时速120 km地铁车辆客室气压控制探索与实践

郑炼鑫，谢述武

（深圳市地铁集团有限公司，广东 深圳 518000）

1 研究背景

研究选择我国某城市地铁11号线（简称11号线），开通于2016年6月28日，全长51.18 km，是该城市首条最高运营时速达120 km的轨道交通快线。列车采用8节编组的标准A型车[1-2]。凭借“高颜值”列车及海上风景线，被誉为“高富帅地铁”，广受乘客好评。但开通运营后，时有乘客反映部分区段存在耳鸣的情况，影响客服体验。

耳鸣是由于车门空气压力波动导致，11号线在设计阶段，考虑到120 km/h快线可能带来的压力舒适性问题，参考国内外的舒适性标准，按照1 500 Pa/3 s的标准进行设计。开通运营后，经测试虽满足设计标准，但仍有部分区段存在导致乘客耳鸣的情况。

如何制定合理的气压舒适性标准，以及如何在已开通线路基础上改善、提高乘客压力舒适性，成为困扰很多地铁运营单位的问题。

2 压力舒适性研究

空气压力波动可能会引起人类耳部的不舒适，通常一个健康的人能够在1 s内承受1 000 Pa的压力波动而不会造成严重影响[3-4]。然而，对压力舒适度的感觉因人、场所而异，通过统计验证，在不同静压短期变化情况下，人耳出现的典型生理症状见表1。

2.1 评价方法

由于不同人对压力舒适性的感觉差异较大，各国对压力舒适性标准的评价方法也不统一。目前，国际上对气压变化环境下人体舒适性评价主要有2种方法。

第一种：压力变化幅值及压力变化率。根据德国联邦铁路总局对志愿者的测试结果，对压力舒适性的影响取决于压力变化幅值（Pa）、上升或下降的梯度（Pa/s）、发生波动的频繁性。并在压力变化幅度和梯度之间绘制了舒适性标准曲线（见图1）。

表1 不同压力变化值下出现的人耳典型生理症状

第二种：单位时间内压力变化幅值。根据欧洲及日本的研究结果，人体中耳和外界建立压力平衡所需时间为3～4 s。采用单一事件间隔内的压力变化值能够较准确地反映出人体舒适性。在压力舒适性标准评价方法研究过程中，采用3 s压力变化率的评价方法逐步得到广泛应用。

2.2 国内外研究情况

在160 km/h以上的高速铁路方面，国内外对压力舒适性标准已进行过大量研究，但由于各国铁路的运营条件，民族、国民习俗及对铁路的期望值不同，舒适性的评价标准在国际上尚无统一标准。经统计分析，主要分为2类：密闭性列车和非密闭性列车。具体标准见表2。

2.3 小结

对速度低于100 km/h的普通地铁，压力舒适性问题并不突出。但100～160 km/h地铁快线的压力舒适性尚无相应标准可供参考。在11号线测试体验发现，存在明显耳鸣情况的区段车内压力变化幅值均超过800 Pa/3 s。

图1 压力舒适性标准曲线

表2 不同压力变化值下的典型生理症状

参考国内外学者的研究结果及现场测试体验结果，本次研究采用3 s压力变化率的评价方法，评价标准采用较为严格的800 Pa/3 s作为标准。

3 压力波影响因素及研究情况

针对已开通运营线路，要对线路、列车进行全方位改造非常困难。要经济、高效地改善提升乘客舒适度，首先，对运营工况下全线客室压力变化情况进行测试，排查出超标区段；其次，对超标区段进行重点研究，通过列车气密性、列车速度、隧道净空面积、通风井横截面积等压力波影响因素进行研究，探索车辆客室气压控制的措施。

针对11号线压力舒适性问题，本次研究工作主要分5个阶段：

（1）运营现状测试；

（2）列车密封性-压力舒适性研究；

（3）列车速度-压力舒适性研究；

（4）隧道净空面积-压力舒适性研究；

（5）通风井横截面积-压力舒适性研究。

3.1 运营现状测试

在ATO运行工况下，对11号线隧道段福田—福永共10个区间进行客室内3 s压力变化率测试。测试结果发现共3个区段存在压力变化率超过800 Pa/3 s的情况，分别为车公庙—福田上行区段、福田—车公庙下行区段、宝安—碧海湾下行区段（见图2）。

3.2 列车密封性-压力舒适性研究

图2 11号线各区段车内3 s压力变化率

隧道内的压力变化通过车体传入车内，因此，列车的密封性对车内的压力变化具有重要影响[5-6]。密封性能好的列车，即使隧道内压力变化很大，车内压力变化也不会太剧烈。

目前国际上通常以车辆的密封指数τ来衡量列车的密封性能。性能评价分为4个等级（见表3），地铁列车属于“未密封”等级（其中密封指数定义为：车厢充气后初始气压下降至初始气压38%所用的时间）。

车内压力变化率随车辆密封指数的提高而降低。根据我国学者的研究结果，在列车运行速度140 km/h、隧道盾构直径6.5 m的条件下，不同密封指数下的车内压力变化计算结果见图3。特别是当车辆由不密封到密封指数提高到2.5～3.0 s时，车内的压力变化降低了60%。

11号线车辆气密指数τ＜1 s，属于不密封范围。要在既有列车上进行改造，提升气密指数至3 s基本不可行。只能针对测试超标的3个区段，制定专项措施来改善压力舒适性。

影响列车密封性的因素有列车空调新风阀门、车顶废排口、车门密封、直通车下的电缆孔等。单方面改善电缆孔密封对整体密封性能提升不大，本次研究主要在改善电缆孔密封的基础上，对其他几种因素进行测试研究，包括以下4种工况：

（1）车门密封胶条改善对车内压力变化幅值的影响；（2）单独关闭空调新风门对车内压力变化幅值的影响；（3）单独关闭车顶废排口对车内压力变化幅值的影响；（4）同时关闭空调新风门、车顶废排口对车内压力变化幅值的影响。

表3 车辆密封性能等级 s

图3 车内压力与密封指数的关系

3.2.1 车门密封胶条改善对车内压力变化幅值的影响

将原车门密封胶条更换为双层唇式密封胶条。选取福田—车公庙区间列车按照113 km/h速度等级运行（ATO运行速度），空调正常开启且车顶废排口处于封闭状态下，分别测试车门密封胶条更换前后对于车内瞬变压力的影响（车内共设置10个测量点，2个司机室及每节车厢各布置1各测量点）。

测试结果反映：通过优化客室车门密封胶条，车内压力有所下降，但下降幅度有限，平均下降约20 Pa（见图4）。

3.2.2 单独关闭空调新风门对车内压力变化幅值的影响

为分析空调新风门对车内瞬变压力的影响，选取车公庙—福田区间按照113 km/h速度等级运行（ATO运行速度），单独考虑空调打开的情况下，新风门开启与关闭对于车内压力3 s变化幅值的影响。

图4 车门密封胶条更换前后车内压力变化情况对比

测试结果反映：单独关闭空调新风门，车内压力变化幅度下降较为明显，但关闭后最大值仍达到850 Pa/3 s，超过800 Pa/3 s的标准（见图5）。

3.2.3 单独关闭车顶废排口对车内压力变化幅值的影响

为分析车顶废排口对车内瞬变压力的影响，选取福田—车公庙区间按照113 km/h速度等级运行（ATO运行速度），单独考虑空调开启且新风门打开情况下，车顶废排口打开和关闭对于车内压力3 s变化幅值的影响。

测试结果反映：单独关闭车顶废排口，车内压力变化幅度有所下降，但下降不明显（见图6）。

3.2.4 同时关闭空调新风门、车顶废排口对车内压力 变化幅值的影响

为分析同时关闭车顶废排口和空调新风门对车内瞬变压力的影响，选取车公庙—福田区间按照113 km/h速度等级运行（ATO运行速度），单独考虑空调开启的情况下，车顶废排口、空调新风门同时打开和同时关闭对于车内压力3 s变化幅值的影响。

测试结果反映：同时关闭车顶废排口、空调新风门可有效降低车内压力变化幅值，车内压力变化幅度最大值为682 Pa/3 s，低于标准800 Pa/3 s（见图7）。

图5 空调新风门开关车内压力变化情况对比

图6 废排口开关车内压力变化情况对比

图7 同时开关废排口及新风门车内压力变化情况对比

3.2.5 小结

在列车多密封方案条件下以ATO模式（最大运行速度113 km/h）通过车公庙—福田区间时，车内压力3 s变化幅值下降明显，降幅在17.5%～33.5%，车内压力3 s变化幅值降至600 Pa左右，满足舒适性标准要求。

经过上述测试，在现有列车基础上进行密封性改造，可通过强化车门密封胶条及电缆孔密封性能来提升列车密封性，同时针对车内压力超标的特定区段，可通过优化列车空调新风门、车顶废排口的关闭，降低车内气压变化幅值，提升客室压力舒适性。

3.3 列车速度-压力舒适性研究

由于传统地铁A型车密封性能差，车内压力受列车速度影响较大。根据我国学者的研究结果，车内压力随列车速度的增加呈二次幂增大。针对11号线3个区段车内压力超标问题，可适当降低列车通过该位置的速度来改善车内压力舒适性。以福田—车公庙区间风井位置为例，列车以ATO运行速度（113 km/h）及100 km/h速度通过风井位置，对比测试车内3 s压力幅值变化情况。

测试结果反映：当列车降低速度至100 km/h通过风井位置时，车内3 s压力幅值明显降低，最大值为732 Pa/3 s，低于标准800 Pa/3 s（见图8）。

3.4 隧道净空面积-压力舒适性研究

隧道净空面积决定了隧道阻塞比，是影响压力舒适性的重要因素[7]，而隧道净空面积很大程度上决定于隧道盾构直径。根据我国学者研究结果，在保证同等压力幅值的情况下，隧道面积的增大与列车速度的提升成正比。当列车密封指数达到2.5 s，车内3 s压力变化幅值与隧道直径的关系见图9，按照800 Pa/3 s的标准，满足120 km/h运营速度的隧道直径不小于6.5 m。

图8 不同速度下车内压力变化情况对比

图9 120 km/h情况下车内3 s压力变化幅值与隧道直径的关系

地铁11号线根据隧道长度的不同采用了2种不同隧道盾构直径，分别为6.0 m和5.4 m。当隧道长度在2.8～3.5 km，地铁列车最高运行速度为110 km/h，隧道盾构直径为5.4 m；当隧道长度大于3.5 km，地铁列车最高运行速度为120 km/h，隧道盾构直径为6.0 m。列车通过不同盾构直径隧道时车内3 s压力变化值见表4。

由表4可知：

（1）在隧道长度相差较小（南山—前海湾区间与宝安—碧海湾区间）、速度相差不大的情况下，地铁列车通过6.0 m盾构直径隧道时的车内3 s压力变化幅值约为5.4 m盾构直径隧道的70%～80%。

（2）地铁11号线列车通过2.8～3.5 km长度隧道（直径5.4 m）时的车内3 s压力变化幅值基本超标；通过大于3.5 km长度隧道（直径6.0 m）时的车内3 s压力变化幅值都满足要求。

（3）隧道长度大于2.8 km后，直径5.4 m的隧道不能满足速度大于110 km/h的地铁列车运行要求。

3.5 通风井横截面积-压力舒适性研究

虽然隧道通风井可以起到泄压作用，但由于通风井对压力波具有反射作用，会影响到列车车内压力舒适性[8]。地铁11号线测试存在车内压力超标的3个区段，隧道净空直径均为5.4 m，且位于通风井位置。根据我国学者的研究结果，减小通风井横截面积或加大通风井与隧道连接处过渡段的长度可有效降低通风井对车内压力变化的影响（通风井横截面积与车内压力变化关系见图10）；在通风井与隧道连接处设置合适长度的过渡段可有效缓解车内压力变化（过渡段长度与车内压力变化关系见表5）。但限于现场运营条件，未能进行模拟测试。

图10 通风井横截面积与车内压力变化关系

表4 列车通过不同盾构直径隧道时车内3 s压力变化值

表5 过渡段长度与车内压力变化关系（车内压力幅值）Pa/3 s

4 控制措施

地铁一旦开通运营，线路、列车均已成型，针对压力舒适性超标问题能够进行改进的空间非常有限。经过对11号线一系列的测试研究，探索出较为经济、高效的方法，有效控制11号线车内压力超标问题。具体措施如下。

4.1 特殊区段限速通过

针对11号线车公庙—福田上行区段、福田—车公庙下行区段、宝安—碧海湾下行3个区段通风井位置，限制通风井前后各250 m列车通过速度，从原113 km/h降至100 km/h。车内3 s压力变化幅值最大值降至732 Pa/3 s，符合800 Pa/3 s的标准要求。

4.2 特殊区段空调新风门、车顶废排口的开闭控制

在上述3个超标区段通风井前250 m，关闭列车新风门、车顶废排口；经过通风井250 m后再打开新风门、车顶废排口。车内3 s压力变化幅值最大值降至682 Pa/3 s，符合800 Pa/3 s的标准要求。

4.3 加强列车密封性

对直通车下的管路和电缆孔进行封堵，客室车门密封胶条采用密封性能较好的双层唇式密封胶条。

5 新线建设建议

随着列车运营速度的提高，压力舒适性将更为突出。在新地铁快速线路设计时，需针对车内压力舒适性开展专题研究。通过本次研究，对新地铁快线建设提出以下建议：

（1）地铁快线气压舒适性标准采用800 Pa/3 s；

（2）地铁快线隧道盾构直径设计不低于6.0 m，长大区间还需考虑加宽设计；

（3）隧道通风井在满足通风要求的条件下应适当减小横截面积，同时在通风井与隧道连接处应设置过渡段，过渡段长度应与隧道直径及列车速度相匹配；

（4）建议地铁快线列车采用快速响应的主动控制式进、排风装置，在监测到压力波超标的区段，及时关闭进、排风口；

（5）新线建设开通后，应对全线开展车内压力舒适性测试，针对个别超标区段制定限速等专项控制措施。