時速120 km地鐵車輛客室氣壓控制探索與實踐

鄭煉鑫，謝述武

（深圳市地鐵集團有限公司，廣東 深圳 518000）

1 研究背景

研究選擇我國某城市地鐵11號線（簡稱11號線），開通于2016年6月28日，全長51.18 km，是該城市首條最高運營時速達120 km的軌道交通快線。列車采用8節(jié)編組的標(biāo)準A型車[1-2]。憑借“高顏值”列車及海上風(fēng)景線，被譽為“高富帥地鐵”，廣受乘客好評。但開通運營后，時有乘客反映部分區(qū)段存在耳鳴的情況，影響客服體驗。

耳鳴是由于車門空氣壓力波動導(dǎo)致，11號線在設(shè)計階段，考慮到120 km/h快線可能帶來的壓力舒適性問題，參考國內(nèi)外的舒適性標(biāo)準，按照1 500 Pa/3 s的標(biāo)準進行設(shè)計。開通運營后，經(jīng)測試雖滿足設(shè)計標(biāo)準，但仍有部分區(qū)段存在導(dǎo)致乘客耳鳴的情況。

如何制定合理的氣壓舒適性標(biāo)準，以及如何在已開通線路基礎(chǔ)上改善、提高乘客壓力舒適性，成為困擾很多地鐵運營單位的問題。

2 壓力舒適性研究

空氣壓力波動可能會引起人類耳部的不舒適，通常一個健康的人能夠在1 s內(nèi)承受1 000 Pa的壓力波動而不會造成嚴重影響[3-4]。然而，對壓力舒適度的感覺因人、場所而異，通過統(tǒng)計驗證，在不同靜壓短期變化情況下，人耳出現(xiàn)的典型生理癥狀見表1。

2.1 評價方法

由于不同人對壓力舒適性的感覺差異較大，各國對壓力舒適性標(biāo)準的評價方法也不統(tǒng)一。目前，國際上對氣壓變化環(huán)境下人體舒適性評價主要有2種方法。

第一種：壓力變化幅值及壓力變化率。根據(jù)德國聯(lián)邦鐵路總局對志愿者的測試結(jié)果，對壓力舒適性的影響取決于壓力變化幅值（Pa）、上升或下降的梯度（Pa/s）、發(fā)生波動的頻繁性。并在壓力變化幅度和梯度之間繪制了舒適性標(biāo)準曲線（見圖1）。

表1 不同壓力變化值下出現(xiàn)的人耳典型生理癥狀

第二種：單位時間內(nèi)壓力變化幅值。根據(jù)歐洲及日本的研究結(jié)果，人體中耳和外界建立壓力平衡所需時間為3～4 s。采用單一事件間隔內(nèi)的壓力變化值能夠較準確地反映出人體舒適性。在壓力舒適性標(biāo)準評價方法研究過程中，采用3 s壓力變化率的評價方法逐步得到廣泛應(yīng)用。

2.2 國內(nèi)外研究情況

在160 km/h以上的高速鐵路方面，國內(nèi)外對壓力舒適性標(biāo)準已進行過大量研究，但由于各國鐵路的運營條件，民族、國民習(xí)俗及對鐵路的期望值不同，舒適性的評價標(biāo)準在國際上尚無統(tǒng)一標(biāo)準。經(jīng)統(tǒng)計分析，主要分為2類：密閉性列車和非密閉性列車。具體標(biāo)準見表2。

2.3 小結(jié)

對速度低于100 km/h的普通地鐵，壓力舒適性問題并不突出。但100～160 km/h地鐵快線的壓力舒適性尚無相應(yīng)標(biāo)準可供參考。在11號線測試體驗發(fā)現(xiàn)，存在明顯耳鳴情況的區(qū)段車內(nèi)壓力變化幅值均超過800 Pa/3 s。

圖1 壓力舒適性標(biāo)準曲線

表2 不同壓力變化值下的典型生理癥狀

參考國內(nèi)外學(xué)者的研究結(jié)果及現(xiàn)場測試體驗結(jié)果，本次研究采用3 s壓力變化率的評價方法，評價標(biāo)準采用較為嚴格的800 Pa/3 s作為標(biāo)準。

3 壓力波影響因素及研究情況

針對已開通運營線路，要對線路、列車進行全方位改造非常困難。要經(jīng)濟、高效地改善提升乘客舒適度，首先，對運營工況下全線客室壓力變化情況進行測試，排查出超標(biāo)區(qū)段；其次，對超標(biāo)區(qū)段進行重點研究，通過列車氣密性、列車速度、隧道凈空面積、通風(fēng)井橫截面積等壓力波影響因素進行研究，探索車輛客室氣壓控制的措施。

針對11號線壓力舒適性問題，本次研究工作主要分5個階段：

（1）運營現(xiàn)狀測試；

（2）列車密封性-壓力舒適性研究；

（3）列車速度-壓力舒適性研究；

（4）隧道凈空面積-壓力舒適性研究；

（5）通風(fēng)井橫截面積-壓力舒適性研究。

3.1 運營現(xiàn)狀測試

在ATO運行工況下，對11號線隧道段福田—福永共10個區(qū)間進行客室內(nèi)3 s壓力變化率測試。測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)共3個區(qū)段存在壓力變化率超過800 Pa/3 s的情況，分別為車公廟—福田上行區(qū)段、福田—車公廟下行區(qū)段、寶安—碧海灣下行區(qū)段（見圖2）。

3.2 列車密封性-壓力舒適性研究

圖2 11號線各區(qū)段車內(nèi)3 s壓力變化率

隧道內(nèi)的壓力變化通過車體傳入車內(nèi)，因此，列車的密封性對車內(nèi)的壓力變化具有重要影響[5-6]。密封性能好的列車，即使隧道內(nèi)壓力變化很大，車內(nèi)壓力變化也不會太劇烈。

目前國際上通常以車輛的密封指數(shù)τ來衡量列車的密封性能。性能評價分為4個等級（見表3），地鐵列車屬于“未密封”等級（其中密封指數(shù)定義為：車廂充氣后初始氣壓下降至初始氣壓38%所用的時間）。

車內(nèi)壓力變化率隨車輛密封指數(shù)的提高而降低。根據(jù)我國學(xué)者的研究結(jié)果，在列車運行速度140 km/h、隧道盾構(gòu)直徑6.5 m的條件下，不同密封指數(shù)下的車內(nèi)壓力變化計算結(jié)果見圖3。特別是當(dāng)車輛由不密封到密封指數(shù)提高到2.5～3.0 s時，車內(nèi)的壓力變化降低了60%。

11號線車輛氣密指數(shù)τ＜1 s，屬于不密封范圍。要在既有列車上進行改造，提升氣密指數(shù)至3 s基本不可行。只能針對測試超標(biāo)的3個區(qū)段，制定專項措施來改善壓力舒適性。

影響列車密封性的因素有列車空調(diào)新風(fēng)閥門、車頂廢排口、車門密封、直通車下的電纜孔等。單方面改善電纜孔密封對整體密封性能提升不大，本次研究主要在改善電纜孔密封的基礎(chǔ)上，對其他幾種因素進行測試研究，包括以下4種工況：

（1）車門密封膠條改善對車內(nèi)壓力變化幅值的影響；（2）單獨關(guān)閉空調(diào)新風(fēng)門對車內(nèi)壓力變化幅值的影響；（3）單獨關(guān)閉車頂廢排口對車內(nèi)壓力變化幅值的影響；（4）同時關(guān)閉空調(diào)新風(fēng)門、車頂廢排口對車內(nèi)壓力變化幅值的影響。

表3 車輛密封性能等級 s

圖3 車內(nèi)壓力與密封指數(shù)的關(guān)系

3.2.1 車門密封膠條改善對車內(nèi)壓力變化幅值的影響

將原車門密封膠條更換為雙層唇式密封膠條。選取福田—車公廟區(qū)間列車按照113 km/h速度等級運行（ATO運行速度），空調(diào)正常開啟且車頂廢排口處于封閉狀態(tài)下，分別測試車門密封膠條更換前后對于車內(nèi)瞬變壓力的影響（車內(nèi)共設(shè)置10個測量點，2個司機室及每節(jié)車廂各布置1各測量點）。

測試結(jié)果反映：通過優(yōu)化客室車門密封膠條，車內(nèi)壓力有所下降，但下降幅度有限，平均下降約20 Pa（見圖4）。

3.2.2 單獨關(guān)閉空調(diào)新風(fēng)門對車內(nèi)壓力變化幅值的影響

為分析空調(diào)新風(fēng)門對車內(nèi)瞬變壓力的影響，選取車公廟—福田區(qū)間按照113 km/h速度等級運行（ATO運行速度），單獨考慮空調(diào)打開的情況下，新風(fēng)門開啟與關(guān)閉對于車內(nèi)壓力3 s變化幅值的影響。

圖4 車門密封膠條更換前后車內(nèi)壓力變化情況對比

測試結(jié)果反映：單獨關(guān)閉空調(diào)新風(fēng)門，車內(nèi)壓力變化幅度下降較為明顯，但關(guān)閉后最大值仍達到850 Pa/3 s，超過800 Pa/3 s的標(biāo)準（見圖5）。

3.2.3 單獨關(guān)閉車頂廢排口對車內(nèi)壓力變化幅值的影響

為分析車頂廢排口對車內(nèi)瞬變壓力的影響，選取福田—車公廟區(qū)間按照113 km/h速度等級運行（ATO運行速度），單獨考慮空調(diào)開啟且新風(fēng)門打開情況下，車頂廢排口打開和關(guān)閉對于車內(nèi)壓力3 s變化幅值的影響。

測試結(jié)果反映：單獨關(guān)閉車頂廢排口，車內(nèi)壓力變化幅度有所下降，但下降不明顯（見圖6）。

3.2.4 同時關(guān)閉空調(diào)新風(fēng)門、車頂廢排口對車內(nèi)壓力 變化幅值的影響

為分析同時關(guān)閉車頂廢排口和空調(diào)新風(fēng)門對車內(nèi)瞬變壓力的影響，選取車公廟—福田區(qū)間按照113 km/h速度等級運行（ATO運行速度），單獨考慮空調(diào)開啟的情況下，車頂廢排口、空調(diào)新風(fēng)門同時打開和同時關(guān)閉對于車內(nèi)壓力3 s變化幅值的影響。

測試結(jié)果反映：同時關(guān)閉車頂廢排口、空調(diào)新風(fēng)門可有效降低車內(nèi)壓力變化幅值，車內(nèi)壓力變化幅度最大值為682 Pa/3 s，低于標(biāo)準800 Pa/3 s（見圖7）。

圖5 空調(diào)新風(fēng)門開關(guān)車內(nèi)壓力變化情況對比

圖6 廢排口開關(guān)車內(nèi)壓力變化情況對比

圖7 同時開關(guān)廢排口及新風(fēng)門車內(nèi)壓力變化情況對比

3.2.5 小結(jié)

在列車多密封方案條件下以ATO模式（最大運行速度113 km/h）通過車公廟—福田區(qū)間時，車內(nèi)壓力3 s變化幅值下降明顯，降幅在17.5%～33.5%，車內(nèi)壓力3 s變化幅值降至600 Pa左右，滿足舒適性標(biāo)準要求。

經(jīng)過上述測試，在現(xiàn)有列車基礎(chǔ)上進行密封性改造，可通過強化車門密封膠條及電纜孔密封性能來提升列車密封性，同時針對車內(nèi)壓力超標(biāo)的特定區(qū)段，可通過優(yōu)化列車空調(diào)新風(fēng)門、車頂廢排口的關(guān)閉，降低車內(nèi)氣壓變化幅值，提升客室壓力舒適性。

3.3 列車速度-壓力舒適性研究

由于傳統(tǒng)地鐵A型車密封性能差，車內(nèi)壓力受列車速度影響較大。根據(jù)我國學(xué)者的研究結(jié)果，車內(nèi)壓力隨列車速度的增加呈二次冪增大。針對11號線3個區(qū)段車內(nèi)壓力超標(biāo)問題，可適當(dāng)降低列車通過該位置的速度來改善車內(nèi)壓力舒適性。以福田—車公廟區(qū)間風(fēng)井位置為例，列車以ATO運行速度（113 km/h）及100 km/h速度通過風(fēng)井位置，對比測試車內(nèi)3 s壓力幅值變化情況。

測試結(jié)果反映：當(dāng)列車降低速度至100 km/h通過風(fēng)井位置時，車內(nèi)3 s壓力幅值明顯降低，最大值為732 Pa/3 s，低于標(biāo)準800 Pa/3 s（見圖8）。

3.4 隧道凈空面積-壓力舒適性研究

隧道凈空面積決定了隧道阻塞比，是影響壓力舒適性的重要因素[7]，而隧道凈空面積很大程度上決定于隧道盾構(gòu)直徑。根據(jù)我國學(xué)者研究結(jié)果，在保證同等壓力幅值的情況下，隧道面積的增大與列車速度的提升成正比。當(dāng)列車密封指數(shù)達到2.5 s，車內(nèi)3 s壓力變化幅值與隧道直徑的關(guān)系見圖9，按照800 Pa/3 s的標(biāo)準，滿足120 km/h運營速度的隧道直徑不小于6.5 m。

圖8 不同速度下車內(nèi)壓力變化情況對比

圖9 120 km/h情況下車內(nèi)3 s壓力變化幅值與隧道直徑的關(guān)系

地鐵11號線根據(jù)隧道長度的不同采用了2種不同隧道盾構(gòu)直徑，分別為6.0 m和5.4 m。當(dāng)隧道長度在2.8～3.5 km，地鐵列車最高運行速度為110 km/h，隧道盾構(gòu)直徑為5.4 m；當(dāng)隧道長度大于3.5 km，地鐵列車最高運行速度為120 km/h，隧道盾構(gòu)直徑為6.0 m。列車通過不同盾構(gòu)直徑隧道時車內(nèi)3 s壓力變化值見表4。

由表4可知：

（1）在隧道長度相差較?。仙健昂硡^(qū)間與寶安—碧海灣區(qū)間）、速度相差不大的情況下，地鐵列車通過6.0 m盾構(gòu)直徑隧道時的車內(nèi)3 s壓力變化幅值約為5.4 m盾構(gòu)直徑隧道的70%～80%。

（2）地鐵11號線列車通過2.8～3.5 km長度隧道（直徑5.4 m）時的車內(nèi)3 s壓力變化幅值基本超標(biāo)；通過大于3.5 km長度隧道（直徑6.0 m）時的車內(nèi)3 s壓力變化幅值都滿足要求。

（3）隧道長度大于2.8 km后，直徑5.4 m的隧道不能滿足速度大于110 km/h的地鐵列車運行要求。

3.5 通風(fēng)井橫截面積-壓力舒適性研究

雖然隧道通風(fēng)井可以起到泄壓作用，但由于通風(fēng)井對壓力波具有反射作用，會影響到列車車內(nèi)壓力舒適性[8]。地鐵11號線測試存在車內(nèi)壓力超標(biāo)的3個區(qū)段，隧道凈空直徑均為5.4 m，且位于通風(fēng)井位置。根據(jù)我國學(xué)者的研究結(jié)果，減小通風(fēng)井橫截面積或加大通風(fēng)井與隧道連接處過渡段的長度可有效降低通風(fēng)井對車內(nèi)壓力變化的影響（通風(fēng)井橫截面積與車內(nèi)壓力變化關(guān)系見圖10）；在通風(fēng)井與隧道連接處設(shè)置合適長度的過渡段可有效緩解車內(nèi)壓力變化（過渡段長度與車內(nèi)壓力變化關(guān)系見表5）。但限于現(xiàn)場運營條件，未能進行模擬測試。

圖10 通風(fēng)井橫截面積與車內(nèi)壓力變化關(guān)系

表4 列車通過不同盾構(gòu)直徑隧道時車內(nèi)3 s壓力變化值

表5 過渡段長度與車內(nèi)壓力變化關(guān)系（車內(nèi)壓力幅值）Pa/3 s

4 控制措施

地鐵一旦開通運營，線路、列車均已成型，針對壓力舒適性超標(biāo)問題能夠進行改進的空間非常有限。經(jīng)過對11號線一系列的測試研究，探索出較為經(jīng)濟、高效的方法，有效控制11號線車內(nèi)壓力超標(biāo)問題。具體措施如下。

4.1 特殊區(qū)段限速通過

針對11號線車公廟—福田上行區(qū)段、福田—車公廟下行區(qū)段、寶安—碧海灣下行3個區(qū)段通風(fēng)井位置，限制通風(fēng)井前后各250 m列車通過速度，從原113 km/h降至100 km/h。車內(nèi)3 s壓力變化幅值最大值降至732 Pa/3 s，符合800 Pa/3 s的標(biāo)準要求。

4.2 特殊區(qū)段空調(diào)新風(fēng)門、車頂廢排口的開閉控制

在上述3個超標(biāo)區(qū)段通風(fēng)井前250 m，關(guān)閉列車新風(fēng)門、車頂廢排口；經(jīng)過通風(fēng)井250 m后再打開新風(fēng)門、車頂廢排口。車內(nèi)3 s壓力變化幅值最大值降至682 Pa/3 s，符合800 Pa/3 s的標(biāo)準要求。

4.3 加強列車密封性

對直通車下的管路和電纜孔進行封堵，客室車門密封膠條采用密封性能較好的雙層唇式密封膠條。

5 新線建設(shè)建議

隨著列車運營速度的提高，壓力舒適性將更為突出。在新地鐵快速線路設(shè)計時，需針對車內(nèi)壓力舒適性開展專題研究。通過本次研究，對新地鐵快線建設(shè)提出以下建議：

（1）地鐵快線氣壓舒適性標(biāo)準采用800 Pa/3 s；

（2）地鐵快線隧道盾構(gòu)直徑設(shè)計不低于6.0 m，長大區(qū)間還需考慮加寬設(shè)計；

（3）隧道通風(fēng)井在滿足通風(fēng)要求的條件下應(yīng)適當(dāng)減小橫截面積，同時在通風(fēng)井與隧道連接處應(yīng)設(shè)置過渡段，過渡段長度應(yīng)與隧道直徑及列車速度相匹配；

（4）建議地鐵快線列車采用快速響應(yīng)的主動控制式進、排風(fēng)裝置，在監(jiān)測到壓力波超標(biāo)的區(qū)段，及時關(guān)閉進、排風(fēng)口；

（5）新線建設(shè)開通后，應(yīng)對全線開展車內(nèi)壓力舒適性測試，針對個別超標(biāo)區(qū)段制定限速等專項控制措施。