高速地鐵隧道內(nèi)風(fēng)壓變化

高速地鐵隧道內(nèi)風(fēng)壓變化

近年來，國內(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)，其最高時速一般不大于８０ｋｍ／ｈ，平均旅行速度為３５ｋｍ／ｈ。根據(jù)國內(nèi)已建成的幾條城市地鐵系統(tǒng)的運(yùn)行情況，乘客對隧道內(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)計規(guī)范》也未對此有明確的限制標(biāo)準(zhǔn)。最近一段時間，有的城市對列車運(yùn)行提出了更高運(yùn)行速度的要求，根據(jù)香港及國外已建成運(yùn)營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，輕則會造成乘客耳朵不適，乘客舒適度降低，行車阻力增大和能耗增加，重則會造成乘客失聰，甚至影響車輛行車安全。因此，已建成并投入運(yùn)營的高速軌道交通系統(tǒng)對隧道內(nèi)的壓力及壓力變化率均作出了一定的限制，雖然不同系統(tǒng)的限值存在較大的差異，但基本上均從兩個方面控制：

“峰對峰”值，即最大壓力變化的絕對值；

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，對于壓力變化絕對值較高但壓力變化過程較長的情況，由于人體來得及適應(yīng)耳膜內(nèi)外壓力變化，因此不會有明顯的不適反應(yīng)，這方面非常典型的例子是飛機(jī)在起飛或降落過程中的緩慢降壓或升壓過程，雖然其前后的壓力變化達(dá)幾千帕，但乘客一般不會有不良反應(yīng)。另一方面，若壓力變化率較大，但壓力變化的絕對值控制在一定的范圍內(nèi)時，乘客一般也不會有不舒適的反應(yīng)。當(dāng)然，無論如何隧道內(nèi)的壓力變化絕對值不可以超過１０ｋＰａ，這會對乘客的耳膜造成永久性傷害。

雖然世界各國對高速隧道內(nèi)壓力變化及壓力變化率的標(biāo)準(zhǔn)不完全一致，美國運(yùn)輸部在這方面是較早開展研究的單位之一，而其在《地鐵環(huán)境設(shè)計手冊》提出表１中的標(biāo)準(zhǔn)也基本得到世界各國的認(rèn)可，同時也在多條地鐵或快速軌道交通的設(shè)計中采用，其典型系統(tǒng)為美國三藩市的ＢＡＲＴ和香港新機(jī)場快線，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)過的美國標(biāo)準(zhǔn)較為合適。

表１各國隧道壓力控制標(biāo)準(zhǔn)

注：Ｐｔ為壓力變化率；Ｐ為壓力變化絕對值；Ｐ′為特定時間內(nèi)的壓力變化。

2壓力變化的形成及數(shù)學(xué)描述

列車在隧道內(nèi)運(yùn)行現(xiàn)象與活塞運(yùn)動類似，但又有所不同，列車前面的空氣一部分被推向前方，另一部分則沿列車與隧道之間的環(huán)形空間形成回流，這主要是由于空氣黏性以及氣流對隧道壁面和列車表面的摩擦作用使得被列車排擠的空氣不能像在大空間中那樣及時散開。因此，列車前方空氣受壓縮，隨之就產(chǎn)生特定的壓力變化過程，其引起的空氣動力學(xué)效應(yīng)會隨著行車速度的提高而加劇。當(dāng)然，隧道內(nèi)的壓力變化除與行車速度有關(guān)外，還受列車車輛的有關(guān)參數(shù)、隧道型式等條件的影響。

隧道內(nèi)列車活塞運(yùn)動所產(chǎn)生的空氣動力學(xué)現(xiàn)象是三維可壓縮、非定常的紊流，但由于隧道的長度遠(yuǎn)大于隧道的水力半徑，而在隧道通風(fēng)系統(tǒng)計算中是以隧道斷面平均速度作為研究對象，因此可以用一維非穩(wěn)定流模型來描述，在這方面美國交通部作過相應(yīng)的理論分析并為大量的測試所證明。描述隧道內(nèi)空氣運(yùn)行的基本方程４為：

連續(xù)性方程

一般來說，隧道內(nèi)的活塞風(fēng)速較低，小于０１馬赫數(shù)，因此，可以將列車活塞運(yùn)動的空氣流動力學(xué)現(xiàn)象作為不可壓縮流體的空氣流動現(xiàn)象５。因此，將式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運(yùn)輸部組織編寫的ＳＥＳ程序，該程序是一維模型，不但可以用于預(yù)測地鐵運(yùn)營時隧道內(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。

長區(qū)間隧道

對于一段２５ｋｍ長的單洞單線隧道，阻塞比約為０４８，在隧道兩端均為設(shè)置有站臺屏蔽門的島式站臺的地下車站，同時在隧道的兩端均設(shè)有１６ｍ２的活塞風(fēng)井，列車的行車間隔為１２０ｓ，當(dāng)列車以１２０ｋｍ／ｈ的速度經(jīng)過隧道中部區(qū)域時，根據(jù)ＳＥＳ程序模擬計算顯示：其隧道內(nèi)中部區(qū)域某固定點(diǎn)處一個行車間隔內(nèi)的壓力變化將超過允許標(biāo)準(zhǔn)，最大壓力變化率達(dá)９７２Ｐａ／ｓ，因此正常運(yùn)行時不可以有工作人員在隧道內(nèi)作業(yè)；而列車上乘客所感受的壓力變化則不同，圖２是ＳＥＳ模擬計算列車以高速通過區(qū)間隧道中部附近區(qū)域時，２５ｓ內(nèi)列車頭及車尾的壓力變化曲線，從圖中可知，列車在通過區(qū)間中點(diǎn)前，其車頭的壓力是逐漸升高，列車經(jīng)過中點(diǎn)后，其車頭的壓力又逐漸下降，這是由于車頭離前方車站活塞風(fēng)井越來越近的緣故；而車尾的壓力在列車開始制動前壓力是一直下降的，這是由于車尾離后方車站活塞風(fēng)井越來越遠(yuǎn)的緣故。從圖２中還可以看出