王麗慧 張雨蒙 張杉 高仁義

摘 要：本文以上海地鐵某號線4個區(qū)間中間風井處的側(cè)墻（構(gòu)成材料為磚墻）為背景，采用了現(xiàn)場實測的方法，研究了列車正常運行工程中，中間風井地下一層側(cè)墻所承受的靜壓、動壓及全壓。測試結(jié)果表明，地下一層側(cè)墻承壓最大值約為100pa～300pa。其中，側(cè)墻動壓數(shù)值遠小于側(cè)墻靜壓，側(cè)墻靜壓約占側(cè)墻全壓的77%，為側(cè)墻承壓的主體部分。本文研究結(jié)果為是否需要更換以上區(qū)間中間風井側(cè)墻材料，為列車安全運行提供了一定的數(shù)據(jù)參考。

關(guān)鍵詞：地鐵中間風井側(cè)墻;壓力變化規(guī)律;現(xiàn)場實測;全壓;熱流密度

列車在長大區(qū)間隧道內(nèi)運行，因列車截面與隧道截面的面積比，導致了隨列車行車速度波動的活塞風壓。而設(shè)置于長大區(qū)間隧道中部的中間風井，其主要功能是通過泄壓來緩解此活塞風壓對區(qū)間隧道、運行列車和車站的不利影響，同時通過與室外的空氣交換保證區(qū)間隧道內(nèi)新風量。

最近，列車運行產(chǎn)生的壓力波動對隧道及中間風井的影響逐漸成為人們關(guān)注的焦點。例如，車輪飛[1]采用了數(shù)值模擬的方法模擬得出了列車密封指數(shù)對車廂內(nèi)瞬變壓力影響明顯，及車廂內(nèi)瞬變壓力隨行車速度的增加而增加的變化規(guī)律。林世生[2]采用地鐵環(huán)境模擬計算軟件 SES 4.1，對廣州地鐵 14 號線列車線路在隧道運行時壓力波動及壓力舒適度進行計算分析，提出對于120km/h運行的列車，在中間風井處設(shè)置前后各15m的漸擴段，可緩解列車壓力。陳波[3]總結(jié)東菀市城市軌道交通號線的設(shè)計、建設(shè)、運營，提出了擴大區(qū)間隧道斷面，提高列車氣密性的建議，以解決列車在隧道內(nèi)高速運行乘客舒適度的問題。陳雅莉[4]采用數(shù)值分析方法，計算得到在不同斷面的隧道內(nèi)，當列車最高速度為120km/h，車輛密封指數(shù)為t=3s時，隧道盾構(gòu)內(nèi)徑大于等于6m，可滿足列車運行壓力控制標準;當列車最高速度為140km/h，車輛密封指數(shù)為t=3s時，隧道盾構(gòu)內(nèi)徑大于等于6.8m，可滿足列車運行壓力控制標準。

但是，以上研究多以數(shù)值模擬為主，而且都沒有涉及到列車通過中間風井前后，由活塞作用導致的區(qū)間中間風井地下一層側(cè)墻承壓的問題，為了填補這一研究空白，本文采用現(xiàn)場實測的方法，對上海地鐵某號線4個區(qū)間中間風井處的地下一層側(cè)墻（構(gòu)成材料為磚墻）進行了壓力測試，分析了地鐵中間風井處地下一層側(cè)墻壓力在列車運行全過程中的變化規(guī)律和壓力最大值，作為是否需要更換此類區(qū)間側(cè)墻材料的依據(jù)，以確保地鐵列車安全運行。

1 中間風井側(cè)墻承壓機理分析與測試方案

1.1 中間風井側(cè)墻承壓構(gòu)成分析

當列車正常運行通過中間風井前后的一段時間內(nèi)，中間風井活塞風閥周圍的側(cè)墻勢必會受到列車運行所分流的活塞風的沖擊而產(chǎn)生的壓力作用。在這個過程中，各區(qū)間活塞風閥上側(cè)和下側(cè)相鄰側(cè)墻的承壓可分為全壓、靜壓和動壓三個部分。各壓力之間的關(guān)系見式（1）與式（2）。

1.2 中間風井側(cè)墻承壓測試方案

1.2.1 中間風井側(cè)墻靜壓的測試

考慮到地鐵中間風井所處側(cè)墻房間的測試安全，墻體靜壓難以直接打孔測試得到。本文依據(jù)房間靜壓與墻體靜壓相等，分別測得區(qū)間中間風井側(cè)墻所處房間全壓與房間動壓，然后依據(jù)式（1）計算得到房間靜壓，即側(cè)墻靜壓。其中側(cè)墻所在房間全壓采用畢托管測試，參見圖1，畢托管的一條軟管放入所測房間，另一條軟管放在所測房間之外，測試房間內(nèi)外隔離，測試過程中畢托管測得的房間全壓的正負值可反映地鐵列車與中間風井的相互位置關(guān)系，一般列車經(jīng)過風井之前，正壓作用房間，而列車經(jīng)過風井后，負壓作用房間。房間動壓則采用熱線風速儀測得房間主流風速，并進一步通過式（2）計算得到，在進行房間同一斷面多點同時風速監(jiān)測的預實驗基礎(chǔ)上，因圖中所示位置較能代表房間該斷面的平均風速，因此在此處布置風速測點。

1.2.2 中間風井側(cè)墻動壓的測試

活塞風通過中間風井進出在側(cè)墻附近存在不同方向的湍流，對側(cè)墻造成動壓。側(cè)墻動壓采用兩種方法測試，其一為采用熱線風速儀正對于側(cè)墻，測試探頭斷面平行于墻體，僅獲得垂直于側(cè)墻的風速值數(shù)據(jù)，由式（2）計算出側(cè)墻的垂直動壓。其二為利用所測墻體換熱特性來反映其所受來自各個方向氣流作用的綜合風速及其相應(yīng)綜合動壓。此方法適用于墻體附近氣流紊亂、無法準確獲得氣流方向的實際工況。該方法的步驟是：首先，用熱流密度計、壁面溫度計、空氣溫度計測得其熱流密度Q，壁面溫度tw，空氣溫度ta，然后根據(jù)Q、tw、ta與換熱系數(shù)h的關(guān)系，見式（3），求得其換熱系數(shù)h;其次，再利用不同流動狀態(tài)下?lián)Q熱系數(shù)h與風速uz的關(guān)系，見式（4）、式（5）和式（6），先倒推求得Re[5]數(shù)，再求得墻體表面的綜合風速;第三，結(jié)合動壓公式，由綜合風速即可計算出側(cè)墻表面承受的綜合動壓。此綜合動壓反應(yīng)了不同方向風速對墻體的綜合作用。

1.2.3 中間風井側(cè)墻全壓的計算

依據(jù)上文測試所得到的靜壓與動壓，結(jié)合即可求得側(cè)墻全壓，全壓計算技術(shù)路線圖見下圖 3。

1.3 中間風井側(cè)墻承壓測試工況

本文研究的中間風井附近的側(cè)墻主要為與水平活塞風閥上側(cè)相鄰的地下一層側(cè)墻（靠近地面）。共測試4個區(qū)間中間風井側(cè)墻，其中區(qū)間1測試側(cè)墻編號為1-1至1-4、區(qū)間2測試側(cè)墻編號為2-1、區(qū)間3測試側(cè)墻編號為3-1至3-3、區(qū)間4測試側(cè)墻編號為4-1至4-3。其中測試所需儀器、儀器參數(shù)及儀器讀數(shù)間隔見下表1。以一個列車即將到達中間風井附近隧道、經(jīng)過中間風井、駛離中間風壓力波動的完整過程為一個測試周期，測試中，各儀器每10s記錄一次數(shù)據(jù)，實測中，對4個區(qū)間內(nèi)地下一層的相關(guān)各個側(cè)墻分別進行上述2-3個周期的實測研究。

2 中間風井側(cè)墻承壓實測結(jié)果與分析

2.1 地下一層側(cè)墻靜壓測試結(jié)果

如上文所述，側(cè)墻靜壓與房間靜壓相等，可由房間全壓與房間動壓之差求出。以下部分給出了利用房間全壓，房間動壓的實測結(jié)果計算得到的房間靜壓，即側(cè)墻靜壓，并對側(cè)墻靜壓進行分析，結(jié)果曲線見下圖4。

由上圖可知，在每個列車作用周期，墻體所在房間的靜壓隨著列車與中間風井的相對位置在正壓與負壓之間交替波動。各站臺墻體靜壓正壓峰值大部在50pa～100pa之間波動，墻體靜壓負壓峰值大部在-50pa-100pa之間波動。其中區(qū)間3中3-2號墻與3-3號墻的靜壓正壓波動略高于負壓，在150pa左右;區(qū)間1中 1-2號墻正負壓變化高于其他位置側(cè)墻，2號墻最大靜壓正壓峰值接近300pa。

2.2 地下一層側(cè)墻動壓兩種測試結(jié)果的比較

圖5給出了地下一層依據(jù)熱線風速儀測試得到的垂直風速與依據(jù)對流換熱機理、壁面溫度、空氣溫度和壁面熱流密度實測計算得到的綜合風速，可見在各區(qū)間列車作用周期內(nèi)，代表各方向氣流對側(cè)墻動壓作用的綜合風速（最大風速在2.5m/s～4m/s之間）大于對墻體垂直方向作用的垂直風速（最大風速在0.5m/s～1.5m/s之間），綜合風速數(shù)值約為垂直風速數(shù)值的3倍，且墻體綜合風速隨列車的運行波動幅度較大。

圖6根據(jù)動壓與風速之間的計算關(guān)系式，進一步計算得到各區(qū)間列車作用周期內(nèi)各個方向氣流對側(cè)墻綜合動壓和垂直方向氣流對其的垂直動壓，可明顯看到各個方向氣流對側(cè)墻的綜合動壓明顯高于垂直動壓，墻體綜合動壓隨列車的運行波動幅度較大。

2.3 地下一層側(cè)墻全壓測試結(jié)果

由上文求得的地下一層側(cè)墻靜壓與側(cè)墻綜合動壓，根據(jù)式（1）求得側(cè)墻全壓。側(cè)墻全壓、側(cè)墻靜壓、側(cè)墻動壓的結(jié)果曲線見下圖7。

由下圖可知，在每個列車作用周期，墻體所在房間的全壓隨著列車與中間風井的相對位置在正壓與負壓之間交替波動，各站臺墻體正壓峰值在80～200之間波動，各站臺墻體負壓峰值在-80～130之間波動，在不同列車運行周期下具有可重復性;通過比較側(cè)墻全壓、靜壓、動壓可知區(qū)間中間風井處側(cè)墻動壓數(shù)值遠小于靜壓，靜壓數(shù)值略小于全壓，綜合各墻體靜壓與全壓比較得，靜壓約占墻體全壓的77%，由此可知靜壓為側(cè)墻承壓的主要部分。

3 結(jié)論

（1）列車正常運行工況下，在列車通過中間風井前后的一段時間內(nèi)，墻體所在房間的全壓、靜壓隨著列車與中間風井的相對位置在正壓與負壓之間交替波動，在每個列車運行周期都具有可重復性。

（2）列車正常運行工況下，實測地下一層側(cè)墻承壓全壓最大值約為100pa～300pa，測試各區(qū)間側(cè)墻動壓數(shù)值均遠小于側(cè)墻靜壓，側(cè)墻靜壓為側(cè)墻全壓的主體部分，側(cè)墻靜壓約占側(cè)墻全壓的77%。

（3）依據(jù)對流換熱機理、壁面溫度、空氣溫度和壁面熱流密度實測計算得到的綜合風速波動明顯大于依據(jù)熱線風速儀測試得到的垂直風速，綜合風速數(shù)值約為垂直風速數(shù)值的3倍，對于墻體附近氣流紊亂、無法準確獲得氣流方向的實際工況，綜合風速具有較高的工程價值。

參考文獻：

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[5]章熙民.傳熱學[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.