地鐵快線隧道內空氣壓力波控制技術方案與效果

楊 寧

(深圳市市政設計研究院有限公司，518000，深圳//高級工程師)

隨著城市規模的擴大，城市居民出行對地鐵列車運行速度的要求不斷提高，而在隧道中提高列車運行速度會產生空氣壓力波問題。列車在隧道內運行時，當隧道截面發生變化，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空氣壓力發生變化，產生壓力波動，這種壓力波動以聲速傳播，在隧道內形成反射波，產生一系列復雜的空氣動力學效應[1]。在通常的地鐵隧道中，當地鐵列車運行速度超過100 km/h時，這種壓力波動會有明顯的增加，需要在設計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空氣壓力波控制問題的工程設計尚處于探索階段[3-6]，并無完善的設計方法和設計標準。因此，地鐵快線隧道內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中的1條西部快線，其設計速度為120 km/h，采用8輛編組A型車，于2010年開工建設，2016年6月28日正式開通運營。11號線是當時國內首條采用A型車且設計時速為120 km的線路。11號線全長51.936 km，起始站為福田站，終點站為碧頭站。本文在收集國內外相關標準的基礎上，經反復比選，確定了適用于11號線的壓力舒適度標準；運用仿真模擬等手段對壓力波控制的工程技術方案進行了比較分析，并結合國內外類似案例的工程經驗確定了最終方案；最后在11號線開通運營后，對隧道內的空氣壓力波進行了現場實測和驗證。

1 壓力舒適度標準的研究

1.1 國外采用的壓力舒適度標準

迄今為止，國際上并沒有一個統一的列車運行壓力舒適度標準。部分國家及研究機構采用的壓力舒適度標準如表1所示。

表1 國外列車運行壓力舒適度標準

1.2 國內采用的壓力舒適度標準

目前，國內采用的壓力舒適度標準有：

(1) 鐵建設[2005]140號文件《新建時速200～250 km客運專線鐵路設計暫行規定》。對于非密閉性列車，可采用3 s內壓力變化不超過3 000 Pa的標準。

(2) 鐵建設[2007]88號文件“關于印發《鐵路隧道設計施工有關標準補充規定》的通知”。該規定中關于客運專線隧道設計壓力舒適度標準如表2所示。

表2 我國客運專線隧道設計壓力舒適度標準

(3) GB 50157—2013《地鐵設計規范》。該標準規定，當隧道內空氣壓力的變化值超過700 Pa時，Δp/Δt不得大于415 Pa/s，其適用于列車最高運行速度不超過100 km/h的地鐵工程。

1.3 乘客對壓力波的生理適應性

(1) 不同空氣壓力變化值下乘客的典型生理癥狀。空氣壓力波動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調查。國內高速鐵路遂俞試驗段長48.695 km，其中隧道18座，隧道長度占線路長度的比例大于25%。通過在動車組上對乘客不適程度調查表明：當3 s內最大壓力變化為1 880 Pa時，受訪乘員中有較明顯耳痛感覺的占43.7%；當3 s內最大壓力變化為1 710 Pa時，受訪乘員中有較明顯耳痛感覺的占37%；當3 s內最大壓力變化為1 410 Pa時，受訪乘員中有明顯耳痛感覺的占20.7%；當3 s內最大壓力變化為450 Pa時，受訪乘員中不再有明顯耳痛，略有不適的占17%。

1.4 11號線壓力舒適度標準

11號線是1條設計運營服務水平較高的區域快線，采用8節編組(含2節商務艙)。其舒適度標準應與其服務水平相適應，經研究確定壓力舒適度標準為3 s內不大于800 Pa。

2 采用的工程技術方案

采用隧道壓力波分析軟件ThermoTun進行仿真模擬。根據仿真模擬分析，結合工程條件，在工程設計中采用了以下4類工程技術方案。

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

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

(3) 左右線之間設置泄壓口：為減少工程實施難度，利用聯絡通道在左右線隧道之間設置泄壓口中。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，有效面積系數為0.8)，具體位置如表6所示。泄壓口設置電動風閥及重力式防煙防火閥。電動風閥采用220 V電源，正常運行時常開，事故情況下關閉。電動風閥由動照供電，且由綜合監控系統或火災報警系統負責將開關狀態反饋至控制室。

表4 11號線區間隧道洞徑情況匯總

表5 11號線隧道洞口明挖區間斷面增大情況匯總

表6 11號線區間左右線之間設置泄壓口情況匯總

(4) 過渡段采用泄壓措施：在過渡段設置連續通風口泄壓。地下區間與高架區間過渡段采用封閉式結構，在結構側面和頂部采取泄壓措施。兩側側墻上均設置通風百葉，最低高度滿足防淹及區間綜合管線的要求；兩側各設置14個通風百葉，開孔尺寸為1.5 m×6.7 m，總面積為280 m2。不具備側面通風條件時，在頂部設置風口18個，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 實測效果分析

2016年6月初，在11號線開通運營前，對列車內的壓力變化情況作了實測。壓力測試系統如圖1所示。

圖1 壓力測試系統原理圖

根據現場條件和列車車廂內壓力波動的特征，在車廂內布置3個測點，高度為距車廂地面1.5 m。測點布置如圖2所示。

圖2 車廂內測點布置示意圖

圖3～5是全線(福田站—碧頭站方向)列車車廂3 s內壓力變化值，測點測試時間共計55 min，其中每隔0.173 s采集1個壓力數據。測試結果表明，列車從起點福田站啟動約110 s后，車廂內壓力波動達到第一個波峰，車頭測點3 s內壓力變化值為655 Pa，中間測點3 s內壓力變化值為546 Pa。第二個波峰出現在寶安站—碧海站區間，車頭測點3 s內壓力變化值為562 Pa，車尾測點3 s內壓力變化值為614 Pa，車中測點3 s內壓力變化值為540 Pa。全程壓力波動峰值均出現在列車高速運行區(運行速度為115 km/h)及區間風井位置，第一個和第二波峰區間均采用普通5.4 m盾構，未采用加大斷面措施。全程壓力波動值低于控制標準線，即3 s內壓力變化值為800 Pa。

圖3 列車車頭測點3 s內壓力變化圖

圖4 列車車尾測點3 s內壓力變化圖

圖5 列車車中測點3 s內壓力變化圖

4 結論

11號線于2016年6月28日開通運營至今，部分乘客能夠感知耳壓的變化，但沒有關于耳痛問題的投訴，說明壓力舒適度采用3 s內壓力變化值800 Pa的標準對地鐵快線系統是比較適宜的。11號線采用了擴大隧道斷面、左右線之間設置泄壓口以及在過渡段設置連續通風口泄壓等措施以緩解壓力波動。

(1) 擴大隧道斷面最為有效。當列車運行時速為115 km時，隧道斷面擴大20%，最大空氣壓力變化值約降低23%。在實測中，壓力波動的峰值未出現在大斷面區間。

(2) 區間隧道左右線之間采用泄壓口控制技術，對緩解壓力波動行之有效。本工程不單獨設置泄壓口，利用區間聯絡通道作為泄壓口，實施簡單且造價低廉。

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