張 悅 張 強 畢海權 王君宜

地鐵活塞風道風速及變化規(guī)律試驗研究

張 悅1張 強1畢海權2王君宜2

（1.廣州地鐵設計研究院股份有限公司 廣州 510010；2.西南交通大學機械工程學院 成都 610031）

列車在隧道內運行產生的活塞風隨列車運行呈現(xiàn)有規(guī)律的周期性變化，由于目前列車運行速度高且行車密度高，活塞風對隧道內設備及活塞風道內的設備產生長期的作用，可帶來不可忽視的安全問題。以廣州地鐵某站及某中間風井為研究對象，對地鐵風道內的風速進行了現(xiàn)場測試，得到了地鐵站及區(qū)間風井風道內的風速變化規(guī)律。結果表明：該站出站端活塞風道內的正、負風速最大幅值均低于進站端；相比于車站進出站端活塞風井，中間風井內風道的風速更高，最大正風速為5.7m/s，最大負風速為7m/s；區(qū)間左右線中間風井活塞風道內風速變化周期和變化規(guī)律一致，但風速幅值差別較大。

現(xiàn)場試驗；地鐵；活塞風井；風速

0 引言

隨著國家的快速發(fā)展，我國的地鐵建設也取得了巨大成就。截至2018年底，我國共有35座城市開通城市軌道交通運營線路185條，運營總里程為5761.4km。地鐵運營線路4354.3km占比75.6%[1]。隨著運營里程的增加，地鐵列車的運行速度也不斷地提高。

目前，國內已開通和在建多條120km/h城市軌道交通快線，如廣州地鐵3號線、上海16號線、深圳地鐵11號線、東莞2號線、北京19號線、廣州21號線等，而在建和規(guī)劃有140km/h城市軌道交通快線，如成都18號線、成都11號線、臺州市S1線等。在開工建設的北京新機場線設計最高設計運行速度將則達到160km/h[2]。

列車在隧道內運行產生的活塞風隨列車運行呈現(xiàn)有規(guī)律的周期性變化，由于目前列車運行速度高且行車密度高，活塞風對隧道內設備及活塞風道內的設備產生長期的作用，可帶來不可忽視的安全問題。目前的研究多圍繞活塞風對地鐵系統(tǒng)通風和能耗的影響[3-5]，較少文獻關注活塞風引起的風道安全問題。由于隧道活塞風形成機理與過程十分復雜，而參與其形成過程的因素很多，從而影響活塞風大小的因素也非常多。隧道活塞風風速的大小主要受列車車速、列車車長、隧道截面、隧道長度和阻塞比的影響。隧道活塞風風速大小與列車車長，列車速度和阻塞比成正比；與隧道截面與隧道長度成反比[6]。

針對地鐵隧道內活塞風的研究，主要包括理論計算、數(shù)值計算和現(xiàn)場測試。理論分析主要基于伯努利方程和流體的連續(xù)性方程推導得到簡單隧道結構形式下活塞風速的理論計算公式[7]。另外，一些學者基于SES和CFD商業(yè)軟件通過數(shù)值分析得到活塞風的變化規(guī)律和形成機理[8-10]。

本文以廣州地鐵某站及某中間風井（均取自最高時速100km/h的線路）為研究對象，對車站以及區(qū)間風井風道內的活塞風速進行了現(xiàn)場測試，研究了列車運行對活塞風道內風速變化的影響，為地鐵隧道結構安全設計及優(yōu)化提供試驗參考依據(jù)。

1 活塞風的形成原理及隧道內風井結構

1.1 活塞風的成因

圖1 活塞風的形成過程

列車在隧道內運行時，由于列車所排擠的空氣空間上受到隧道壁的限制，不能全部繞流到列車后方，有部分空氣會被列車向前推動，順著列車運行的方向向前流動，被排除到隧道出口外，而列車尾部后方的區(qū)域為負壓區(qū)，因此必然也會有部分進洞口處的空氣被引入隧道中，這一現(xiàn)象稱為列車的活塞效應，活塞效應所形成的氣流即為活塞風[11]?；钊L的形成過程如圖1所示。

1.2 活塞風井的構造

隧道通風系統(tǒng)是地鐵通風空調系統(tǒng)的重要組成部分，它分為區(qū)間隧道通風系統(tǒng)和車站隧道通風系統(tǒng)兩部分。它主要起到排除隧道內余熱、余濕，滿足隧道內通風換氣及溫度控制、阻塞情況下向阻塞區(qū)間送新風、火災情況下排出隧道煙氣的作用。隧道通風系統(tǒng)有單活塞風道和雙活塞風道兩種模式。單活塞風道通常只在車站出口端設置一個活塞風道，如圖2所示；雙活塞風道則是在車站的進口端和出口端分別設置活塞風道，如圖3所示。根據(jù)《地鐵設計規(guī)范》[12]，當列車在區(qū)間隧道發(fā)生火災時，應背著乘客主要疏散方向組織排煙，乘客迎著新風方向疏散。為便于有效組織排煙，需保證在區(qū)間隧道端頭的活塞風井之間不出現(xiàn)2列車同時追蹤運行的情況；若出現(xiàn)該情況，則需在兩站區(qū)間內設置中間風井。選取的區(qū)間中間風井，如圖4所示，該區(qū)間前后車站均為雙活塞通風系統(tǒng)。

圖2 單活塞風井

圖3 雙活塞風井示意圖

圖4 區(qū)間中間風井示意圖

風井系統(tǒng)一般由風閥、風道和通向室外氣體的風亭構成。風道內的風閥是活塞風離開隧道和室外風進入隧道的關鍵部件。為了控制活塞風道的啟閉，在軌行區(qū)和風道之間會設置一道風閥。此外，有的風井系統(tǒng)為了便于控制空氣的流動方向，將其引入其它風道，會在風井內設置第二道閥門，如圖5所示。

圖5 風井內風閥的布置圖

2 活塞風道風速的現(xiàn)場測試

2.1 測試方案

風道風速測試方案如圖6所示，在相應的測點上安裝超聲波風速儀，通過信號調理及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用數(shù)據(jù)采集軟件和數(shù)據(jù)分析處理軟件，得到相應的風速變化曲線。

圖6 測試方案

2.2 測試儀器

本次現(xiàn)場測試選用型號為MODEL 8100 UCTRASONIC ANEMOMETER的超聲波風速儀，該風速儀可同時測量三個方向的風速，如圖7所示。風速儀測試范圍為0～40m/s。風速小于30m/s時精度為±0.05m/s。

圖7 超聲波風速儀

2.3 測點布置

本次測試一共選擇了五個測點，分別為車站進站端活塞風道第一道閥門后（測點1），前一站站出站端活塞風道第一道閥門后（測點2），右線中間風井第一道閥門后（測點3），左線中間風井第一道閥門后（測點4），左線中間風井第二道閥門后（測點5），具體測點的布置圖如圖8和9所示，其中車站出站端活塞風道第一道閥門后測點2與測點1相對應，區(qū)間右線中間風井第一道閥門后測點3與測點4相對應。

圖8 某站進站端活塞風道第一道閥門后（測點1）示意圖

圖9 左線中間風井測點4、5示意圖

由于氣流通過活塞風閥時并不是均勻分布的，為了減小流動不均勻性帶來的測試誤差，本次測試中在活塞風閥上部選取5個測點，使用超聲波風速儀連續(xù)測試半個小時，然后通過取平均值來得到活塞風速。測點布置如圖10所示。

圖10 活塞風閥上方風速測點布置

3 測試結果分析

3.1 某站進出站端風井活塞風道內風速

車站進站端和出站端活塞風道內的活塞風速測試結果分別如圖11，其中，正的風速表示空氣由軌行區(qū)流入活塞風道，負的風速表示空氣由活塞風道流入軌行區(qū)。從圖中可知進站端活塞風道內最大正的活塞風速為3.5m/s，最大負的活塞風速為3.1m/s，出站端活塞風道內最大正的活塞風速為2m/s，最大負的活塞風速為2.3m/s。

測點1和測點2的風速變化周期和變化趨勢相一致，但是測點2的風速更小。列車經過進站端風井后，逐漸減速進站，列車前端空氣不再受力，再加上傳播過程中的損耗，因此風速有所下降。

3.2 中間風井活塞風道內風速

區(qū)間左右兩線活塞風道內的活塞風速測試結果分別如圖12和圖13所示。其中，正的風速表示空氣由軌行區(qū)流入活塞風道，負的風速表示空氣由活塞風道流入軌行區(qū)。從圖中可知右線活塞風道內第一道風閥后最大正的活塞風速為5.7m/s，最大負的活塞風速為4.6m/s；左線長通道內最大正的活塞風速為4m/s，最大負的活塞風速為7m/s，左線活塞風道內第二道風閥后最大正的風速為5.4m/s，最大負的風速為6.6m/s。

圖12 區(qū)間右線中間風井第一道風閥后（測點3）活塞風速

圖13 區(qū)間左線中間風井活塞風速

測點4與測點3相對比，風速變化周期和變化規(guī)律一致但風速幅值有較大差異，說明左右線隧道結構的不同會對活塞風速會產生一定影響。測點5的最大正風速大于測點4，而最大負風速要小些。通過對比車站活塞風井和區(qū)間中間風機內風道的風速，中間風井內風道的風速更高，這是由于列車通過中間風井處的速度更高而造成的。

4 結論

通過對地鐵車站及中間風井的活塞風道內風速的現(xiàn)場測試，可得如下結論：

（1）車站出站端活塞風道內的正、負風速最大幅值均低于進站端，進站端風井活塞風道內最大正風速為3.5m/s，最大負風速為3.1m/s。

（2）相比于車站進出站端活塞風井，中間風井內風道的風速更高，最大正風速為5.7m/s，最大負風速為7m/s。

（3）由于風速與風道風壓是同時測量的，從測試結果的時間對比來看，風速變化與壓力變化是同步的。

（4）區(qū)間左右線中間風井活塞風道內風速變化周期和變化規(guī)律一致，但風速幅值差別較大，這是由于隧道結構造成的。

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Field Measurement and Analysis of the Wind Speed of the Air Passage at the Airshaft for Subway

Zhang Yue1Zhang Qiang1Bi Haiquan2Yang Xiao2

( 1.Guangzhou Metro Design & Research Institute Co., Ltd, Guangzhou, 510010;2.School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

The piston wind generated by the train running in the tunnel present a regular periodic change with the train operation. Due to the higher speed of trains and higher operating frequency, the piston wind has a long-term effect on the equipment in the tunnel and the air passage. It brings safety issues that cannot be ignored. For A Station and the middle airshaft during two stations along Guangzhou Metro, the velocity at the airshafts is tested and the change characteristics are obtained. The results show that the maximum amplitudes of the wind speed of the airshaft at the exit are lower than those at the entrance for the Station; compared with the airshaft set at the station, the wind speed in the middle airshaft is higher, with a maximum positive value of 5.7 m/s and a maximum negative value of 7 m/s. The change trend of the wind speed of the middle airshaft at the right and left track line is the similar, but the amplitudes are the different.

Field measurement; Subway; airshaft; wind speed

U451

A

1671-6612（2020）04-463-05

張 悅（1979.10-），女，本科，高級工程師，E-mail：31649391@qq.com

2020-03-27