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文档简介
1、地铁隧道压力变化的分析与计算中交第四航务工程勘察设计院有限公司摘要木文分析了地铁隧道压力波的产牛和影响,介绍了国内外部分国家和地区 的压力波动控制标准,并通过模拟计算,得出在5.4米盾构隧道和6m盾构隧道 中,列车在不同运行速度、气密性条件下车头、车尾的压力波动数据。关键词 地铁隧道压力阻塞比气密性1地铁隧道压力波的产牛和影响当地铁列车在区间隧道中运行时,列车前方的空气受到挤压,空气压强 骤然增大而形成压缩波并向周围传播,导致隧道内部及列车车体表面的压力产牛 变化,进而车体表面的压力波动变化随之传播到车内,当车内压力波动超过一定 值后,将对车内乘客的牛理产牛不良影响,这一现象称之为隧道空气动力
2、学效应。根据己有的研究成果,列车行驶速度和阻塞比(列车横截面积与地铁净 空断面积的比值)是影响地铁隧道压力变化最主要的两个参数。随着列车行驶速 度的提高,为了满足压力变化要求,应逐渐减小阻塞比,高速铁路隧道设计中一 般将阻塞比控制在0.230.12。相对而言,地铁的运行速度比较低,一般小于 100km/h,此时的空气动力学效应并不明显,但地铁的断面积比较小,一般情况 下国内地铁盾构区间的直径为5400mm,其有效断面积约为21.3m2,阻塞比比 较高,在这种情况下,列车速度的微小提升,都会产牛较大的空气动力学效应。同时,当地铁车站间距比较大时,为满足防灾及隧道内换气次数的要求, 在长区间需设置
3、断面较大的中间通风井,当列车高速通过中间通风井时,空气流 通有效断面的变化必将引起地铁内空气压力的波动,频繁的压力变化必然引起车 体内外压力产牛连锁变化,从而恶化乘车环境,降低了乘车的舒适性。鉴于以上的原因,必须对列车高速行驶在长区间的压力变化情况进行研究,在一 定的条件下,降低压力变化,提高人体舒适度。2压力波动控制判定标准1)国外地铁或高速铁路压力控制标准介绍表1列出了部分国家及地区的地铁或高速铁路的压力控制标准:2)国内高铁压力控制标准在我国高铁,自广深线准高速列车开行以来所带来的气密性问题,给了 我们一些感性认识。许多专家学者已开始研究高速列车的气密性问题,试图通过 试验研究来确定高速
4、列车必要的人体舒适度评价标准。2005年5月,我国第一 次进行了 200km/h等级遂渝线隧道空气动力学试验。在该试验基础上,参考国 外标准于2006年对列车通过隧道吋车厢内气压变化提出了初步考核意见:单线 隧道小于800pa/3s;双线隧道小于1250pa/3so3)广州地铁三号线的压力控制标准由于我国针对地铁压力控制尚无标准,只能通过类比借鉴国外的标准执 行。根据资料,美国的环控设计手册中地铁压力控制标准,是根据美国bart系 统的基础上研究得出的,而该系统的土建、速度、列车外形等参数均与广州地铁 的相仿,所以,广州地铁三号线的压力控制标准采取与美国地铁标准一致,即压 力变化幅值&
5、lt;700pa/1.7s,压力变化率<410pa/so同时,香港地铁亦采用美国 的压力控制标准。本文中评价标准采用美国标准,与广州地铁三号线一致。3隧道空气动力特性分析地铁列车高速进入隧道时、在隧道内高速行驶通过中间风井、横通道等 面积突变处吋,都会引起空气压力变化,可造成列车内司乘人员耳鸣、耳痛等不 适问题,同时,空气阻力增加,增加列车运行能耗。3.1隧道压力波的主要影响因素隧道压力波变化是造成司乘人员耳朵不适的直接原因,其变化规律较复 杂,根据国内外的研究结果,隧道压力波的主要影响因素是阻塞比、列车速度、 隧道壁面粗糙度及辅助结构物形式(隧道口缓冲结构、通风通道、隔墙)等。
6、隧道 压力波与阻塞比成正比,与列车速度的平方成正比。其中,阻塞比的选取将影响土建的规模。1)盾构直径与阻塞比关系阻塞比是车辆截面积与行车隧道有效截面积(扌ii除轨道冋填面积、管线 面积后的净面积)之间的比值,a型车计算截面积约为10.3m2, b型车计算截面 积约为9.7m2o表2列举了几种盾构隧道内径与a、b型车之间的阻塞比。 表2盾构直径与阻塞比关系表2)竖井、横通道对隧道压力波的影响国外研究表明,隧道内合理布置竖井、横通道可以有效减缓列车进入隧 道时的压力波,两者减缓压力波动的原理是类似的,图1表示了列车以140km/h 速度通过设置了一个竖井的隧道,开关竖井吋,隧道内某一点的压力波特性
7、的对 比;图2表示了列车在有无横通道吋,进洞的压力波特性对比。由两图可知,设 置了竖井、横通道可大幅降低压力波幅值,但同时也由于竖井、横通道的存在, 当列车通过竖井、横通道时将产生新的压缩波或膨胀波,压力会急剧变化,因而 又加剧了压力波动。3)隧道净空面积突变对隧道压力波的影响根据资料显示,与净空面积恒定的压力波动相比,净空面积突变的隧道 压力波峰值下降,并随净空面积增大峰值下降幅度越大。3.2车内压力波的主要影响因素车内压力波动主要受列车气密性影响,随着气密性的增加,车内压力的 变化趋于缓慢。列车气密性用静态时间常数定义,其定义公式如下:车速(km/h) 100 120最大压力峰值(kpa)
8、 2.55 3.38最大负压峰值(kpa) 1.37 1.96根据计算,车头全过程处于正压状态,车尾全过程处于负压状态;同吋,车头正 压峰值远大于车尾负压峰值。2)车内车头在不同车速、不同车辆密封性的压力数据如下表所示:表5车内车头在不同车速、不同车辆密封性的压力峰值4) 小结:在5.4米盾构内径隧道的情况下,只有当车速为100 km/h,车辆气密指数为二3s 吋,列车运行满足标准要求,其余均不满足要求。因此,在不特殊要求车辆密封性能的情况下,列车最高速度为120 km/h吋,5.4 米内径盾构隧道不能满足列车运行压力控制标准。4.3.2 6米盾构内径隧道列车最高速度120 km/h不同密封性
9、车内外压力波动和车内压力变化。1) 车内车头在不同气密指数下压力峰值:表8车内车头压力峰值计算工况压力值120 km/h气密指数(二0.5s)最大压力峰值(kpa) 1.73最大负压峰值(kpa) -0.51气密指数(=3s)最大压力峰值(kpa) 1.28最大负压峰值(kpa) -0.472) 车内车头在不同车辆密封性的最大压力变化数据如下表所示:表9车内车头最大压力变化计算工况压力变化数据120 km/h气密指数(=05s)压力变化幅值(pa/1.7s)1360压力变化率(pa/s) 900气密指数(=3s)压力变化幅值(pa/1.7s)520压力变化率(pa/s) 3103)小结:在6米
10、盾构内径隧道的情况下,当车速为120 km/h,车辆气密指数为 二3s吋,列车运行满足标准要求。因此,即使在车辆气密性能较差的情况下,列 车最高速度为120 km/h时,6米内径盾构隧道满足列车运行压力控制标准。5结论根据计算数据的分析,可得以下结论:1)当列车最高速度为100 km/h,盾构内径为5.4米、车辆气密指数为二3s (车辆 气密性能较差)时,列车运行满足标准要求。2)当列车最高速度为120 km/h,盾构内径为6米、车辆气密指数为二3s (车辆气 密性能较差)时,列车运行满足标准要求。2、解决隧道内空气压力波动问题的措施根据以上对隧道内压力波动的特性分析、计算数据的分析,解决隧道内空气压力波动问题的措施有:1)加大隧道断面:2)提高车辆的气密性参考文献1王韦;陈正
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