(广州地铁设计研究院有限公司，广东广州510010)
摘要：随着地铁列车的提速，隧道内空气压力变化问题将会变得越来越严重。只有在项目初期进行压力波的研究，才可以达到最高的成本效益。当线路开通运营后再进行调整，增加各种泄压系统的成本及难度将非常大。降低车速可能是唯一的方法。广州地铁二十一号线为最高时速120km/h的高速轨道交通线路，区间盾构标准断面5.4m，隧道通风系统根据线路资料、列车资料、行车追踪情况及其他边界条件，运用SES、ThermoTun等隧道压力波分析软件，进行多次地铁快线隧道瞬变压力缓解措施专题研究，形成了适合本工程的压力缓压措施，有待线路运营后的检验。本文将对工程中采取的压力缓解措施进行简要介绍。
关键词：地铁；快线；渐扩段；中间风井；联络通道；泄压风管；压力变化率
1工程背景
广州地铁二十一号线为最高时速120km/h的高速轨道交通线路，线路全长约60.8km，其中地下线长约41.3km,高架线长约19.5km；平均站间距约3.86km，最大站间距7.28km，最小站间距1.41km，区间盾构标准断面5.4m。线路依次经过萝岗区、增城市，止于增城市荔城区增城广场，二十一号线站间距均比较大，为满足防灾及隧道内换气次数的要求，在长区间设置了断面较大的中间通风井，当列车高速通过中间通风井时，及多次在地下线路与高架线路间转换，频繁高速进出地下区间，空气流通有效断面的变化必将引起地铁内空气压力波的变化，必然引起车体内外压力产生连锁变化，从而恶化乘车环境，降低了乘车的舒适性。
2研究目的及必要性
地铁列车在隧道内高速行驶通过面积突变处时，引起的空气动力学现象主要是压力波，其是造成列车内司乘人员耳鸣、耳痛等不适问题的直接原因[1]，根据以往线路经验，列车最高运行速度目标值提高到120km/h后，常规密封条件下隧道面积突变处，地铁通用内径5.4m已不能满足舒适度的要求。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，采取措施降低压力变化，提高人体舒适度。
3压力控制标准及缓解措施
3.1压力控制标准
鉴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[2]，而该系统的土建、速度、列车外形等参数均与广州地铁相仿，所以，广州地铁二十一号线的压力控制标准采取与美国地铁标准一致，即：当压力变化绝对值≤700Pa时，在1.7s内隧道内的压力变化应≤700Pa；当压力变化绝对值＞700Pa时，压力变化率必须＜410Pa/s。香港地铁亦采用美国的压力控制标准。
3.2压力缓解措施的前期研究
根据以往线路经验，最高运行速度目标值提高到120km/h后，常规密封条件下，地铁通用内径5.4m，在隧道面积突变处已不能满足舒适度的要求。目前国内常用高速地下轨道线路保证舒适度的措施主要为以下几种：扩大隧道断面、提高列车密封指数、入洞口设喇叭状渐扩缓冲段、上下行隧道联络通道以及对中间风井的处理措施[3][4][5]。
结合二十一号线的工程特点，隧道断面已确定为5.4m，无扩大条件；提高列车密封指数措施也能够解决速度目标值提高到120km/h的车内乘坐人员的舒适性，优点是不增加建设投资。缺点是提高地铁列车的制造成本，也存在一定的技术风险；另一方面在地铁运营过程中增加维护成本与难度，并且应该制定维修标准及日常监测手段。因此，隧道压力缓解措施主要执行后三种措施[6]。
全线隧道通风系统SES模拟计算结果表明，列车以120km/h时速入洞时，车头处压力变化达到803Pa/s；列车经过中间风井时，车头处压力变化达到729Pa/s，均超过410Pa/s的标准。为缓解入洞及中间风井等隧道断面突变处的压力变化率，考虑在入洞口处设置长度为100米，断面为2倍标准断面的渐变段，在中间风井处设置长度为30米，断面为1.5倍标准断面的的渐变段，如图1，图2所示。
图2中间风井处压力缓解措施示意图
Figure.2Pressurediagrammeasureseaseairshaft
模拟计算结果表明，采取压力控制措施后，入洞口处车头压力变化率下降为341Pa/s；在中间风井设置渐变段且关闭活塞风道后，列车经过中间风井时车头处压力变化率为406Pa/s，满足控制要求。
需要指出的是，由于中间风井处考虑土建投资的原因，只设置了30m长的渐变段，并不能很好的解决压力变化率过高的问题，因此，建议中间通风井的位置在按《地铁设计规范》设置的同时，应考虑结合实际线路条件，设置在列车运行速度相对较低的位置附近为宜。此外，当初近期或远期非高峰时段，行车对数及客流较少时，可考虑并闭中间风井的活塞风道，以缓解列车经过中间风井时的压力突变。
联络通道也能引起气压的波动，但同时也能起到一定的减压作用。当上下行列车同时到达联络通道处时，会发生更复杂的气压抵消或叠加作用。
3.3压力缓解措施的优化及补充
为进一步论证前期研究成果，提请香港柏诚基于线路布置、最高行车速度120km/h、指定的运行速度图、隧道通风井及渡线安排等最新数据，对压力缓解措施作进一步优化及补充。研究中所使用的是目前世界上最先进的隧道压力波分析软件ThermoTun。ThermoTun已用在国际上绝大部分高速铁路、地铁提速的设计上。研究中香港柏诚采用1500Pa/3s作为低标准、800Pa/3s作为高标准来衡量压力舒适度[7]。
研究结果表明：压力变化值比较大的地方出现在高速越行站、隧道洞口及中间风井位置。前期隧道通风系统配置的部分区间未满足低于1500Pa/3s的标准。全线区间隧道的最大压力变化值位于靠近神舟路站的盾构区间，因此车站为高速越行站，列车最高以120km/h驶过车站，复杂的断面变化及活塞风井的影响造成了压力的突变，此处最大压力变化值为1775Pa/3s。因此，神舟路站需要实施压力缓解措施，即在行车出站端设置100m隧道渐变段，如图3。在采取措施后，神舟路站压力变化率，控制在标准范围内。
图3神舟路站压力缓解措施示意图
Figure.3SchematicdiagramofpressurereliefmeasuresoftheShenzhouRoadStation
为缓解员村~水西、水西~金坑穿山隧道内瞬变压力，研究中引入了泄压风管的措施，考虑建设成本及运营时的控制，泄压风管建议安装在隧道联络通道上的空间。由于空间，压力反射及其他隧道通风系统的问题，泄压风管的面积不宜太大，面积宜按0.4~0.8m2控制。泄压风管安装位置示意图如图4所示。在对联络通道位置进行调整并增加泄压风管后，上述隧道段压力变化率均达到低标准；除个别位置外，其他位置均达到高标准。
图4泄压风管安装位置示意图
Figure.4Schematicdiagramoftheinstallationpositionoftheventpipe
此外，项目还对两车交会在同一泄压风管时候对泄压风管改善压力舒适度的影响进行了研究，研究结果表明，两车交会对泄压风管的影响幅度有限，影响范围有限，因此认为对压力舒适度高峰的影响几率很低，幅度很低，可以忽略不计。本线压力缓解措施的前期研究、优化及补充措施，均已经或正在指导工程实施，措施的有效性有待于工程的检验。
4结论
随着地铁列车的提速，隧道内空气压力变化问题将会变得越来越严重。只有在项目初期进行压力波的研究，才可以达到最高的成本效益。当线路开通运营后再进行调整，增加各种泄压系统的成本及难度将非常大。减低车速可能是唯一的方法。
地下区间入洞及中间风井等隧道断面发生较大变化处，压力变化波动剧烈，应采取一定压力缓解措施，对于120km/h时速运行的地下线路，在考虑土建投资与效果后，可采用5.4m直径隧道，同时在入洞口处设置100m的渐扩段，在中间风井处设置前后各15米的渐扩段，且同时配合采取入洞及过中间风井时适当降低车速、当行车速度较低且客流较少时，关闭中间风井活塞风阀，合理设置联络通道位置，设置泄压风管等措施，保证乘客舒适性。
参考文献
1列车空气动力学.田红旗,2007.
2高速铁路隧道空气动力学.梅元贵,周朝辉,许建林,2009.
3隧道通风系统研究与优化设计.北京:中国建筑工业出版社,2013.
4广州地铁三号线列车车厢及隧道内气压波动的测试研究报告,2007.
5广州市轨道交通三号线北延段隧道内压力变化研究报告,2008.
6广州地铁地下区间高速列车压力变化趋势研究报告,2012.
7广州地铁二十一号线地下快线压力控制穿孔措施研究专题研究报告,2013.