地鐵區間中間風井側墻動態承壓特性研究

王麗慧 張雨蒙 張杉 高仁義

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

關鍵詞：地鐵中間風井側墻;壓力變化規律;現場實測;全壓;熱流密度

列車在長大區間隧道內運行，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。而設置于長大區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間隧道內新風量。

最近，列車運行產生的壓力波動對隧道及中間風井的影響逐漸成為人們關注的焦點。例如，車輪飛[1]采用了數值模擬的方法模擬得出了列車密封指數對車廂內瞬變壓力影響明顯，及車廂內瞬變壓力隨行車速度的增加而增加的變化規律。林世生[2]采用地鐵環境模擬計算軟件 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，在中間風井處設置前后各15m的漸擴段，可緩解列車壓力。陳波[3]總結東菀市城市軌道交通號線的設計、建設、運營，提出了擴大區間隧道斷面，提高列車氣密性的建議，以解決列車在隧道內高速運行乘客舒適度的問題。陳雅莉[4]采用數值分析方法，計算得到在不同斷面的隧道內，當列車最高速度為120km/h，車輛密封指數為t=3s時，隧道盾構內徑大于等于6m，可滿足列車運行壓力控制標準;當列車最高速度為140km/h，車輛密封指數為t=3s時，隧道盾構內徑大于等于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間中間風井地下一層側墻承壓的問題，為了填補這一研究空白，本文采用現場實測的方法，對上海地鐵某號線4個區間中間風井處的地下一層側墻（構成材料為磚墻）進行了壓力測試，分析了地鐵中間風井處地下一層側墻壓力在列車運行全過程中的變化規律和壓力最大值，作為是否需要更換此類區間側墻材料的依據，以確保地鐵列車安全運行。

1 中間風井側墻承壓機理分析與測試方案

1.1 中間風井側墻承壓構成分析

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

1.2 中間風井側墻承壓測試方案

1.2.1 中間風井側墻靜壓的測試

考慮到地鐵中間風井所處側墻房間的測試安全，墻體靜壓難以直接打孔測試得到。本文依據房間靜壓與墻體靜壓相等，分別測得區間中間風井側墻所處房間全壓與房間動壓，然后依據式（1）計算得到房間靜壓，即側墻靜壓。其中側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系，一般列車經過風井之前，正壓作用房間，而列車經過風井后，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測的預實驗基礎上，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 中間風井側墻動壓的測試

活塞風通過中間風井進出在側墻附近存在不同方向的湍流，對側墻造成動壓。側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墻，測試探頭斷面平行于墻體，僅獲得垂直于側墻的風速值數據，由式（2）計算出側墻的垂直動壓。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Q、tw、ta與換熱系數h的關系，見式（3），求得其換熱系數h;其次，再利用不同流動狀態下換熱系數h與風速uz的關系，見式（4）、式（5）和式（6），先倒推求得Re[5]數，再求得墻體表面的綜合風速;第三，結合動壓公式，由綜合風速即可計算出側墻表面承受的綜合動壓。此綜合動壓反應了不同方向風速對墻體的綜合作用。

1.2.3 中間風井側墻全壓的計算

依據上文測試所得到的靜壓與動壓，結合即可求得側墻全壓，全壓計算技術路線圖見下圖 3。

1.3 中間風井側墻承壓測試工況

本文研究的中間風井附近的側墻主要為與水平活塞風閥上側相鄰的地下一層側墻（靠近地面）。共測試4個區間中間風井側墻，其中區間1測試側墻編號為1-1至1-4、區間2測試側墻編號為2-1、區間3測試側墻編號為3-1至3-3、區間4測試側墻編號為4-1至4-3。其中測試所需儀器、儀器參數及儀器讀數間隔見下表1。以一個列車即將到達中間風井附近隧道、經過中間風井、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記錄一次數據，實測中，對4個區間內地下一層的相關各個側墻分別進行上述2-3個周期的實測研究。

2 中間風井側墻承壓實測結果與分析

2.1 地下一層側墻靜壓測試結果

如上文所述，側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，房間動壓的實測結果計算得到的房間靜壓，即側墻靜壓，并對側墻靜壓進行分析，結果曲線見下圖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;區間1中 1-2號墻正負壓變化高于其他位置側墻，2號墻最大靜壓正壓峰值接近300pa。

2.2 地下一層側墻動壓兩種測試結果的比較

圖5給出了地下一層依據熱線風速儀測試得到的垂直風速與依據對流換熱機理、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，可見在各區間列車作用周期內，代表各方向氣流對側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），綜合風速數值約為垂直風速數值的3倍，且墻體綜合風速隨列車的運行波動幅度較大。

圖6根據動壓與風速之間的計算關系式，進一步計算得到各區間列車作用周期內各個方向氣流對側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 地下一層側墻全壓測試結果

由上文求得的地下一層側墻靜壓與側墻綜合動壓，根據式（1）求得側墻全壓。側墻全壓、側墻靜壓、側墻動壓的結果曲線見下圖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;通過比較側墻全壓、靜壓、動壓可知區間中間風井處側墻動壓數值遠小于靜壓，靜壓數值略小于全壓，綜合各墻體靜壓與全壓比較得，靜壓約占墻體全壓的77%，由此可知靜壓為側墻承壓的主要部分。

3 結論

（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，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，實測地下一層側墻承壓全壓最大值約為100pa～300pa，測試各區間側墻動壓數值均遠小于側墻靜壓，側墻靜壓為側墻全壓的主體部分，側墻靜壓約占側墻全壓的77%。

（3）依據對流換熱機理、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熱線風速儀測試得到的垂直風速，綜合風速數值約為垂直風速數值的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：

[1]車輪飛.城市地鐵隧道中間風井處車箱內瞬變壓力模擬分析[J].建筑熱能通風空調，2011，30（03）：89-91.

[2]林世生.關于廣州地鐵隧道空氣動力學效應緩解措施的研究[J].隧道建設，2013，33（08）：650-658.

[3]陳波，胡文偉.東莞軌道交通2號線空氣動力學及運行舒適度的研究與實踐[J].都市快軌交通，2018，31（03）：68-77.

[4]陳雅莉，翁運飛.高速地鐵隧道壓力波分析與隧道斷面選取[J].鐵道勘察，2016，42（04）：91-94.

[5]章熙民.傳熱學[M].北京：中國建筑工業出版社，2014.