深圳地铁11号线隧道空气压力波研究

张海天 陈 健

(深圳市地铁集团有限公司 广东 深圳 518026)

1 深圳地铁11号线概况

1.1 工程概况

深圳地铁11号线是深圳市规划于2011年开工建设的西部组团快线，兼具机场快线功能，线路全长51.18 km，其中地下线长42.7 km，占线路总长的83.43%，全线共设车站12座，其中地下车站10座、地面车站2座，线路规划最高行车速度为120 km/h。11号线的地下隧道线路可分为两段，分别是福田—机场北及松岗—东宝河，两段隧道中间为高架段，图1为深圳地铁11号线站位示意图。

1.2 研究背景

国内地铁一般最高运行速度为80 km/h，盾构隧道内径5.4 m。如果列车运行速度超过80 km/h，随着速度的提高，隧道内空气压力变化问题将会变得越来越大，尤其会对车上乘客的压力舒适性及隧道结构方面造成影响。例如，广州地铁3号线列车最高运行速度为100 km/h，运营3年来已有乘客投诉车内压力变化引起耳鸣等身体不适的情况。目前，国内尚无相应的规范和标准，无法对列车运行速度超过80 km/h的地铁线路的运营舒适性及隧道的结构设计提供指导性意见。为此，对深圳地铁11号线隧道的空气压力波进行研究，提出了隧道泄压系统及隧道断面设计建议，以指导下阶段工程的设计工作，保证11号线列车达到120 km/h速度运行时，能提供正常舒适的乘车环境，确保地铁及设施的安全。

图1 深圳地铁11号线站位

2 压力舒适度标准

2.1 隧道压力波的产生

当列车快速进入隧道时，其前方的空气被推入隧道深处并受到压缩，以压缩波的形式、以音速向隧道传播，在隧道不连续点发生反射。这种压力波的传递和反射不断出现，形成隧道中复杂的压力波。

这种压力变化过程引起空气动力学效应，会随着行车速度的提高而加剧，同时还受列车车辆的有关参数(车头形状、列车截面、列车表面阻力系数等)、隧道形式(隧道截面面积、隧道和道床的表面阻力系数、所有隧道通风管件的变化等)等条件的影响。

2.2 压力波对人体的危害

压力舒适度与净压力波动值及波动的频率有关，空气压力波动会引起人的耳部不适。通常，一个健康的人能够在1 s内承受1000 Pa的压力波动，而不会受到严重的影响。在不同静压的短期变化情况下，人出现的典型生理症状如表1所示。

表1 不同压力变化值下人的典型生理症状

2.3 压力舒适度参考标准

在速度超过200 km/h的高速铁路系统中，通常会采用密闭列车来降低压力瞬时变化对车内乘客的影响。列车的密闭性能越高，列车外的压力变化对车内人员的影响越小。但除了列车密闭性外，目前国际上还没有一个被广泛接受的列车乘客舒适度标准。日本新干线、德国和英国高速铁路系统、美国地铁，都从自身线路、列车状况以及人体生理情况研究，提出了不同的压力舒适度标准。其中，世界各地应用较为广泛的是International Union of Railways(UIC)的压力舒适度标准。我国也开展了压力变化率和舒适度的相关研究，并取得了一定的成果。结合深圳地铁11号线线路工程特征，以及对国际上相关压力舒适度标准的分析，归纳提出了本项目研究所参考的压力舒适度标准，见表2。

表2 压力舒适度参考标准

3 研究采用的方法

3.1 分析软件

本次研究采用一维数值分析法，运用苏格兰邓迪大学Alan Vardy教授在20世纪70年代研发的ThermoTun软件进行分析。ThermoTun是专门针对高速列车在隧道运行时产生的压力波来进行分析的软件，已广泛运用于国际上绝大部分高速铁路、地铁提速的设计。ThermoTun能对不同的隧道设计进行量化分析，可以非常准确地模拟高速列车在隧道中运行时的各种空气动力学现象，如压力波的产生、反射和衰减等，还有在不同隧道设计上列车内外人员的压力舒适度分析等。

3.2 研究路径

基于深圳地铁11号线前期设计确定的线路、隧道、列车、行车及通风系统的设计参数，利用ThermoTun软件进行数值建模，在分析5.4 m直径盾构隧道压力舒适度的基础上，进一步对直径 5.8、6.0、6.2 及 6.4 m的盾构进行了分析，对不满足压力舒适度标准的地段提出改进措施;同时，考虑列车行的车间隔和不同的发车方式，分析不同情况下列车上的压力变化，找出不满足压力舒适度的隧道段，提出泄压系统设计方案，反复进行数值迭代模拟分析，找出可以量化且可行的泄压系统方案。具体模拟分析流程如图2所示。

图2 压力波模拟分析流程

4 参数输入计算

4.1 计算输入的参数

4.1.1 列车及行车参数

这些参数包括列车编组及车长、列车头断面尺寸、列车运行方式、发车数量、发车间隔、最高行车速度、列车加速度、列车减速度等。

4.1.2 隧道风井参数

这些参数包括车站端和区间风井的数量及位置、风井断面面积及体积。

4.1.3 隧道断面参数

这些参数包括各种形式的隧道横断面净空面积(扣除道床、疏散平台、管线等占有面积)。

深圳地铁11号线为双洞单线路配置，初期设计各种形式的隧道横断面净空面积，估算分别为:盾构隧道(直径 5.8 m)23.88 m2、矿山隧道 24.66 m2、明挖隧道26.64 m2。对于直径 5.4、6.0、6.2 及 6.4 m 的盾构隧道，其横断面净空面积估算分别为 20.61、24.89、27.22、29.11 m2。

在正常工况下，地铁列车进站时减速。由于此时车站附近的车速并不高，屏蔽门上的开口面积与隧道的断面面积相比较小，屏蔽门漏风对压力波的影响极小，因此在模拟分析上可不用考虑。

4.1.4 隧道旁通道参数

这些参数包括隧道旁通道的数量及设置间隔情况。

4.2 计算结果及分析

4.2.1 未考虑泄压缓解措施的模拟结果

在列车120 km/h速度运行条件下，输入11号线前期设计确定的列车及行车参数、隧道及风井几何参数、隧道旁通道参数，对不同直径的盾构隧道情况进行模拟分析，结果如表3～表4所示。

表3 列车上压力波分析结果(福田站—机场北站的隧道段)

在列车120 km/h速度的运行条件下，隧道直径6.0 m的福田站—机场北站隧道段(表3中的工况3)最大压力变化率模拟结果如图3所示。

4.2.2 考虑泄压缓解措施的模拟结果

由未考虑泄压缓解措施而不能达标的工况模拟分析结果显示，主要的压力舒适度问题出现在列车高速驶入两段隧道的洞口处。因此，考虑在洞口及机场北站南面第一个区间风井往南，各设置3个间隔100 m、净面积为0.5 m2的泄压风管，再代入参数进行模拟计算，结果如表5～表6所示。

表4 列车上压力波分析结果(松岗站—东宝河站的隧道段)

图3 压力变化率模拟结果

表5 考虑泄压措施的列车上压力波分析结果(福田站—机场北站的隧道段)

表6 考虑泄压措施的列车上压力波分析结果(松岗站—东宝河站的隧道段)

5 结论及建议

1)根据《列车空气动力学》的研究成果，在列车通过隧道、车厢内3 s的压力变化最大为1875 Pa时，车内乘客均有不同程度的不舒适感，因此采用国内研究结果的高标准(1500 Pa/3s)作为压力舒适度标准是较为合理的。

2)根据ThermoTun的模拟结果，深圳地铁11号线列车以120 km/h速度运行，盾构隧道采用5.8、6.0 m的直径时，在考虑建议泄压措施后(本文4.2.2节中提出的泄压措施)，最不利洞口处的压力变化值分别为1470及1350 Pa/3s，都可以满足建议的1500 Pa/3s的压力舒适度要求。则如果再考虑洞口的泄压风管改为6个0.75 m2的泄压内管，则最不利洞口处的压力变化值分别进一步改善为1290、1200 Pa/3s(再继续增加泄压风管数量，对压力变化的缓解效果将弱化)。

考虑到深圳地铁11号线仍处于前期设计阶段，很多线路及系统尚未成熟稳定及确定，在研究过程中对相关参数做了一定的假设，因此设计应该留有一定的安全余量。建议11号线盾构隧道采用6.0 m的直径，同时在近洞口段设置6个0.75 m2的泄压风管(每隔100 m设置1个)，在机场北站南面第一个区间风井往南设置3个0.5 m2的泄压风管(每隔100 m设置1个)。

3)在本次研究过程中，通过三维计算流体力学(3D CFD)模拟分析软件，对列车两侧的气流分布及隧道内设备设施的耐压要求进行了模拟计算分析。根据模拟结果，建议在直径6.0 m、车速120 km/h的隧道内，设备设施应能抵受 ±6 kPa的压力及35 m/s的风速。

4)采用高密闭性的列车对压力舒适度有正面的影响，但主要应用在200 km/h以上的高速列车上。高密闭性列车投资大，维护要求高，在国际上无应用于地铁的实例，因此不建议采用高密闭性的列车来提高11号线的压力舒适度。

5)在11号线进入工程设计时，区间风井的位置和参数确定应结合通风、消防、降低压力变化等的需要来综合考虑。

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