地铁快线隧道内空气压力波控制技术方案与效果

2018-07-24杨宁

城市轨道交通研究 2018年7期

杨宁

(深圳市市政设计研究院有限公司，518000，深圳//高级工程师)

随着城市规模的扩大，城市居民出行对地铁列车运行速度的要求不断提高，而在隧道中提高列车运行速度会产生空气压力波问题。列车在隧道内运行时，当隧道截面发生变化，空气的黏性以及气流对隧道壁面和列车表面的摩阻作用使得隧道内空气压力发生变化，产生压力波动，这种压力波动以声速传播，在隧道内形成反射波，产生一系列复杂的空气动力学效应[1]。在通常的地铁隧道中，当地铁列车运行速度超过100 km/h时，这种压力波动会有明显的增加，需要在设计中采取工程措施以缓解因压力变化太大而引起乘客的不适。虽然近年我国城市快速轨道交通运营线路以平均每年347.9 km的速度递增[2]，然而在地铁快线隧道内空气压力波控制问题的工程设计尚处于探索阶段[3-6]，并无完善的设计方法和设计标准。因此，地铁快线隧道内空气压力波控制问题的研究显得非常迫切和必要。

深圳轨道交通11号线(以下简称11号线)是深圳市轨道交通三期线网中的1条西部快线，其设计速度为120 km/h，采用8辆编组A型车，于2010年开工建设，2016年6月28日正式开通运营。11号线是当时国内首条采用A型车且设计时速为120 km的线路。11号线全长51.936 km，起始站为福田站，终点站为碧头站。本文在收集国内外相关标准的基础上，经反复比选，确定了适用于11号线的压力舒适度标准；运用仿真模拟等手段对压力波控制的工程技术方案进行了比较分析，并结合国内外类似案例的工程经验确定了最终方案；最后在11号线开通运营后，对隧道内的空气压力波进行了现场实测和验证。

1 压力舒适度标准的研究

1.1 国外采用的压力舒适度标准

迄今为止，国际上并没有一个统一的列车运行压力舒适度标准。部分国家及研究机构采用的压力舒适度标准如表1所示。

表1 国外列车运行压力舒适度标准

1.2 国内采用的压力舒适度标准

目前，国内采用的压力舒适度标准有：

(1) 铁建设[2005]140号文件《新建时速200～250 km客运专线铁路设计暂行规定》。对于非密闭性列车，可采用3 s内压力变化不超过3 000 Pa的标准。

(2) 铁建设[2007]88号文件“关于印发《铁路隧道设计施工有关标准补充规定》的通知”。该规定中关于客运专线隧道设计压力舒适度标准如表2所示。

表2 我国客运专线隧道设计压力舒适度标准

(3) GB 50157—2013《地铁设计规范》。该标准规定，当隧道内空气压力的变化值超过700 Pa时，Δp/Δt不得大于415 Pa/s，其适用于列车最高运行速度不超过100 km/h的地铁工程。

1.3 乘客对压力波的生理适应性

(1) 不同空气压力变化值下乘客的典型生理症状。空气压力波动可能会引起人类耳部的不舒适，表3归纳了在不同空气压力值下乘客出现的典型生理症状。

表3 不同空气压力值下乘客的典型生理症状

(2) 乘客乘坐高速铁路列车的压力波体验调查。国内高速铁路遂俞试验段长48.695 km，其中隧道18座，隧道长度占线路长度的比例大于25%。通过在动车组上对乘客不适程度调查表明：当3 s内最大压力变化为1 880 Pa时，受访乘员中有较明显耳痛感觉的占43.7%；当3 s内最大压力变化为1 710 Pa时，受访乘员中有较明显耳痛感觉的占37%；当3 s内最大压力变化为1 410 Pa时，受访乘员中有明显耳痛感觉的占20.7%；当3 s内最大压力变化为450 Pa时，受访乘员中不再有明显耳痛，略有不适的占17%。

1.4 11号线压力舒适度标准

11号线是1条设计运营服务水平较高的区域快线，采用8节编组(含2节商务舱)。其舒适度标准应与其服务水平相适应，经研究确定压力舒适度标准为3 s内不大于800 Pa。

2 采用的工程技术方案

采用隧道压力波分析软件ThermoTun进行仿真模拟。根据仿真模拟分析，结合工程条件，在工程设计中采用了以下4类工程技术方案。

(1) 扩大长隧道洞径：对于长度大于3.5 km的区间隧道，采用大直径6 m的盾构，其余则采用直径为5.4 m盾构。本工程共有2段隧道采用大盾构，如表4所示。

(2) 增大隧道洞口明挖区间断面：采取隧道洞口明挖区间段增大断面面积的措施，如表5所示。

(3) 左右线之间设置泄压口：为减少工程实施难度，利用联络通道在左右线隧道之间设置泄压口中。泄压口将左右线连通，其孔洞面积为1.25 m2(净面积不小于1 m2，有效面积系数为0.8)，具体位置如表6所示。泄压口设置电动风阀及重力式防烟防火阀。电动风阀采用220 V电源，正常运行时常开，事故情况下关闭。电动风阀由动照供电，且由综合监控系统或火灾报警系统负责将开关状态反馈至控制室。

表4 11号线区间隧道洞径情况汇总

表5 11号线隧道洞口明挖区间断面增大情况汇总

表6 11号线区间左右线之间设置泄压口情况汇总

(4) 过渡段采用泄压措施：在过渡段设置连续通风口泄压。地下区间与高架区间过渡段采用封闭式结构，在结构侧面和顶部采取泄压措施。两侧侧墙上均设置通风百叶，最低高度满足防淹及区间综合管线的要求；两侧各设置14个通风百叶，开孔尺寸为1.5 m×6.7 m，总面积为280 m2。不具备侧面通风条件时，在顶部设置风口18个，间距不大于30 m，开孔尺寸为1.8 m×5.6 m，总面积为180 m2。

3 实测效果分析

2016年6月初，在11号线开通运营前，对列车内的压力变化情况作了实测。压力测试系统如图1所示。

图1 压力测试系统原理图

根据现场条件和列车车厢内压力波动的特征，在车厢内布置3个测点，高度为距车厢地面1.5 m。测点布置如图2所示。

图2 车厢内测点布置示意图

图3～5是全线(福田站—碧头站方向)列车车厢3 s内压力变化值，测点测试时间共计55 min，其中每隔0.173 s采集1个压力数据。测试结果表明，列车从起点福田站启动约110 s后，车厢内压力波动达到第一个波峰，车头测点3 s内压力变化值为655 Pa，中间测点3 s内压力变化值为546 Pa。第二个波峰出现在宝安站—碧海站区间，车头测点3 s内压力变化值为562 Pa，车尾测点3 s内压力变化值为614 Pa，车中测点3 s内压力变化值为540 Pa。全程压力波动峰值均出现在列车高速运行区(运行速度为115 km/h)及区间风井位置，第一个和第二波峰区间均采用普通5.4 m盾构，未采用加大断面措施。全程压力波动值低于控制标准线，即3 s内压力变化值为800 Pa。