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摘要 本文分析了地铁隧道压力波的产生和影响，介绍了国内外部分国家和地区的压力波动控制标准，并通过模拟计算，得出在5.4米盾构隧道和6m盾构隧道中，列车在不同运行速度、气密性条件下车头、车尾的压力波动数据。
关键词 地铁隧道 压力 阻塞比 气密性
1 地铁隧道压力波的产生和影响
当地铁列车在区间隧道中运行时，列车前方的空气受到挤压，空气压强骤然增大而形成压缩波并向周围传播，导致隧道内部及列车车体表面的压力产生变化，进而车体表面的压力波动变化随之传播到车内，当车内压力波动超过一定值后，将对车内乘客的生理产生不良影响，这一现象称之为隧道空气动力学效应。
根据已有的研究成果，列车行驶速度和阻塞比（列车横截面积与地铁净空断面积的比值）是影响地铁隧道压力变化最主要的两个参数。随着列车行驶速度的提高，为了满足压力变化要求，应逐渐减小阻塞比，高速铁路隧道设计中一般将阻塞比控制在0.23～0.12。相对而言，地铁的运行速度比较低，一般小于100km/h，此时的空气动力学效应并不明显，但地铁的断面积比较小，一般情况下国内地铁盾构区间的直径为5400mm，其有效断面积约为21.3m2，阻塞比比较高，在这种情况下，列车速度的微小提升，都会产生较大的空气动力学效应。
同时，当地铁车站间距比较大时，为满足防灾及隧道内换气次数的要求，在长区间需设置断面较大的中间通风井，当列车高速通过中间通风井时，空气流通有效断面的变化必将引起地铁内空气压力的波动，频繁的压力变化必然引起车体内外压力产生连锁变化，从而恶化乘车环境，降低了乘车的舒适性。
鉴于以上的原因，必须对列车高速行驶在长区间的压力变化情况进行研究，在一定的条件下，降低压力变化，提高人体舒适度。
2压力波动控制判定标准
1）国外地铁或高速铁路压力控制标准介绍
表1列出了部分国家及地区的地铁或高速铁路的压力控制标准：
2）国内高铁压力控制标准
在我国高铁，自广深线准高速列车开行以来所带来的气密性问题，给了我们一些感性认识。许多专家学者已开始研究高速列车的气密性问题，试图通过试验研究来确定高速列车必要的人体舒适度评价标准。2005年5月，我国第一次进行了200km/h等级遂渝线隧道空气动力学试验。在该试验基础上，参考国外标准于2006年对列车通过隧道时车厢内气压变化提出了初步考核意见：单线隧道小于800Pa/3s；双线隧道小于1250Pa/3s。
3）广州地铁三号线的压力控制标准
由于我国针对地铁压力控制尚无标准，只能通过类比借鉴国外的标准执行。根据资料，美国的环控设计手册中地铁压力控制标准，是根据美国bart系统的基础上研究得出的，而该系统的土建、速度、列车外形等参数均与广州地铁的相仿，所以，广州地铁三号线的压力控制标准采取与美国地铁标准一致，即压力变化幅值<700Pa/1.7s，压力变化率<410Pa/s。同时，香港地铁亦采用美国的压力控制标准。
本文中评价标准采用美国标准，与广州地铁三号线一致。
3隧道空气动力特性分析
地铁列车高速进入隧道时、在隧道内高速行驶通过中间风井、横通道等面积突变处时，都会引起空气压力变化，可造成列车内司乘人员耳鸣、耳痛等不适问题，同时，空气阻力增加，增加列车运行能耗。
3.1隧道压力波的主要影响因素
隧道压力波变化是造成司乘人员耳朵不适的直接原因，其变化规律较复杂，根据国内外的研究结果，隧道压力波的主要影响因素是阻塞比、列车速度、隧道壁面粗糙度及辅助结构物形式(隧道口缓冲结构、通风通道、隔墙)等。隧道压力波与阻塞比成正比，与列车速度的平方成正比。其中，阻塞比的选取将影响土建的规模。
1）盾构直径与阻塞比关系
阻塞比是车辆截面积与行车隧道有效截面积（扣除轨道回填面积、管线面积后的净面积）之间的比值，A型车计算截面积约为10.3m2，B型车计算截面积约为9.7m2。表2列举了几种盾构隧道内径与A、B型车之间的阻塞比。
表2 盾构直径与阻塞比关系表
2）竖井、横通道对隧道压力波的影响
国外研究表明，隧道内合理布置竖井、横通道可以有效减缓列车进入隧道时的压力波，两者减缓压力波动的原理是类似的，图1表示了列车以140km/h速度通过设置了一个竖井的隧道，开关竖井时，隧道内某一点的压力波特性的对比；图2表示了列车在有无横通道时，进洞的压力波特性对比。由两图可知，设置了竖井、横通道可大幅降低压力波幅值，但同时也由于竖井、横通道的存在，当列车通过竖井、横通道时将产生新的压缩波或膨胀波，压力会急剧变化，因而又加剧了压力波动。
3）隧道净空面积突变对隧道压力波的影响
根据资料显示，与净空面积恒定的压力波动相比，净空面积突变的隧道压力波峰值下降，并随净空面积增大峰值下降幅度越大。
3.2车内压力波的主要影响因素
车内压力波动主要受列车气密性影响，随着气密性的增加，车内压力的变化趋于缓慢。列车气密性用静态时间常数定义，其定义公式如下：
车速(km/h)100120
最大压力峰值（kPa）2.553.38
最大负压峰值（kPa）1.371.96
根据计算，车头全过程处于正压状态，车尾全过程处于负压状态；同时，车头正压峰值远大于车尾负压峰值。
2）车内车头在不同车速、不同车辆密封性的压力数据如下表所示：
表5 车内车头在不同车速、不同车辆密封性的压力峰值
4）小结：
在5.4米盾构内径隧道的情况下，只有当车速为100 km/h，车辆气密指数为=3s时，列车运行满足标准要求，其余均不满足要求。
因此，在不特殊要求车辆密封性能的情况下，列车最高速度为120 km/h时，5.4米内径盾构隧道不能满足列车运行压力控制标准。
4.3.2 6米盾构内径隧道
列车最高速度120 km/h、不同密封性车内外压力波动和车内压力变化。
1）车内车头在不同气密指数下压力峰值：
表8 车内车头压力峰值
计算工况压力值120 km/h
气密指数（=0.5s）最大压力峰值（kPa）1.73
最大负压峰值（kPa）－0.51
气密指数（=3s）最大压力峰值（kPa）1.28
最大负压峰值（kPa）－0.47
2）车内车头在不同车辆密封性的最大压力变化数据如下表所示：
表9 车内车头最大压力变化
计算工况压力变化数据120 km/h
气密指数（=0.5s）压力变化幅值
（Pa/1.7s）1360
压力变化率（Pa/s）900
气密指数（=3s）压力变化幅值
（Pa/1.7s）520
压力变化率（Pa/s）310
3）小结：
在6米盾构内径隧道的情况下，当车速为120 km/h，车辆气密指数为=3s时，列车运行满足标准要求。因此，即使在车辆气密性能较差的情况下，列车最高速度为120 km/h时，6米内径盾构隧道满足列车运行压力控制标准。
5 结论
根据计算数据的分析，可得以下结论：
1）当列车最高速度为100 km/h，盾构内径为5.4米、车辆气密指数为=3s（车辆气密性能较差）时，列车运行满足标准要求。
2）当列车最高速度为120 km/h，盾构内径为6米、车辆气密指数为=3s（车辆气密性能较差）时，列车运行满足标准要求。
2、解决隧道内空气压力波动问题的措施
根据以上对隧道内压力波动的特性分析、计算数据的分析，解决隧道内空气压力波动问题的措施有：
1）加大隧道断面:
2）提高车辆的气密性
参考文献
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[3] 刘堂红; 田红旗; 金学松. 隧道空气动力学实车试验研究 .空气动力学报, 2008（01）
[4] 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)
论文作者:翁运飞
论文发表刊物:《基层建设》2015年12期
论文发表时间:2015/10/10
标签：压力论文; 隧道论文; 列车论文; 盾构论文; 车内论文; 地铁论文; 峰值论文; 《基层建设》2015年12期论文;