楊 寧

(深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，518000，深圳//高級工程師)

隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大，城市居民出行對地鐵列車運(yùn)行速度的要求不斷提高，而在隧道中提高列車運(yùn)行速度會產(chǎn)生空氣壓力波問題。列車在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)隧道截面發(fā)生變化，空氣的黏性以及氣流對隧道壁面和列車表面的摩阻作用使得隧道內(nèi)空氣壓力發(fā)生變化，產(chǎn)生壓力波動(dòng)，這種壓力波動(dòng)以聲速傳播，在隧道內(nèi)形成反射波，產(chǎn)生一系列復(fù)雜的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)[1]。在通常的地鐵隧道中，當(dāng)?shù)罔F列車運(yùn)行速度超過100 km/h時(shí)，這種壓力波動(dòng)會有明顯的增加，需要在設(shè)計(jì)中采取工程措施以緩解因壓力變化太大而引起乘客的不適。雖然近年我國城市快速軌道交通運(yùn)營線路以平均每年347.9 km的速度遞增[2]，然而在地鐵快線隧道內(nèi)空氣壓力波控制問題的工程設(shè)計(jì)尚處于探索階段[3-6]，并無完善的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。因此，地鐵快線隧道內(nèi)空氣壓力波控制問題的研究顯得非常迫切和必要。

深圳軌道交通11號線(以下簡稱11號線)是深圳市軌道交通三期線網(wǎng)中的1條西部快線，其設(shè)計(jì)速度為120 km/h，采用8輛編組A型車，于2010年開工建設(shè)，2016年6月28日正式開通運(yùn)營。11號線是當(dāng)時(shí)國內(nèi)首條采用A型車且設(shè)計(jì)時(shí)速為120 km的線路。11號線全長51.936 km，起始站為福田站，終點(diǎn)站為碧頭站。本文在收集國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)反復(fù)比選，確定了適用于11號線的壓力舒適度標(biāo)準(zhǔn)；運(yùn)用仿真模擬等手段對壓力波控制的工程技術(shù)方案進(jìn)行了比較分析，并結(jié)合國內(nèi)外類似案例的工程經(jīng)驗(yàn)確定了最終方案；最后在11號線開通運(yùn)營后，對隧道內(nèi)的空氣壓力波進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)測和驗(yàn)證。

1 壓力舒適度標(biāo)準(zhǔn)的研究

1.1 國外采用的壓力舒適度標(biāo)準(zhǔn)

迄今為止，國際上并沒有一個(gè)統(tǒng)一的列車運(yùn)行壓力舒適度標(biāo)準(zhǔn)。部分國家及研究機(jī)構(gòu)采用的壓力舒適度標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 國外列車運(yùn)行壓力舒適度標(biāo)準(zhǔn)

1.2 國內(nèi)采用的壓力舒適度標(biāo)準(zhǔn)

目前，國內(nèi)采用的壓力舒適度標(biāo)準(zhǔn)有：

(1) 鐵建設(shè)[2005]140號文件《新建時(shí)速200～250 km客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》。對于非密閉性列車，可采用3 s內(nèi)壓力變化不超過3 000 Pa的標(biāo)準(zhǔn)。

(2) 鐵建設(shè)[2007]88號文件“關(guān)于印發(fā)《鐵路隧道設(shè)計(jì)施工有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)充規(guī)定》的通知”。該規(guī)定中關(guān)于客運(yùn)專線隧道設(shè)計(jì)壓力舒適度標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 我國客運(yùn)專線隧道設(shè)計(jì)壓力舒適度標(biāo)準(zhǔn)

(3) GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)隧道內(nèi)空氣壓力的變化值超過700 Pa時(shí)，Δp/Δt不得大于415 Pa/s，其適用于列車最高運(yùn)行速度不超過100 km/h的地鐵工程。

1.3 乘客對壓力波的生理適應(yīng)性

(1) 不同空氣壓力變化值下乘客的典型生理癥狀?？諝鈮毫Σ▌?dòng)可能會引起人類耳部的不舒適，表3歸納了在不同空氣壓力值下乘客出現(xiàn)的典型生理癥狀。

表3 不同空氣壓力值下乘客的典型生理癥狀

(2) 乘客乘坐高速鐵路列車的壓力波體驗(yàn)調(diào)查。國內(nèi)高速鐵路遂俞試驗(yàn)段長48.695 km，其中隧道18座，隧道長度占線路長度的比例大于25%。通過在動(dòng)車組上對乘客不適程度調(diào)查表明：當(dāng)3 s內(nèi)最大壓力變化為1 880 Pa時(shí)，受訪乘員中有較明顯耳痛感覺的占43.7%；當(dāng)3 s內(nèi)最大壓力變化為1 710 Pa時(shí)，受訪乘員中有較明顯耳痛感覺的占37%；當(dāng)3 s內(nèi)最大壓力變化為1 410 Pa時(shí)，受訪乘員中有明顯耳痛感覺的占20.7%；當(dāng)3 s內(nèi)最大壓力變化為450 Pa時(shí)，受訪乘員中不再有明顯耳痛，略有不適的占17%。

1.4 11號線壓力舒適度標(biāo)準(zhǔn)

11號線是1條設(shè)計(jì)運(yùn)營服務(wù)水平較高的區(qū)域快線，采用8節(jié)編組(含2節(jié)商務(wù)艙)。其舒適度標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)與其服務(wù)水平相適應(yīng)，經(jīng)研究確定壓力舒適度標(biāo)準(zhǔn)為3 s內(nèi)不大于800 Pa。

2 采用的工程技術(shù)方案

采用隧道壓力波分析軟件ThermoTun進(jìn)行仿真模擬。根據(jù)仿真模擬分析，結(jié)合工程條件，在工程設(shè)計(jì)中采用了以下4類工程技術(shù)方案。

(1) 擴(kuò)大長隧道洞徑：對于長度大于3.5 km的區(qū)間隧道，采用大直徑6 m的盾構(gòu)，其余則采用直徑為5.4 m盾構(gòu)。本工程共有2段隧道采用大盾構(gòu)，如表4所示。

(2) 增大隧道洞口明挖區(qū)間斷面：采取隧道洞口明挖區(qū)間段增大斷面面積的措施，如表5所示。

(3) 左右線之間設(shè)置泄壓口：為減少工程實(shí)施難度，利用聯(lián)絡(luò)通道在左右線隧道之間設(shè)置泄壓口中。泄壓口將左右線連通，其孔洞面積為1.25 m2(凈面積不小于1 m2，有效面積系數(shù)為0.8)，具體位置如表6所示。泄壓口設(shè)置電動(dòng)風(fēng)閥及重力式防煙防火閥。電動(dòng)風(fēng)閥采用220 V電源，正常運(yùn)行時(shí)常開，事故情況下關(guān)閉。電動(dòng)風(fēng)閥由動(dòng)照供電，且由綜合監(jiān)控系統(tǒng)或火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)負(fù)責(zé)將開關(guān)狀態(tài)反饋至控制室。

表4 11號線區(qū)間隧道洞徑情況匯總

表5 11號線隧道洞口明挖區(qū)間斷面增大情況匯總

表6 11號線區(qū)間左右線之間設(shè)置泄壓口情況匯總

(4) 過渡段采用泄壓措施：在過渡段設(shè)置連續(xù)通風(fēng)口泄壓。地下區(qū)間與高架區(qū)間過渡段采用封閉式結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)側(cè)面和頂部采取泄壓措施。兩側(cè)側(cè)墻上均設(shè)置通風(fēng)百葉，最低高度滿足防淹及區(qū)間綜合管線的要求；兩側(cè)各設(shè)置14個(gè)通風(fēng)百葉，開孔尺寸為1.5 m×6.7 m，總面積為280 m2。不具備側(cè)面通風(fēng)條件時(shí)，在頂部設(shè)置風(fēng)口18個(gè)，間距不大于30 m，開孔尺寸為1.8 m×5.6 m，總面積為180 m2。

3 實(shí)測效果分析

2016年6月初，在11號線開通運(yùn)營前，對列車內(nèi)的壓力變化情況作了實(shí)測。壓力測試系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 壓力測試系統(tǒng)原理圖

根據(jù)現(xiàn)場條件和列車車廂內(nèi)壓力波動(dòng)的特征，在車廂內(nèi)布置3個(gè)測點(diǎn)，高度為距車廂地面1.5 m。測點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 車廂內(nèi)測點(diǎn)布置示意圖

圖3～5是全線(福田站—碧頭站方向)列車車廂3 s內(nèi)壓力變化值，測點(diǎn)測試時(shí)間共計(jì)55 min，其中每隔0.173 s采集1個(gè)壓力數(shù)據(jù)。測試結(jié)果表明，列車從起點(diǎn)福田站啟動(dòng)約110 s后，車廂內(nèi)壓力波動(dòng)達(dá)到第一個(gè)波峰，車頭測點(diǎn)3 s內(nèi)壓力變化值為655 Pa，中間測點(diǎn)3 s內(nèi)壓力變化值為546 Pa。第二個(gè)波峰出現(xiàn)在寶安站—碧海站區(qū)間，車頭測點(diǎn)3 s內(nèi)壓力變化值為562 Pa，車尾測點(diǎn)3 s內(nèi)壓力變化值為614 Pa，車中測點(diǎn)3 s內(nèi)壓力變化值為540 Pa。全程壓力波動(dòng)峰值均出現(xiàn)在列車高速運(yùn)行區(qū)(運(yùn)行速度為115 km/h)及區(qū)間風(fēng)井位置，第一個(gè)和第二波峰區(qū)間均采用普通5.4 m盾構(gòu)，未采用加大斷面措施。全程壓力波動(dòng)值低于控制標(biāo)準(zhǔn)線，即3 s內(nèi)壓力變化值為800 Pa。

圖3 列車車頭測點(diǎn)3 s內(nèi)壓力變化圖

圖4 列車車尾測點(diǎn)3 s內(nèi)壓力變化圖

圖5 列車車中測點(diǎn)3 s內(nèi)壓力變化圖

4 結(jié)論

11號線于2016年6月28日開通運(yùn)營至今，部分乘客能夠感知耳壓的變化，但沒有關(guān)于耳痛問題的投訴，說明壓力舒適度采用3 s內(nèi)壓力變化值800 Pa的標(biāo)準(zhǔn)對地鐵快線系統(tǒng)是比較適宜的。11號線采用了擴(kuò)大隧道斷面、左右線之間設(shè)置泄壓口以及在過渡段設(shè)置連續(xù)通風(fēng)口泄壓等措施以緩解壓力波動(dòng)。

(1) 擴(kuò)大隧道斷面最為有效。當(dāng)列車運(yùn)行時(shí)速為115 km時(shí)，隧道斷面擴(kuò)大20%，最大空氣壓力變化值約降低23%。在實(shí)測中，壓力波動(dòng)的峰值未出現(xiàn)在大斷面區(qū)間。

(2) 區(qū)間隧道左右線之間采用泄壓口控制技術(shù)，對緩解壓力波動(dòng)行之有效。本工程不單獨(dú)設(shè)置泄壓口，利用區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道作為泄壓口，實(shí)施簡單且造價(jià)低廉。

(3) 過渡段空氣壓力變化劇烈，通過連續(xù)采用大量通風(fēng)口泄壓，同時(shí)擴(kuò)大隧道洞口的隧道斷面，泄壓效果顯著。