东莞轨道交通2号线空气动力学及运行舒适度的研究与实践

陈 波，胡文伟

（1. 广东珠三角城际轨道交通有限公司，广州 510308；2. 东莞市轨道交通有限公司，东莞 523320）

东莞市城市轨道交通线网由4条线路组成，是东莞市连接各镇街及珠三角周边城市，1具有“内聚外联”功能的骨干线网。其中1号线总长69.6 km，2号线总长55.7 km，3号线总长66.2 km，4号线总长26.8 km，线网总里程218.3 km（见图1）。

东莞市城市轨道交通2号线（后简称2号线）首通段（一期、二期）37.8 km，是东莞市轨道交通线网中连接东莞北部与西南部的骨干线，居住人口密集、交通繁忙、城镇间客运交通来往量较大，共设车站15座，其中高架车站1座，地下车站14座，在东城区茶山站西侧设车辆段1座，线网控制中心设于西平站西北侧，全线共设置2座主变电所。

由于东莞市城市轨道交通线网 1～3号线线路比较长，为了满足乘客全线网整体出行的时间要求及全线网主要技术标准的统一，东莞市城市轨道交通线网拟定的最高运行速度目标值为120 km/h。

图1 东莞市城市轨道交通线网Fig. 1 Dongguan city rail transit network

1 标准及理论分析

目前我国现行《地铁设计规范》（GB 50157—2013）[1]和《城市轨道交通工程项目建设标准》（建标 104—2008）[2]限定的列车最高运行速度为100 km/h，地铁列车在隧道内一般以不高于100 km/h的速度运行，在隧道内高于100 km/h的速度运行需要另行专题研究设计。为了缓解地铁列车在隧道内高速运行对乘客造成的影响，2号线在设计之初就隧道空气动力学、乘客舒适度、隧道断面的选择、车辆气密性及流线型设计开展了专题研究，形成专题报告指导后续相关设计工作。

1.1 车辆空气动力学及舒适度标准

随着列车在隧道内运行速度的提高，空气压力变化传入车厢内给乘客造成的不舒适程度逐渐增加。为了解气压变化对人体舒适性的影响，英国、日本、德国等高速列车发达国家对此开展了大量研究。目前，国际上对气压变化环境下人体舒适度评价有两种方法：一种是通过压力变化幅值和压力变化率两个指标来进行评估；另一种是考核某一时间段内的压力变化幅值，这一时间段是根据人耳对外界气压变化完成自我调整所需时间来确定的。世界各国根据各自的试验研究结果、线路条件等，制定了不同的人体舒适度评价标准。

慕尼黑德国联邦铁路总局（BZA）对志愿受试人员在试验压力舱和新建线路运行列车中进行了大量的试验，得出结论：对于空气压力波的忍受力没有绝对不变的极限。对旅客舒适度的影响取决于：

1）空气压力波动变化的幅度（Pa）；

2）压力上升或压力下降的梯度（Pa/s）；

3）发生该波动的频繁性。

在压力变化幅度和梯度之间确定了一种关系：压力变化越大，压力变化加速度就越小，如图2所示[3]。

图2 耳感不舒适度评定曲线Fig. 2 Evaluation curve of sensation of ear discomfort

图2中曲线为大多数乘客“正好还没有不舒适感觉”的压力变化与所需时间的关系。这些值偶尔超过1次（例如，1 h 1次），绝大多数乘客能够无抱怨地接受，而较频繁地超过该值时就会感到不舒适，并会越来越敏感。在遇到隧道断面变化、通风井时，随着压力迅速上升会出现明显不适的感觉。

回顾国内外研究制定空气动力学舒适度标准的过程，绝大多数国家都在最初制定的标准基础上进行了调整，逐渐趋于中间水平。在舒适度标准中，越来越多地采用单一时间间隔内的最大压力变化值标准。根据欧洲和日本近期对压力舒适性方面的研究，发现人体建立中耳和外界的压力平衡所需时间大约为3～4 s，即人耳对压力的反应时间为3～4 s，采用单一时间间隔内的压力变化值能较准确地反映出人体舒适度。因此，2号线空气动力学舒适度准则采用单一时间间隔内（3 s）的最大压力变化值标准作为空气动力学舒适度评价指标，在此基础上，兼顾气压变化率不超过一个固定值。

综上所述，参考我国高速铁路对舒适度标准的研究[4]，综合国内外相关数据，选择2号线车辆客室内压力≤700 Pa/3s，同时兼顾气压变化率在330～370 Pa/s。

对于司机室，司机在其中的工作时间相对较长，经受压力波动的频次更多，其标准应比客室车厢内的标准高一些，选择司机室车厢内压力≤600 Pa/3s。

1.2 空气动力学仿真计算

1.2.1 主要影响因素

1）列车方面：运行速度、横截面积、车头和车尾形状、编组长度及车辆的气密性等[5]；

2）隧道方面：隧道有效净空面积、阻塞比、通风井缓冲结构设置、隧道出口缓冲设置等；

1.2.2 仿真计算数值模型

根据2号线工程隧道通风与列车隧道阻力、舒适度分析研究技术专题研究成果，隧道空气动力分析考虑连续和动量方程式，而在能量变化剧烈的位置或相应情况下，还需要考虑增加能量方程式。

微分形式的连续方程、动量方程和能量方程分别为[6]：

三维模型计算中采用了基于有限元的有限体积法，在保证有限体积法的守恒特性基础上，吸收了有限元法的数值精确性。考虑守恒形式的控制方程，无源项条件下，笛卡尔坐标系（ ,,ijk）中，对于一个确定的控制体应用高斯定理，得到积分形式的控制方程：

式中：V表示控制体的体积，S表示控制体的表面积，djn表示垂直控制体表面指向外的法向量。对于六面体网格单元，采用24点积分，对于四面体网格单元，采用60点积分。

1.2.3 三维模型的选择

标准B型地铁列车模型[7-8]，如图3所示，中间风井模型如图4所示。

图3 标准B型地铁列车模型Fig. 3 Model of standard B metro train

1.2.4 2号线仿真计算方案

通过2号线的空气动力学及影响因素分析，需要分析的情况有以下几种。

1）列车在无中间风井的短区间隧道内运行情况。

隧道断面取现行地铁通用内径5.4 m，区间隧道长度为3 km。根据计算情况，如空气动力学舒适度指标不能满足要求，将进一步计算扩大衬砌内径的情况。

图4 无过渡段及有过渡段通风井位置局部放大及网格划分Fig. 4 Local magnification and grid division of the position of the ventilation shaft without and in transition section

2）列车在有中间风井的长大区间隧道内运行情况。

隧道断面从现行地铁通用内径开始选取，分别取5.4、5.6、5.8、6.0 m（隧道轨面以上净空面积分别为：21.6、23.3、25.1、26.9 m2）等。根据2号线实际情况，区间隧道长度为5 km。

3）哈地站至陈屋站区间特殊分析。

哈地站至陈屋站区间总长4.4 km，中间暗挖，两边盾构，在区间正中间的位置设有中间风井。长度分别为：靠近哈地站段的盾构长度1.4 km、中间暗挖段长度2.4 km、靠近陈屋站的盾构段长度0.6 km。

4）列车突入洞口情况。

结合展览中心站（至东莞虎门站方向）附近有列车突入洞口的情况，现行地铁隧道通用内径为 5.4 m的断面，隧道长度为1.5 km。

计算数据分析时，根据车辆漏气点的位置，计算数据选取车头与车厢连接处、每节车厢连接处、车尾与车厢连接处的压力数据进行分析，这些数据既能反映漏气处的车外压力，又覆盖了整个车身外的压力情况。具体数据选取位置如图5所示。

图5 数据分析位置选取Fig. 5 Selection of data analysis location

1.3 数值仿真计算结果

1.3.1 压力波形图

列车在无中间风井的隧道内运行时，选取位置压力波形图如图6所示（H-1为车头，1-2为第1、2节车连接处，2-3为第2、3节车连接处，3-4为第3、4节车连接处，……，6-T为车尾）。

图6 车速120 km/h、隧道长度3 000 m、直径5.4 m车身周围压力波形Fig. 6 Pressure waves around the car body at speed 120 km/h,tunnel length 3,000 m, and diameter 5.4 m

计算结果表明，在没有中间风井的短区间隧道内，车内3 s压力变化最大值为450 Pa，远小于各国的舒适度标准。地铁隧道通用内径5.4 m，可以满足舒适度的要求。

1.3.2 空气压力波

列车运行空气压力波见图7。

图7 车速120 km/h、隧道直径6.0 m车身周围压力波形Fig. 7 Pressure waves around the car body at a speed of 120 km/h and tunnel diameter of 6.0 m

3 s内车内压力变化最大值如表1所示。

表1 3 s内车内压力变化最大值Tab. 1 Maximum changes in 3 s within the carriage Pa

1.3.3 隧道突入洞口及设置缓冲结构

列车突入洞口时，无缓冲结构及增加缓冲结构，计算空气压力波车内3 s时间内最大变化值如表2所示。

计算结果表明，列车突入地铁通用内径5.4 m隧道洞口时，车内压力变化已不能满足要求，需要在洞口设置缓冲结构，缓冲结构设置成喇叭口形。优化结果显示，当喇叭口面积为原隧道面积的1.5倍、缓冲长度大于20 m时，车内压力变化能够满足舒适度的要求。

1.3.4 中间风井过渡措施的模拟计算

不同隧道直径下，中间风井过渡段长度不同时的3 s内压力变化最大值如表3所示。

表2 车内3 s时间内最大变化值Tab. 2 Maximum changes in 3 s within the carriage Pa

表3 中间风井过渡段长度不同时的3 s内压力变化最大值Tab. 3 Maximum pressure change value within 3 s at different ventilation shaft transition lengths

计算结果表明，中间风井过渡段措施能够缓解空气动力学效应，但当中间风井过渡段长度大于 40 m后，空气动力学效应不会继续随过渡段长度得到改善。

当地铁隧道内径为6.0 m时，中间风井与隧道相接处过渡段长度为20 m，基本可以满足舒适度的要求。

从3 s气压变化最大值的角度分析，当车速为120 km/h，隧道内径为6.0 m时，3 s气压变化最大值仍高于800 Pa/3s时，耳膜反应增强，从超限的数值上分析可以采取优化隧道局部结构的措施或提高列车密封性能来解决。

2 采取的主要措施

2.1 扩大长大区间隧道断面

根据仿真计算的结果可以看出，扩大隧道断面缓解空气动力学效应是最有效的措施，其优点为：

1）能够比较彻底地解决速度目标值提高到120 km/h的空气动力学问题。

扩大断面能够直接使地铁列车产生的空气压力幅值降低、压力波动变得缓慢。因此，从根本上降低了空气动力学效应。

2）具有一定的前瞻性。隧道一旦建成，很难改变。大断面隧道缓解空气动力学效应的措施具有一定的前瞻性。

3）能够减小隧道阻力，降低牵引能耗与运营成本。

东莞轨道交通2号线线速度目标值提高后，基本阻力与隧道阻力增加，牵引能耗相应增加，扩大断面可抵消阻力能耗的增加，减少运营成本。经计算，速度提高后，断面直径扩大到6.0 m后，牵引能耗降低4%。

缺点则是增加建设期的投资。隧道断面扩大，如果采用盾构法施工，盾构机型式不是目前国内常用型式，需要特殊定制，制造成本增加；隧道挖土方量及支护结构均有所增加；经研究，盾构法施工大断面区间隧道与常规断面隧道相比土建工程造价约增加25%。经研究2号线线路，只有茶榴区间3.39 km、榴下区间4.27 km、哈陈区间4.6 km隧道长度超过3 km，区间运行速度超过100 km/h，需扩大隧道断面，按长大区间隧道所占比例估算，区间隧道土建工程总造价约增加8%（2号线实际建设过程中，大断面区间盾构隧道较常规断面隧道工程每延米造价约增加8.6%，整个区间隧道土建工程总造价增加约3.7%）。

2.2 提高车辆气密性

2.2.1 车体结构

为保证车体的气密性，采用整体全焊接结构铝合金车体，对直通车下的管路和电缆孔采取必要的密封措施。

2.2.2 车门

车门（包括司机室门）选择密封性能良好的塞拉门，以保证车体密封性。

2.2.3 空调环控设备

轨道交通车辆空调设备的主要任务除调温和向客室提供新鲜空气外，还应避免外部压力波通过通风口进入车厢，在客室进排风口各安装一个压力保护阀，当车内外压力差超过一定的临界值时，进排气压力保护阀同时关闭，空调机组只在车内系统内部循环通风工作，不从车外引进新风。当车内外压力差低于临界值时，进排气阀重新打开，恢复车厢正常进排风。

2.2.4 贯通道

采用双体高气密性的贯通道，具有良好的密封、隔声和隔热性能。

2.3 车头流线型造型

2号线流线型造型如图8所示。车头流线突出1 928 mm（不含车钩），车头两侧设置裙板，进一步改善空气流动性能[9]。

图8 2号线车头流线型造型示意Fig. 8 Train head of Dongguan Rail Transit Line 2

2.4 隧道中间风井实施过渡段

在茶榴、榴下区间、哈陈3个长度超过3 km的隧道区间，中间风井与隧道相接处设置过渡段长度为20 m的缓冲区[10]，缓解空气压力波的变化。

2.5 隧道出洞口泄压措施

在展览中心站—虎门火车站区间洞口处设置缓冲结构及上下行线之间，隧道与地面间设置泄压孔，以缓解列车进、出洞口时的瞬变压力。

3 压力波测试方法及结果

2015年12月，东莞轨道交通2号线首期段建成并开始试运行，为了验证2号线缓解空气压力波的相关设计是否达到预期，同时为今后100～120 km/h的地铁快线设计提供依据，东莞轨道交通有限公司结合当时东莞轨道交通2号线的实际情况，在2016年1—4月委托中国铁道科学研究院进行了相关测试。

3.1 测试的内容

3.1.1 隧道区间压力波测试

列车以100 km/h、110 km/h、120 km/h 3种速度在区间内运行时，测试各断面最大压力幅值和压力梯度值，并给出波形图。断面布置如表4所示。

表4 测试断面布置Tab. 4 Test section layout

3.1.2 车内外压力波测试

在中间风井打开与关闭两种状态下，列车以100 km/h、110 km/h、120 km/h 3种速度级分别通过西平—陈屋区间的常规断面和大断面时，车体内外压力波变化曲线。

3.1.3 洞口处压力波测试

在展览中心站—虎门火车站区间洞口泄压孔（ZDK34+175）打开与封堵状态下，列车以100 km/h、110 km/h、120 km/h 3种速度级进出展览中心站—虎门火车站区间时，车内外压力变化曲线。

3.2 测试的方法

3.2.1 测试原理图

压力波测试采用高精度压差式压力传感器，该传感器尺寸为Ф10 mm×3 mm，传感器量程为±8.0 kPa，精度为0.25%Fs，动态响应频率为0～3 kHz，如图9所示[11]。

图9 测试原理图Fig. 9 Testing principles

3.2.2 测试设备布置

1）车体传感器。车头位置处车体内外安装气压传感器；司机室空调风口安装风速传感器，车头测点布置见图10。

图10 车头位置压力波传感器Fig. 10 Pressure wave sensor in car head position

在列车中部、尾部也各布置了一组同样的传感器。

2）在蛤地、西平站人防门处、区间中间风井、联络通道两侧、其他任一位置点安装若干气压传感器。区间测点布置见图11。

图11 区间风压测点布置Fig. 11 Arrangement of interval wind pressure measurement points

3）泄压孔封堵。为测试泄压孔设置的效果，对区间上下行线间泄压孔及地下到地面的泄压孔进行封堵，并对泄压孔有无封堵时的空气压力变化进行对比。

下行线间泄压孔封堵如图12所示，地下到地面的泄压孔封堵如图13所示。

图12 下行线间泄压孔封堵Fig. 12 Plugging of pressure relief holes between downlines

图13 地下到地面的泄压孔封堵Fig. 13 Pressure relief hole plugging from underground to ground

3.3 测试结果

3.3.1 隧道内的空气压力测试结果

1）当测试列车以120 km/h在西平—蛤地（内径5.4 m，常规断面）区间及蛤地—陈屋（内径6.0 m，扩大断面）区间运行时，测得隧道内瞬变压力最大峰峰值、最大变化率及最大3 s极值出现在中间风井处为 0.975 2、0.919 4、0.962 4 kPa；0.783 9、0.729 3、0.769 9 kPa。说明采用扩大断面及中间风井缓冲设施对缓解隧道内空气压力波变化作用明显。

2）当测试列车在蛤陈区间分别以100、120 km/h速度运行时，测得隧道内瞬变压力最大峰峰值、最大变化率及最大3 s极值出现在联络通道处为0.612 0、0.538 3、0.564 6 kPa；0.920 6、0.856 3、0.898 2 kPa。说明在联络通道处随着速度由 100 km/h提升到120 km/h，联络通道处空气压力变化增加幅度较大，应注意加强联络通道门锁闭机构的加强。

3.3.2 列车内外的空气压力测试结果

1）测试曲线如图14、图15所示。

图14 西蛤区间车体内外瞬变压力典型时程曲线Fig. 14 Typical time-history curve of the transient pressure outside the carriage of the Xi-Ha section

图15 蛤陈区间车体内外瞬变压力典型时程曲线Fig. 15 Typical time-history curve of the transient pressure outside the carriage of the Ha-Chen section

2）测试数据如表5所示。

3）数据分析。

由表5可知，测试列车以100～120 km/h运行时，测得列车内瞬变压力最大峰峰值、最大变化率及最大3 s极值较车外相差较大，显示列车密封性能较好，能够较好地缓解空气压力波的影响；

当测试列车以100～120 km/h在西蛤、蛤陈区间运行时，测得西蛤区间车内压力波最大3 s极值为528.7 Pa，蛤陈区间车内压力波最大3 s极值为424.1 Pa，均小于700 Pa，扩大隧道断面区间的车内压力波最大3 s极值明显小于常规断面区间，显示扩大断面隧道起到了缓解空气压力波的作用。

表5 区间中间风井打开状态下的测试数据Tab. 5 Test data under the condition of the interval ventilation shaft being open

在西蛤（内径5.4 m，常规断面）区间，列车120 km/h速度运行时，列车车中（客室内）空气压力波最大变化率为390 Pa/s，超过370 Pa/s，显示在常规断面，列车以120 km/h速度运行时，会给对空气压力波敏感的人带来不舒适。

在蛤陈（内径6.0 m，扩大断面）区间，列车以120 km/h速度运行时，列车车中（客室内）空气压力波最大变化率为261.9 Pa/s，小于330 Pa/s，显示扩大断面对缓解空气压力波的作用明显，对空气压力波敏感的人也不会不舒适。

当测试列车以100～120 km/h在西蛤、蛤陈区间运行时，测得西蛤区间列车头尾压力波最大变化率为463 Pa/s，蛤陈区间列车头尾压力波最大变化率为393.6 Pa/s，均大于370 Pa/s，对空气压力波敏感的人在司机室会感到不舒适，或者说司机室的密封性还需进一步优化提高。

3.3.3 出洞口处列车内外压力波测试结果

根据测试数据可知，在出洞口泄压孔打开状态下，当测试列车以120 km/h通过展虎区间时，车体内瞬变压力变化率为374.9 Pa/s，最大3 s极值为428.2 Pa，最大峰峰值为463.7 Pa；车体外瞬变压力最大变化率为994.5 Pa/s，最大3 s极值为1 222 Pa，最大峰峰值为1 247.2 Pa。在出洞口泄压孔封堵状态下，当测试列车以120 km/h通过展虎区间时，车体内瞬变压力最大变化率为516.8 Pa/s，最大3s极值为571 kPa，最大峰峰值为 609.1 Pa；车体外瞬变压力最大变化率为1 475.8 Pa/s，最大3 s极值为1 602.4 Pa，最大峰峰值为1 609.6 Pa；显示出出洞口泄压孔对缓解出洞口处空气压力波的变化作用明显。

当测试列车以120 km/h通过展虎区间时，车体内瞬变压力最大3 s极值为428.2 Pa，没有超过700 Pa，舒适度得到了保障；车头瞬变压力变化率为374.9 Pa/s，稍大于370 Pa/s，舒适度基本得到了保障。

4 结语

东莞市轨道交通2号线首期段于2016年5月27日以ATO模式，最高行车速度120 km/h开通试运营，经过一年半的运营实践，没有收到乘客对空气压力波感到不适的反映，较好地解决了最高行车速度 120 km/h城市轨道交通地下线路运行时乘客舒适度的问题。

2号线设计初期的专题研究及相关研究成果在设计施工图、各专业实施中的落实，对解决地铁列车在隧道内高速运行乘客舒适度的问题起到了关键的作用，开通前的专项测试也显示出采取缓解空气压力波的各项措施都取得了较好的表现，并摸索出一套衡量空气压力波的标准。希望2号线的设计、建设经验能给东莞后续地铁快线及轨道交通行业快线设计、建设提供有力的支撑及帮助。