宋劍偉

（深圳市地鐵集團有限公司，廣東深圳518026）

軌道交通作為我國城市公共交通的一種重要運輸方式，其運量大、速度快、全天候的特點已經(jīng)成為人們?nèi)粘３鲂械膬?yōu)選方式。各大城市鼓勵優(yōu)先發(fā)展軌道交通，通過拓展和完善城市軌道交通運輸網(wǎng)絡(luò)，可以有效疏通交通流量，解決城市交通擁堵問題［1］。地鐵作為軌道交通主要的實現(xiàn)方式，其建設(shè)要求已經(jīng)逐漸從節(jié)能、環(huán)保、安全的層面提高到滿足乘客舒適性、提供更優(yōu)質(zhì)服務(wù)的層面，隨著乘客對服務(wù)質(zhì)量要求的提高，提高乘客舒適性迫在眉睫［2-3］。

1 研究背景

目前“一小時都市圈”的城市發(fā)展目標，設(shè)計速度為80 km/h的地鐵速度等級已經(jīng)逐漸不能滿足城市覆蓋范圍要求，隨著設(shè)計速度100 km/h、120 km/h等較高速度等級地鐵的建設(shè)，一些在低速下被忽略的地鐵隧道空氣動力學(xué)問題逐漸暴露出來。地鐵列車在高速運行時，由于外界空間環(huán)境的改變，導(dǎo)致列車客室壓力瞬間發(fā)生較大變化，引起乘車人員出現(xiàn)耳鳴、耳痛等不適，影響了乘車舒適度，并且對列車的安全性具有潛在危害［4-5］。

某城市新建地鐵線路列車最高速度100 km/h，全線集高架線路、地下隧道、山體隧道于一體，且列車在運行過程當(dāng)中，多次進行高架—隧道線路轉(zhuǎn)換。在試運行階段，隨車人員發(fā)現(xiàn)在列車運行過程中經(jīng)過隧道區(qū)間段時存在耳鳴、耳痛等不舒適感，在前進方向為正方向的尾車車門附近區(qū)域能夠聽到明顯的嘯叫聲，并且尾車個別車門中間膠條下端出現(xiàn)短暫抖動分離現(xiàn)象。通過觀察分析，判斷該現(xiàn)象為列車在經(jīng)過高架—隧道線路情況變化、隧道斷面突變運行時，車輛內(nèi)外壓力變化引起的不適，并造成客室車門穩(wěn)定性下降。上述現(xiàn)象將會對乘坐體驗造成不良影響，并且列車高速運行中列車尾端門頁持續(xù)閃縫震動影響部件壽命。文中通過對此問題進行討論研究，分析了產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因，并提出了改善建議。

2 空氣動力學(xué)評價分析

作為有限空間內(nèi)的細長體繞流問題，隧道中運行的地鐵列車在空氣動力學(xué)方面其流場結(jié)構(gòu)復(fù)雜，車外壓力波動性明顯，且可通過車體孔縫致使車內(nèi)壓力變化，引起人體對壓力變化的感知，極大程度影響了乘客的舒適性。

2.1 壓力舒適度及壓力變化評定標準

因個體差異性的存在，每個人對空氣壓力變化的感受不同，即使同一個人在同樣的空氣壓力變化情況下，由于健康狀態(tài)、環(huán)境感受、身心狀態(tài)等體感、情感因素的改變，仍然會有不同感受。同時，人耳在感受空氣壓力升高方面尤為敏感，特別對于升降大而緩慢的變化更為明顯，這些人體所感受到的壓力舒適度變化歸結(jié)于空氣波動幅值的大小。

當(dāng)客室內(nèi)壓力變化率超過一定限定值時，會引起乘車人員耳部不適，降低乘車舒適度。通常，一個健康的人在承受1 000 Pa/s的壓力波動的情況下，耳部生理癥狀不會產(chǎn)生嚴重影響［6］，對于長時間經(jīng)受高變化率壓力波動的司乘人員，還可能會對耳部功能造成不可逆的傷害。因此，國內(nèi)外在空氣壓力變化對人體舒適度造成的影響展開過不同程度的研究，并且對于壓力變化的研究成果也制定了不同的評價標準［2］。一些發(fā)達國家通過壓力變化幅值和壓力變化率來進行評價，制定了適合本國人群的指標，見表1。國內(nèi)在借鑒國外研究成果的同時，經(jīng)過一定的試驗和經(jīng)驗，在部分標準中對這2項評價標準作出規(guī)定，見表2。

表1 國外車內(nèi)壓力控制標準

表2 國內(nèi)部分車內(nèi)壓力控制標準

2.2 空氣壓力波動理論分析

由列車縫隙傳入列車客室內(nèi)部而產(chǎn)生的壓力波動，造成了車內(nèi)人員的不適［7-8］。因此，通過泄漏模型對列車密封效果的研究，可以對列車內(nèi)部壓力變化率進行數(shù)值計算。

利用線性原理，假定列車內(nèi)部壓力變化率與列車內(nèi)外壓差成正比，為式（1）：

式中：Pin為列車內(nèi)部壓力，Pa；Pe為列車外部壓力，Pa；τ為列車密封指數(shù)，s；Δt為時間長度，s。密封指數(shù)τ指在封閉車廂內(nèi)充至指定壓力降至目標壓力所需的時間，時間越長密閉性越好，可經(jīng)泄漏試驗測得試驗數(shù)據(jù)。

同時，根據(jù)目前現(xiàn)有研究成果［6，9］，列車車體外表面壓力變化幅值可通過計算關(guān)系式：

式中：ΔP為列車車體外表面壓力變化幅值，Pa；ρ為空氣密度，kg/m3；v為列車運行速度，m/s；β為阻塞比。

通過上述兩個計算公式可知，列車客室空氣壓力變化率與列車外部壓力成正比，與列車密封指數(shù)成反比；列車車體外表面壓力變化幅值與列車阻塞比成正比，與列車速度的平方成正比。

由此可知，通過減小列車外部壓力、改善列車密封性、減小阻塞比、降低列車速度等方面進行控制，可以改變列車內(nèi)部壓力變化率和列車車體外表面壓力變化幅值，進而提高乘車舒適度［7-8，10］。

3 線路試驗分析

針對此新建地鐵線路在試運行階段存在的引起人員耳部不適的現(xiàn)象，為了能夠準確掌握列車在不同條件下客室壓力的變化情況，為了能夠準確分析影響因素及提出改進措施，對此選取列車進行試驗測試。

3.1 測點布置

為了準確分析列車內(nèi)外壓力變化，在選定列車的1車、2車、6車內(nèi)部，1車、6車的司機室側(cè)窗（雙側(cè)）、2號門（雙側(cè)）、5號門（左側(cè)）、新風(fēng)口及廢排口，2車2號窗（雙側(cè)）進行測點布置，見表3。

表3 列車測點布置圖

3.2 試驗工況設(shè)置

由于本線路為已完工線路，線路阻塞比已為定值，所以通過改變阻塞比的方式進行優(yōu)化調(diào)整的方案不可行，但不影響其作為分析因素。因此，本次試驗工況的從列車速度、新風(fēng)口及廢排口的開閉、車門結(jié)構(gòu)調(diào)整作優(yōu)化對比考慮，分析各因素所產(chǎn)生的的效果如何。工況設(shè)置見表4。

表4 試驗工況設(shè)置

3.3 試驗工況對比

首先，列車以ATO模式由車站1運行至車站15，對在正常行駛狀態(tài)下的車外壓力變化進行試驗記錄。經(jīng)試驗記錄，以1車2號車門處壓力變化為例，得到車外壓力曲線如圖1所示。

圖1 1車2號門車外壓力曲線

由圖1可知，有5個區(qū)段壓力變化值較為嚴重，分別為車站1至車站2區(qū)間，車站3至車站4區(qū)間，車站8至車站9區(qū)間，車站9至車站10區(qū)間，車站10至車站11區(qū)間，并且車輛左側(cè)壓力幅值變化要大于右側(cè)壓力幅值變化。

3.3.1 阻塞比的影響

為了具體分析車外壓力突變的原因，特選取車站4至車站3區(qū)間，以工況4的方式進行進一步驗證。在此區(qū)間運行時，列車依次經(jīng)過矩形隧道（425 m）、圓形隧道（2 228 m，含通風(fēng)井）、矩形隧道（37 m）、單洞單線馬蹄形隧道（211 m）、單洞雙線馬蹄形隧道（392 m，中間設(shè)有隔墻）。發(fā)現(xiàn)車外壓力在各類型隧道區(qū)間的變化值存在差異，如圖2、圖3所示。

圖2 1車車外壓力變化值

圖3 6車車外壓力變化值

通過分析該區(qū)間隧道阻塞比發(fā)現(xiàn)，大部分阻塞比在0.48~0.5范圍（見表5），高于地鐵快線設(shè)計標準（CJJT 298-2019）中對100 km/h以上列車阻塞比標準不大于0.45的要求。通過分析壓力變化曲線可知，阻塞比對壓力變化具有一定影響。

表5 車站4至車站3區(qū)間阻塞比

3.3.2 速度的影響

以工況2和工況3作對比，在空調(diào)正常模式下，通過改變列車形式速度，對車內(nèi)最大壓力差做記錄，試驗數(shù)據(jù)見表6。

表6 速度對車內(nèi)最大壓力差的影響

由于地鐵快線設(shè)計標準于2020年3月1日起實施，本條線路建設(shè)時期早于該標準發(fā)布日期，遂根據(jù)地鐵設(shè)計規(guī)范中壓力變化率415 Pa/s的指導(dǎo)要求進行判定。由數(shù)據(jù)分析可得：在80 km/h的速度下，1車、6車均可以滿足要求，但隨著速度提高至95 km/h時，6車在2處區(qū)段不滿足要求。

3.3.3 新風(fēng)口及廢排口的影響

以工況3和工況4作對比，在速度相同的條件下，通過調(diào)整空調(diào)模式，對車內(nèi)最大壓力差做記錄，試驗數(shù)據(jù)見表7。

表7 新風(fēng)口及廢排口的開閉對車內(nèi)最大壓力差的影響

根據(jù)壓力變化率415 Pa/s的指導(dǎo)要求，由數(shù)據(jù)分析可得：在改變空調(diào)模式，關(guān)閉新風(fēng)口和廢排口可抑制車內(nèi)壓力變化，但壓力改善約10 Pa/s，效果不理想。

3.3.4 車門結(jié)構(gòu)調(diào)整的影響

以工況3和工況5作對比，在空調(diào)正常模式和相同試驗速度條件下，通過調(diào)整1車、6車客室車門結(jié)構(gòu)和車門密封膠條換型，對車內(nèi)最大壓力差做記錄，試驗數(shù)據(jù)見表8。

表8 車門結(jié)構(gòu)對車內(nèi)最大壓力差的影響

根據(jù)壓力變化率415 Pa/s的指導(dǎo)要求，由數(shù)據(jù)分析可得：通過調(diào)整1車、6車客室車門結(jié)構(gòu)，6車車內(nèi)壓力變化得到了約12%~20%的改善，數(shù)據(jù)均滿足415 Pa/s的要求。如果可以結(jié)合關(guān)閉新風(fēng)口與廢排口，可進一步改善效果。雖然車門結(jié)構(gòu)調(diào)整后的改善效果也較為明顯，但其實際調(diào)整過程中受制因素較多。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

通過試驗測試，在阻塞比確定的前提下，分析了不同速度、新風(fēng)口及廢排口開閉、車門結(jié)構(gòu)調(diào)整等條件下的車內(nèi)外壓力變化，得到以下結(jié)論：

（1）列車在局部隧道存在耳部壓迫、嘯叫現(xiàn)象，究其原因是由于隧道斷面大小的影響，引起的車內(nèi)外壓力突變，壓迫耳部；列車尾部受氣流影響，車門穩(wěn)定性降低，發(fā)生車門輕微抖動分離，造成車門密封不嚴，加劇了嘯叫聲。

（2）速度對比。在80 km/h及95 km/h速度下，1車均可滿足車內(nèi)415 Pa/s的要求，但6車受影響較大，并且隨著速度的提高，空氣動力學(xué)效應(yīng)更加明顯，變化率超標準的現(xiàn)象更加嚴重。

（3）開閉新風(fēng)口和廢排口對比。關(guān)閉新風(fēng)口和廢排口可抑制車內(nèi)壓力變化，但改善效果不明顯。

（4）車門結(jié)構(gòu)調(diào)整對比。1車、6車車門結(jié)構(gòu)調(diào)整后，車內(nèi)壓力變化改善了約12%~20%，壓力變化率滿足415 Pa/s的要求。

（5）如果以地鐵快線設(shè)計標準中壓力變化率作為判定依據(jù)，降低運行速度為最優(yōu)選擇，但可能會對增加旅行時間，且對于司機室仍然有較大影響。

4.2 建議

目前，部分影響地鐵建設(shè)的指導(dǎo)標準已經(jīng)落后于地鐵建設(shè)前進的步伐，通過后期運營方式的改善，不能從根本上解決建設(shè)過程中遺留的問題。特別是在提高人體乘坐舒適性方面，列車車內(nèi)壓力大幅度反復(fù)波動對乘車人員耳部的沖擊，不僅影響乘坐舒適性，長期可對司乘人員的身體健康造成影響。

（1）增加隧道斷面。在新建線路設(shè)計階段，要充分考慮阻塞比的影響，通過擴大隧道斷面，能夠降低空氣壓力幅值、減緩壓力波動，從根本上降低空氣動力學(xué)效應(yīng)。同時，可綜合考慮線路速度目標值、線路阻力、牽引能耗等因素，尋求建設(shè)成本與運營成本的平衡點，優(yōu)化線路設(shè)計。

（2）車輛設(shè)計優(yōu)化。地鐵列車設(shè)計主要為非密閉車輛，氣密性較低，通過結(jié)合線路設(shè)計要求，增加列車氣密性指標要求。同時，可結(jié)合改進車輛通風(fēng)口、車門結(jié)構(gòu)、密封膠條選型等措施，進一步提高列車的氣密性。

（3）區(qū)間限速運行。由于對已完工隧道進行改建的復(fù)雜性，可以通過適當(dāng)調(diào)整列車進入特定區(qū)間段的速度，犧牲一定的運行時間，以達到降低列車內(nèi)外壓力波動幅值目的，進而改善乘車舒適性。

5 結(jié)束語

通過在運營線路上的試驗數(shù)據(jù)表明，隧道空氣動力學(xué)效應(yīng)對列車客室壓力變化具有較大影響，雖然設(shè)計考慮上的不足可以通過后期采取相關(guān)措施進行改善，但是終究不能解決根本問題?？褪覊毫ψ兓斐沙塑嚾藛T耳部舒適度問題不容忽

視，應(yīng)避免由此問題帶來的健康危害。因此，針對今后快速地鐵的建設(shè)，需要總結(jié)前期問題的根本原因，為后期設(shè)計優(yōu)化提供方向，可以充分發(fā)揮快速線路應(yīng)有的價值。