工科论文：高速地铁隧道内风压变化研究[1]

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摘 要：根据国内外有关资料，提出了适合我国高速地铁隧道压力控制的标准，通过数值分析，给出了高速地铁隧道内典型位置的压力变化及控制处理方法。

关键词：地铁隧道 压力变化 压力变化率

近年来，国内许多大城市正在建设或筹划城市快速轨道交通系统（或地铁系统），其最高时速一般不大于８０　ｋｍ／ｈ，平均旅行速度为３５　ｋｍ／ｈ。根据国内已建成的几条城市地铁系统的运行情况，乘客对隧道内的压力及压力变化尚未有不良反应，现行的《地下铁道设计规范》也未对此有明确的限制标准。最近一段时间，有的城市对列车运行提出了更高运行速度的要求，根据香港及国外已建成运营的地铁或快速轨道交通情况，其隧道内的压力及压力变化率必须加以控制，这方面有成功的例子，也有失败的教训。
1压力及压力变化率标准
列车在隧道内高速运行的压力及压力变化率若超出一定的限制，轻则会造成乘客耳朵不适，乘客舒适度降低，行车阻力增大和能耗增加，重则会造成乘客失聪，甚至影响车辆行车安全。因此，已建成并投入运营的高速轨道交通系统对隧道内的压力及压力变化率均作出了一定的限制（详见表１），虽然不同系统的限值存在较大的差异，但基本上均从两个方面控制：
（１）“峰对峰”（ｐｅａｋ　ｔｏ　ｐｅａｋ）值，即最大压力变化的绝对值；
（２）压力变化率。
在有关的研究文献中还指出上述两种控制指标单独使用均不能合理地反映乘客的生理反应，例如，对于压力变化绝对值较高但压力变化过程较长的情况，由于人体来得及适应耳膜内外压力变化，因此不会有明显的不适反应，这方面非常典型的例子是飞机在起飞或降落过程中的缓慢降压或升压过程，虽然其前后的压力变化达几千帕，但乘客一般不会有不良反应。另一方面，若压力变化率较大，但压力变化的绝对值控制在一定的范围内时，乘客一般也不会有不舒适的反应。当然，无论如何隧道内的压力变化绝对值不可以超过１０　ｋＰａ，这会对乘客的耳膜造成永久性伤害。
虽然世界各国对高速隧道内压力变化及压力变化率的标准不完全一致，美国运输部（ＵＳＤＯＴ）在这方面是较早开展研究的单位之一，而其在《地铁环境设计手册》（Ｓｕｂｗａｙ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｈａｎｄｂｏｏｋ）提出表１中的标准也基本得到世界各国的认可，同时也在多条地铁或快速轨道交通的设计中采用，其典型系统为美国三藩市的ＢＡＲＴ（最高速度８０　ｍｉｌｅ／ｈ，即１２８　ｋｍ／ｈ）和香港新机场快线（最高速度１３５　ｋｍ／ｈ），因此，在现行规范尚未完善前，采用经较多实践检验过的美国标准较为合适。
表１ 　各国隧道压力控制标准
注：Ｐｔ为压力变化率；Ｐ为压力变化绝对值；Ｐ′为特定时间内的压力变 化。
2压力变化的形成及数学描述
列车在隧道内运行现象与活塞运动类似，但又有所不同，列车前面的空气一部分被推向前方，另一部分则沿列车与隧道之间的环形空间形成回流，这主要是由于空气黏性以及气流对隧道壁面和列车表面的摩擦作用使得被列车排挤的空气不能像在大空间中那样及时散开。因此，列车前方空气受压缩，随之就产生特定的压力变化过程，其引起的空气动力学效应会随着行车速度的提高而加剧。当然，隧道内的压力变化除与行车速度有关外，还受列车车辆的有关参数（车头尾的形状系数、列车截面、列车表面阻力系数等）、隧道型式（隧道截面面积、隧道和道床的表面阻力系数、所有隧道通风管件变化等）等条件的影响。
隧道内列车活塞运动所产生的空气动力学现象是三维可压缩、非定常的紊流，但由于隧道的长度远大于隧道的水力半径，而在隧道通风系统计算中是以隧道断面平均速度作为研究对象，因此可以用一维非稳定流模型来描述，在这方面美国交通部作过相应的理论分析并为大量的测试所证明。描述隧道内空气运行的基本方程４为：
（１）连续性方程
一般来说，隧道内的活塞风速较低，小于０１马赫数，因此，可以将列车活塞运动的空气流动力学现象作为不可压缩流体的空气流动现象５。因此，将式（２）沿流线积分可得到下式：
3压力变化的数值分析
目前，在地铁隧道通风方面数值模拟分析较通用的软件为美国运输部组织编写的ＳＥＳ（Ｓｕｂｗａｙ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｐｒｏｇｒａｍ）程序，该程序是一维模型，不但可以用于预测地铁运营时隧道内的空气温湿度，还可以用作压力分析，而且已成功用于世界上多条地铁设计中。根据前面的分析可知，由于地铁隧道内压力变化与许多因素有关，因此，我们根据地铁最普遍采用的相关参数选取３种最通常出现的情况进行了模拟分析，分析结果如下。
（１）长区间隧道
对于一段２５　ｋｍ长的单洞单线隧道，阻塞比约为０４８，在隧道两端均为设置有站台工学论文