張海天 陳 健

(深圳市地鐵集團有限公司 廣東 深圳 518026)

1 深圳地鐵11號線概況

1.1 工程概況

深圳地鐵11號線是深圳市規(guī)劃于2011年開工建設的西部組團快線，兼具機場快線功能，線路全長51.18 km，其中地下線長42.7 km，占線路總長的83.43%，全線共設車站12座，其中地下車站10座、地面車站2座，線路規(guī)劃最高行車速度為120 km/h。11號線的地下隧道線路可分為兩段，分別是福田—機場北及松崗—東寶河，兩段隧道中間為高架段，圖1為深圳地鐵11號線站位示意圖。

1.2 研究背景

國內地鐵一般最高運行速度為80 km/h，盾構隧道內徑5.4 m。如果列車運行速度超過80 km/h，隨著速度的提高，隧道內空氣壓力變化問題將會變得越來越大，尤其會對車上乘客的壓力舒適性及隧道結構方面造成影響。例如，廣州地鐵3號線列車最高運行速度為100 km/h，運營3年來已有乘客投訴車內壓力變化引起耳鳴等身體不適的情況。目前，國內尚無相應的規(guī)范和標準，無法對列車運行速度超過80 km/h的地鐵線路的運營舒適性及隧道的結構設計提供指導性意見。為此，對深圳地鐵11號線隧道的空氣壓力波進行研究，提出了隧道泄壓系統(tǒng)及隧道斷面設計建議，以指導下階段工程的設計工作，保證11號線列車達到120 km/h速度運行時，能提供正常舒適的乘車環(huán)境，確保地鐵及設施的安全。

圖1 深圳地鐵11號線站位

2 壓力舒適度標準

2.1 隧道壓力波的產生

當列車快速進入隧道時，其前方的空氣被推入隧道深處并受到壓縮，以壓縮波的形式、以音速向隧道傳播，在隧道不連續(xù)點發(fā)生反射。這種壓力波的傳遞和反射不斷出現(xiàn)，形成隧道中復雜的壓力波。

這種壓力變化過程引起空氣動力學效應，會隨著行車速度的提高而加劇，同時還受列車車輛的有關參數(車頭形狀、列車截面、列車表面阻力系數等)、隧道形式(隧道截面面積、隧道和道床的表面阻力系數、所有隧道通風管件的變化等)等條件的影響。

2.2 壓力波對人體的危害

壓力舒適度與凈壓力波動值及波動的頻率有關，空氣壓力波動會引起人的耳部不適。通常，一個健康的人能夠在1 s內承受1000 Pa的壓力波動，而不會受到嚴重的影響。在不同靜壓的短期變化情況下，人出現(xiàn)的典型生理癥狀如表1所示。

表1 不同壓力變化值下人的典型生理癥狀

2.3 壓力舒適度參考標準

在速度超過200 km/h的高速鐵路系統(tǒng)中，通常會采用密閉列車來降低壓力瞬時變化對車內乘客的影響。列車的密閉性能越高，列車外的壓力變化對車內人員的影響越小。但除了列車密閉性外，目前國際上還沒有一個被廣泛接受的列車乘客舒適度標準。日本新干線、德國和英國高速鐵路系統(tǒng)、美國地鐵，都從自身線路、列車狀況以及人體生理情況研究，提出了不同的壓力舒適度標準。其中，世界各地應用較為廣泛的是International Union of Railways(UIC)的壓力舒適度標準。我國也開展了壓力變化率和舒適度的相關研究，并取得了一定的成果。結合深圳地鐵11號線線路工程特征，以及對國際上相關壓力舒適度標準的分析，歸納提出了本項目研究所參考的壓力舒適度標準，見表2。

表2 壓力舒適度參考標準

3 研究采用的方法

3.1 分析軟件

本次研究采用一維數值分析法，運用蘇格蘭鄧迪大學Alan Vardy教授在20世紀70年代研發(fā)的ThermoTun軟件進行分析。ThermoTun是專門針對高速列車在隧道運行時產生的壓力波來進行分析的軟件，已廣泛運用于國際上絕大部分高速鐵路、地鐵提速的設計。ThermoTun能對不同的隧道設計進行量化分析，可以非常準確地模擬高速列車在隧道中運行時的各種空氣動力學現(xiàn)象，如壓力波的產生、反射和衰減等，還有在不同隧道設計上列車內外人員的壓力舒適度分析等。

3.2 研究路徑

基于深圳地鐵11號線前期設計確定的線路、隧道、列車、行車及通風系統(tǒng)的設計參數，利用ThermoTun軟件進行數值建模，在分析5.4 m直徑盾構隧道壓力舒適度的基礎上，進一步對直徑 5.8、6.0、6.2 及 6.4 m的盾構進行了分析，對不滿足壓力舒適度標準的地段提出改進措施;同時，考慮列車行的車間隔和不同的發(fā)車方式，分析不同情況下列車上的壓力變化，找出不滿足壓力舒適度的隧道段，提出泄壓系統(tǒng)設計方案，反復進行數值迭代模擬分析，找出可以量化且可行的泄壓系統(tǒng)方案。具體模擬分析流程如圖2所示。

圖2 壓力波模擬分析流程

4 參數輸入計算

4.1 計算輸入的參數

4.1.1 列車及行車參數

這些參數包括列車編組及車長、列車頭斷面尺寸、列車運行方式、發(fā)車數量、發(fā)車間隔、最高行車速度、列車加速度、列車減速度等。

4.1.2 隧道風井參數

這些參數包括車站端和區(qū)間風井的數量及位置、風井斷面面積及體積。

4.1.3 隧道斷面參數

這些參數包括各種形式的隧道橫斷面凈空面積(扣除道床、疏散平臺、管線等占有面積)。

深圳地鐵11號線為雙洞單線路配置，初期設計各種形式的隧道橫斷面凈空面積，估算分別為:盾構隧道(直徑 5.8 m)23.88 m2、礦山隧道 24.66 m2、明挖隧道26.64 m2。對于直徑 5.4、6.0、6.2 及 6.4 m 的盾構隧道，其橫斷面凈空面積估算分別為 20.61、24.89、27.22、29.11 m2。

在正常工況下，地鐵列車進站時減速。由于此時車站附近的車速并不高，屏蔽門上的開口面積與隧道的斷面面積相比較小，屏蔽門漏風對壓力波的影響極小，因此在模擬分析上可不用考慮。

4.1.4 隧道旁通道參數

這些參數包括隧道旁通道的數量及設置間隔情況。

4.2 計算結果及分析

4.2.1 未考慮泄壓緩解措施的模擬結果

在列車120 km/h速度運行條件下，輸入11號線前期設計確定的列車及行車參數、隧道及風井幾何參數、隧道旁通道參數，對不同直徑的盾構隧道情況進行模擬分析，結果如表3～表4所示。

表3 列車上壓力波分析結果(福田站—機場北站的隧道段)

在列車120 km/h速度的運行條件下，隧道直徑6.0 m的福田站—機場北站隧道段(表3中的工況3)最大壓力變化率模擬結果如圖3所示。

4.2.2 考慮泄壓緩解措施的模擬結果

由未考慮泄壓緩解措施而不能達標的工況模擬分析結果顯示，主要的壓力舒適度問題出現(xiàn)在列車高速駛入兩段隧道的洞口處。因此，考慮在洞口及機場北站南面第一個區(qū)間風井往南，各設置3個間隔100 m、凈面積為0.5 m2的泄壓風管，再代入參數進行模擬計算，結果如表5～表6所示。

表4 列車上壓力波分析結果(松崗站—東寶河站的隧道段)

圖3 壓力變化率模擬結果

表5 考慮泄壓措施的列車上壓力波分析結果(福田站—機場北站的隧道段)

表6 考慮泄壓措施的列車上壓力波分析結果(松崗站—東寶河站的隧道段)

5 結論及建議

1)根據《列車空氣動力學》的研究成果，在列車通過隧道、車廂內3 s的壓力變化最大為1875 Pa時，車內乘客均有不同程度的不舒適感，因此采用國內研究結果的高標準(1500 Pa/3s)作為壓力舒適度標準是較為合理的。

2)根據ThermoTun的模擬結果，深圳地鐵11號線列車以120 km/h速度運行，盾構隧道采用5.8、6.0 m的直徑時，在考慮建議泄壓措施后(本文4.2.2節(jié)中提出的泄壓措施)，最不利洞口處的壓力變化值分別為1470及1350 Pa/3s，都可以滿足建議的1500 Pa/3s的壓力舒適度要求。則如果再考慮洞口的泄壓風管改為6個0.75 m2的泄壓內管，則最不利洞口處的壓力變化值分別進一步改善為1290、1200 Pa/3s(再繼續(xù)增加泄壓風管數量，對壓力變化的緩解效果將弱化)。

考慮到深圳地鐵11號線仍處于前期設計階段，很多線路及系統(tǒng)尚未成熟穩(wěn)定及確定，在研究過程中對相關參數做了一定的假設，因此設計應該留有一定的安全余量。建議11號線盾構隧道采用6.0 m的直徑，同時在近洞口段設置6個0.75 m2的泄壓風管(每隔100 m設置1個)，在機場北站南面第一個區(qū)間風井往南設置3個0.5 m2的泄壓風管(每隔100 m設置1個)。

3)在本次研究過程中，通過三維計算流體力學(3D CFD)模擬分析軟件，對列車兩側的氣流分布及隧道內設備設施的耐壓要求進行了模擬計算分析。根據模擬結果，建議在直徑6.0 m、車速120 km/h的隧道內，設備設施應能抵受 ±6 kPa的壓力及35 m/s的風速。

4)采用高密閉性的列車對壓力舒適度有正面的影響，但主要應用在200 km/h以上的高速列車上。高密閉性列車投資大，維護要求高，在國際上無應用于地鐵的實例，因此不建議采用高密閉性的列車來提高11號線的壓力舒適度。

5)在11號線進入工程設計時，區(qū)間風井的位置和參數確定應結合通風、消防、降低壓力變化等的需要來綜合考慮。

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