高速地铁隧道压力波分析与隧道断面选取

陈雅莉　翁运飞

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　100055)



高速地铁隧道压力波分析与隧道断面选取

陈雅莉翁运飞

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055)

采用数值分析方法，计算在不同断面的隧道内，当列车最高运行速度为120km/h和140km/h时的压力波动和变化率，分析得到在上述运行速度下满足压力控制标准的隧道断面条件，并提出优化方向。

高速地铁压力波隧道断面密封指数

地铁列车在区间隧道中运行时，由于空气流动受到隧道及车体的限制以及空气的可压缩性，空气压强骤然增大，从而形成压缩波并向周围传播，引起隧道内部及列车车体表面的压力产生变化，进而压力波动传播到车内。这种压力波的传播可引发如下问题: 压力波动引起车窗玻璃、列车侧壁以及隧道内部分设施被破坏； 产生噪声，引起车内乘客耳膜压痛;车体受横向力及侧滚力矩作用等[1]。

南方某城市的地铁运营经验表明，列车在长区间内运行速度达到120km/h时，乘客普遍存在不良反应。因此，有必要对列车高速行驶在长区间的压力变化情况进行研究，对隧道内压力和压力变化率进行控制，降低压力波动，从而避免、减轻乘客的不良反应，提高乘车舒适度。

1　压力变化的形成及标准

1.1隧道压力变化形成的原因

车头方向的空气在列车高速运行下受到挤压和压缩而产生的压力变化被称为压力波，随着行车速度的提高，这种空气动力学效应更为剧烈。此外，隧道阻塞比(列车横截面积与地铁净空断面积的比值)、列车车辆参数、隧道形式等是影响隧道内压力变化的主要因素。

1.2压力变化导致的影响

通常，一个健康的人可以承受压力波动范围是1s内1 000Pa左右，在这个变化范围内除了略微感觉不适外，健康不会受到严重影响。但若压力变化超出一定范围， 乘客会感觉乘车的舒适感降低，耳部有充胀感或听力降低,同时增大了行车阻力及能耗；如果压力变化范围继续增大，会导致乘客失聪， 还会对行车安全产生严重隐患。表1列出了短期内静压变化引起的人体典型生理症状[2]。

表1　不同压力变化下的人体典型生理表现

1.3地铁列车内压力舒适度标准

(1)国内标准

《地铁设计规范》(GB50157—2013)第13.2.7 条对车内乘客压力舒适度做出了相关规定：当隧道内空气总的压力变化超过700Pa时，其压力变化率不得大于415Pa/s，此标准与美国现有标准基本一致。

(2)国外铁路及地铁压力控制标准介绍

各个国家对高速隧道内压力变化率及压力变化的标准均有差异，具体数值参数见表2。

表2　部分国家及地区的隧道压力控制标准

2　隧道压力波分析

2.1隧道内径与阻塞比

阻塞比是车辆截面积与行车隧道有效截面积(扣除回填、管线后的净面积)之间的比值，可以说阻塞比及列车运行速度是影响隧道压力波最重要的两个因素。根据研究，在列车最高运行速度为120km/h的条件下，阻塞比0.5的隧道与阻塞比为0.4的隧道两者的压力波幅值之比约为1.3[3]。

2.2中间风井对隧道压力波的影响

研究表明，区间隧道内布置中间风井可以减缓列车进入隧道时的压力波，降低压力波幅值及压力变化率，图1表示了列车以140km/h的运行速度通过设置了中间风井的隧道，中间风井开启和关闭时，隧道内压力波特性的对比。

图1　中间风井开启、关闭时隧道压力波特性对比

2.3地铁列车内压力波分析

列车的密封情况决定了车外压力传递到车内时传递的速度以及车厢内压力的大小，即列车内压力波动取决于列车的密封性。列车密封性提高时，车内压力的波动将更加平缓。车体的密封指数一般定义为将车内外压差降低到初始值的38%所需要的泄露时间，其定义公式为

式中：τ为列车内压力泄露的时间；Dp0为初始车内外压差；Dpf为泄露后车内外压差；Dpf为Dp0的36.8%时所经历的时间(即车体密封指数)。

表3列出了部分国外列车的密封指数。

表3　车辆密封指数及评价

根据调研分析，地铁车型一般属于低密封列车。

3　压力波动数值分析

3.1输入条件

(1)隧道条件

隧道条件如表4。

表4　隧道条件参数

取总长度为3 000m的一段隧道进行研究。

(2)列车条件

A型车6节编组，列车长度140m，列车横截面面积：10.3m2。

列车运行速度:120km/h；140km/h。

列车密封指数：3s。

(3)中间风井

中间风井设置于隧道中间，风道长度为40m；风井净面积为16m2。

(4)数值分析方法

地铁隧道长度远大于隧道断面直径，可将地铁隧道内空气流动简化为一维可压缩非定常流动。考虑到隧道壁面、列车表面与空气之间存在摩擦等不可逆因素，采用一维可压缩非定常不等熵流动模型，描述隧道内空气运行的基本方程[4]为

连续方程：

动量方程：

能量方程：

式中：u为隧道内空气流速；p为隧道内空气压力；κ为空气比热比；ρ为空气密度；a为空气声速；F为空气流道横截面面积；g为空气重力加速度；G为空气与壁面的摩擦项；q为空气与壁面的传热项；t为时间；θ为隧道坡度。

3.2计算结果

(1)列车运行速度120km/h

车内车头压力波动如表5。

表5　不同尺寸隧道车内车头压力波动

车内车尾压力波动如表6。

表6　不同尺寸隧道车内车尾压力波动

计算结果显示，在列车最高运行车速为120km/h，车辆密封指数为t=3s时，具体情况如下：

①对于5.4m内径盾构隧道，车尾的压力波动可以满足列车运行压力控制标准，而车头的压力波动不能满足要求。如果提高列车密封性能，或者采用流线形车辆，存在满足舒适性的可能，需要今后进一步研究。

②对于6.0m内径盾构隧道，车头、车尾均能满足列车运行压力控制标准，且有一定的富余空间。

③对于6.3m内径盾构隧道，车头、车尾均能满足列车运行压力控制标准，且有很大的富余空间。

(2)列车运行速度140km/h

车内车头压力波动如表7。

表7　不同尺寸隧道车内车头压力波动

车内车尾压力波动如表8。

表8　不同尺寸隧道车内车尾压力波动

计算结果显示，在列车最高运行车速为140km/h，车辆密封指数为t=3s时，具体情况如下：

①对于5.4m内径盾构隧道，车头、车尾的压力波动均不能满足要求。

②对于6.0m内径盾构隧道，车尾可以满足列车运行压力控制标准，车头的压力波动不满足控制标准，但压力波动数值超出控制标准的幅度不大，提高列车密封性或者采用流线型车辆，有可能满足控制标准。

③对于6.8m内径盾构隧道，车头、车尾均能满足列车运行压力控制标准，且有较大的富余空间。

4　结论

高速地铁列车隧道的断面选取，可做如下初步判断：

(1)当列车最高速度为120km/h，车辆密封指数为t=3s时，隧道盾构内径大于等于6m，可满足列车运行压力控制标准。

(2)当列车最高速度为140km/h，车辆密封指数为t=3s时，隧道盾构内径大于等于6.8m，可满足列车运行压力控制标准。

提高列车运行舒适度和解决隧道内空气压力波动问题的方向：

(1)提高地铁列车车辆的密封性能。

(2)采用流线形车辆。

(3)增大隧道断面面积。

[1]刘伊江.高速地铁隧道压力波研究及隧道断面的拟定[J].铁道标准设计，2010(增刊2)

[2]张海天，陈健.深圳地铁11号线隧道空气压力波研究[J].都市快轨交通，2011(10)

[3]祝岚，张东，孙振旭，等.基于乘客舒适性的快速地铁隧道压力波分析[J].都市快轨交通，2015(2)

[4]刘鹤年.流体力学：第二版[M].北京：中国建筑工业出版社，2004

[5]王韦，陈正林，魏鸿.高速铁路隧道内列车活塞风和空气阻力的解析计算[J].世界隧道，1999(1)

[6]吴炜，彭金龙.快速地铁隧道空气动力学效应研究[J].城市轨道交通研究，2011(12)

[7]党红玲，黄红东，张大春.轨道工程测控新技术在广州地铁中的应用研究[J].铁道勘察，2013(4)

[8]周刘刚，王海祥.城市地铁及地下工程施工环境安全风险评估与控制[J].铁道勘察，2007(6)

[9]王迪军，罗燕萍，张智力.高速地铁隧道内压力变化分析研究[J].地铁与轻轨，2003(3)

[10]宋玉香，贾晓云，朱永全.地铁隧道竖向土压力荷载的计算研究[J].岩土力学，2007(10)

Analysis of Pressure Wave in High Speed Subway Tunnel and Selection of Tunnel Section

CHEN YaliWENG Yunfei

2016-03-22

陈雅莉(1983—)，女，2008年毕业于香港科技大学智能建筑物技术与管理专业，硕士，工程师。

1672-7479(2016)04-0091-04

U451

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