)致乘客有不適反應(yīng)時(shí)，只能降低列車(chē)運(yùn)行速度，而這將大大降低預(yù)期的運(yùn)營(yíng)服務(wù)質(zhì)量，達(dá)不到設(shè)計(jì)的運(yùn)營(yíng)速度要求。
參考文獻(xiàn)
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２　 空調(diào)換氣設(shè)備篇?日本鐵道建設(shè)公團(tuán)
３　 Ｄｅｓｉｇｎ　Ｓｔａｎｄａｒｄ?ＨｏｎｇＫｏｎｇ　ＭＲＴ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ
４　 吳望一，編著?流體力學(xué)?北京：北京大學(xué)出版社，１９９８
５　 長(zhǎng)區(qū)間隧道與快速運(yùn)營(yíng)造成的影響?北方交通大學(xué)城市軌道交通研究中心