地鐵區(qū)間中間風(fēng)井側(cè)墻動(dòng)態(tài)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(hào)線4個(gè)區(qū)間中間風(fēng)井處的側(cè)墻（構(gòu)成材料為磚墻）為背景，采用了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，研究了列車正常運(yùn)行工程中，中間風(fēng)井地下一層側(cè)墻所承受的靜壓、動(dòng)壓及全壓。測(cè)試結(jié)果表明，地下一層側(cè)墻承壓最大值約為100pa～300pa。其中，側(cè)墻動(dòng)壓數(shù)值遠(yuǎn)小于側(cè)墻靜壓，側(cè)墻靜壓約占側(cè)墻全壓的77%，為側(cè)墻承壓的主體部分。本文研究結(jié)果為是否需要更換以上區(qū)間中間風(fēng)井側(cè)墻材料，為列車安全運(yùn)行提供了一定的數(shù)據(jù)參考。

關(guān)鍵詞：地鐵中間風(fēng)井側(cè)墻;壓力變化規(guī)律;現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè);全壓;熱流密度

列車在長大區(qū)間隧道內(nèi)運(yùn)行，因列車截面與隧道截面的面積比，導(dǎo)致了隨列車行車速度波動(dòng)的活塞風(fēng)壓。而設(shè)置于長大區(qū)間隧道中部的中間風(fēng)井，其主要功能是通過泄壓來緩解此活塞風(fēng)壓對(duì)區(qū)間隧道、運(yùn)行列車和車站的不利影響，同時(shí)通過與室外的空氣交換保證區(qū)間隧道內(nèi)新風(fēng)量。

最近，列車運(yùn)行產(chǎn)生的壓力波動(dòng)對(duì)隧道及中間風(fēng)井的影響逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。例如，車輪飛[1]采用了數(shù)值模擬的方法模擬得出了列車密封指數(shù)對(duì)車廂內(nèi)瞬變壓力影響明顯，及車廂內(nèi)瞬變壓力隨行車速度的增加而增加的變化規(guī)律。林世生[2]采用地鐵環(huán)境模擬計(jì)算軟件 SES 4.1，對(duì)廣州地鐵 14 號(hào)線列車線路在隧道運(yùn)行時(shí)壓力波動(dòng)及壓力舒適度進(jìn)行計(jì)算分析，提出對(duì)于120km/h運(yùn)行的列車，在中間風(fēng)井處設(shè)置前后各15m的漸擴(kuò)段，可緩解列車壓力。陳波[3]總結(jié)東菀市城市軌道交通號(hào)線的設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營，提出了擴(kuò)大區(qū)間隧道斷面，提高列車氣密性的建議，以解決列車在隧道內(nèi)高速運(yùn)行乘客舒適度的問題。陳雅莉[4]采用數(shù)值分析方法，計(jì)算得到在不同斷面的隧道內(nèi)，當(dāng)列車最高速度為120km/h，車輛密封指數(shù)為t=3s時(shí)，隧道盾構(gòu)內(nèi)徑大于等于6m，可滿足列車運(yùn)行壓力控制標(biāo)準(zhǔn);當(dāng)列車最高速度為140km/h，車輛密封指數(shù)為t=3s時(shí)，隧道盾構(gòu)內(nèi)徑大于等于6.8m，可滿足列車運(yùn)行壓力控制標(biāo)準(zhǔn)。

但是，以上研究多以數(shù)值模擬為主，而且都沒有涉及到列車通過中間風(fēng)井前后，由活塞作用導(dǎo)致的區(qū)間中間風(fēng)井地下一層側(cè)墻承壓的問題，為了填補(bǔ)這一研究空白，本文采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，對(duì)上海地鐵某號(hào)線4個(gè)區(qū)間中間風(fēng)井處的地下一層側(cè)墻（構(gòu)成材料為磚墻）進(jìn)行了壓力測(cè)試，分析了地鐵中間風(fēng)井處地下一層側(cè)墻壓力在列車運(yùn)行全過程中的變化規(guī)律和壓力最大值，作為是否需要更換此類區(qū)間側(cè)墻材料的依據(jù)，以確保地鐵列車安全運(yùn)行。

1 中間風(fēng)井側(cè)墻承壓機(jī)理分析與測(cè)試方案

1.1 中間風(fēng)井側(cè)墻承壓構(gòu)成分析

當(dāng)列車正常運(yùn)行通過中間風(fēng)井前后的一段時(shí)間內(nèi)，中間風(fēng)井活塞風(fēng)閥周圍的側(cè)墻勢(shì)必會(huì)受到列車運(yùn)行所分流的活塞風(fēng)的沖擊而產(chǎn)生的壓力作用。在這個(gè)過程中，各區(qū)間活塞風(fēng)閥上側(cè)和下側(cè)相鄰側(cè)墻的承壓可分為全壓、靜壓和動(dòng)壓三個(gè)部分。各壓力之間的關(guān)系見式（1）與式（2）。

1.2 中間風(fēng)井側(cè)墻承壓測(cè)試方案

1.2.1 中間風(fēng)井側(cè)墻靜壓的測(cè)試

考慮到地鐵中間風(fēng)井所處側(cè)墻房間的測(cè)試安全，墻體靜壓難以直接打孔測(cè)試得到。本文依據(jù)房間靜壓與墻體靜壓相等，分別測(cè)得區(qū)間中間風(fēng)井側(cè)墻所處房間全壓與房間動(dòng)壓，然后依據(jù)式（1）計(jì)算得到房間靜壓，即側(cè)墻靜壓。其中側(cè)墻所在房間全壓采用畢托管測(cè)試，參見圖1，畢托管的一條軟管放入所測(cè)房間，另一條軟管放在所測(cè)房間之外，測(cè)試房間內(nèi)外隔離，測(cè)試過程中畢托管測(cè)得的房間全壓的正負(fù)值可反映地鐵列車與中間風(fēng)井的相互位置關(guān)系，一般列車經(jīng)過風(fēng)井之前，正壓作用房間，而列車經(jīng)過風(fēng)井后，負(fù)壓作用房間。房間動(dòng)壓則采用熱線風(fēng)速儀測(cè)得房間主流風(fēng)速，并進(jìn)一步通過式（2）計(jì)算得到，在進(jìn)行房間同一斷面多點(diǎn)同時(shí)風(fēng)速監(jiān)測(cè)的預(yù)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，因圖中所示位置較能代表房間該斷面的平均風(fēng)速，因此在此處布置風(fēng)速測(cè)點(diǎn)。

1.2.2 中間風(fēng)井側(cè)墻動(dòng)壓的測(cè)試

活塞風(fēng)通過中間風(fēng)井進(jìn)出在側(cè)墻附近存在不同方向的湍流，對(duì)側(cè)墻造成動(dòng)壓。側(cè)墻動(dòng)壓采用兩種方法測(cè)試，其一為采用熱線風(fēng)速儀正對(duì)于側(cè)墻，測(cè)試探頭斷面平行于墻體，僅獲得垂直于側(cè)墻的風(fēng)速值數(shù)據(jù)，由式（2）計(jì)算出側(cè)墻的垂直動(dòng)壓。其二為利用所測(cè)墻體換熱特性來反映其所受來自各個(gè)方向氣流作用的綜合風(fēng)速及其相應(yīng)綜合動(dòng)壓。此方法適用于墻體附近氣流紊亂、無法準(zhǔn)確獲得氣流方向的實(shí)際工況。該方法的步驟是：首先，用熱流密度計(jì)、壁面溫度計(jì)、空氣溫度計(jì)測(cè)得其熱流密度Q，壁面溫度tw，空氣溫度ta，然后根據(jù)Q、tw、ta與換熱系數(shù)h的關(guān)系，見式（3），求得其換熱系數(shù)h;其次，再利用不同流動(dòng)狀態(tài)下?lián)Q熱系數(shù)h與風(fēng)速uz的關(guān)系，見式（4）、式（5）和式（6），先倒推求得Re[5]數(shù)，再求得墻體表面的綜合風(fēng)速;第三，結(jié)合動(dòng)壓公式，由綜合風(fēng)速即可計(jì)算出側(cè)墻表面承受的綜合動(dòng)壓。此綜合動(dòng)壓反應(yīng)了不同方向風(fēng)速對(duì)墻體的綜合作用。

1.2.3 中間風(fēng)井側(cè)墻全壓的計(jì)算

依據(jù)上文測(cè)試所得到的靜壓與動(dòng)壓，結(jié)合即可求得側(cè)墻全壓，全壓計(jì)算技術(shù)路線圖見下圖 3。

1.3 中間風(fēng)井側(cè)墻承壓測(cè)試工況

本文研究的中間風(fēng)井附近的側(cè)墻主要為與水平活塞風(fēng)閥上側(cè)相鄰的地下一層側(cè)墻（靠近地面）。共測(cè)試4個(gè)區(qū)間中間風(fēng)井側(cè)墻，其中區(qū)間1測(cè)試側(cè)墻編號(hào)為1-1至1-4、區(qū)間2測(cè)試側(cè)墻編號(hào)為2-1、區(qū)間3測(cè)試側(cè)墻編號(hào)為3-1至3-3、區(qū)間4測(cè)試側(cè)墻編號(hào)為4-1至4-3。其中測(cè)試所需儀器、儀器參數(shù)及儀器讀數(shù)間隔見下表1。以一個(gè)列車即將到達(dá)中間風(fēng)井附近隧道、經(jīng)過中間風(fēng)井、駛離中間風(fēng)壓力波動(dòng)的完整過程為一個(gè)測(cè)試周期，測(cè)試中，各儀器每10s記錄一次數(shù)據(jù)，實(shí)測(cè)中，對(duì)4個(gè)區(qū)間內(nèi)地下一層的相關(guān)各個(gè)側(cè)墻分別進(jìn)行上述2-3個(gè)周期的實(shí)測(cè)研究。

2 中間風(fēng)井側(cè)墻承壓實(shí)測(cè)結(jié)果與分析

2.1 地下一層側(cè)墻靜壓測(cè)試結(jié)果

如上文所述，側(cè)墻靜壓與房間靜壓相等，可由房間全壓與房間動(dòng)壓之差求出。以下部分給出了利用房間全壓，房間動(dòng)壓的實(shí)測(cè)結(jié)果計(jì)算得到的房間靜壓，即側(cè)墻靜壓，并對(duì)側(cè)墻靜壓進(jìn)行分析，結(jié)果曲線見下圖4。

由上圖可知，在每個(gè)列車作用周期，墻體所在房間的靜壓隨著列車與中間風(fēng)井的相對(duì)位置在正壓與負(fù)壓之間交替波動(dòng)。各站臺(tái)墻體靜壓正壓峰值大部在50pa～100pa之間波動(dòng)，墻體靜壓負(fù)壓峰值大部在-50pa-100pa之間波動(dòng)。其中區(qū)間3中3-2號(hào)墻與3-3號(hào)墻的靜壓正壓波動(dòng)略高于負(fù)壓，在150pa左右;區(qū)間1中 1-2號(hào)墻正負(fù)壓變化高于其他位置側(cè)墻，2號(hào)墻最大靜壓正壓峰值接近300pa。

2.2 地下一層側(cè)墻動(dòng)壓兩種測(cè)試結(jié)果的比較

圖5給出了地下一層依據(jù)熱線風(fēng)速儀測(cè)試得到的垂直風(fēng)速與依據(jù)對(duì)流換熱機(jī)理、壁面溫度、空氣溫度和壁面熱流密度實(shí)測(cè)計(jì)算得到的綜合風(fēng)速，可見在各區(qū)間列車作用周期內(nèi)，代表各方向氣流對(duì)側(cè)墻動(dòng)壓作用的綜合風(fēng)速（最大風(fēng)速在2.5m/s～4m/s之間）大于對(duì)墻體垂直方向作用的垂直風(fēng)速（最大風(fēng)速在0.5m/s～1.5m/s之間），綜合風(fēng)速數(shù)值約為垂直風(fēng)速數(shù)值的3倍，且墻體綜合風(fēng)速隨列車的運(yùn)行波動(dòng)幅度較大。

圖6根據(jù)動(dòng)壓與風(fēng)速之間的計(jì)算關(guān)系式，進(jìn)一步計(jì)算得到各區(qū)間列車作用周期內(nèi)各個(gè)方向氣流對(duì)側(cè)墻綜合動(dòng)壓和垂直方向氣流對(duì)其的垂直動(dòng)壓，可明顯看到各個(gè)方向氣流對(duì)側(cè)墻的綜合動(dòng)壓明顯高于垂直動(dòng)壓，墻體綜合動(dòng)壓隨列車的運(yùn)行波動(dòng)幅度較大。

2.3 地下一層側(cè)墻全壓測(cè)試結(jié)果

由上文求得的地下一層側(cè)墻靜壓與側(cè)墻綜合動(dòng)壓，根據(jù)式（1）求得側(cè)墻全壓。側(cè)墻全壓、側(cè)墻靜壓、側(cè)墻動(dòng)壓的結(jié)果曲線見下圖7。

由下圖可知，在每個(gè)列車作用周期，墻體所在房間的全壓隨著列車與中間風(fēng)井的相對(duì)位置在正壓與負(fù)壓之間交替波動(dòng)，各站臺(tái)墻體正壓峰值在80～200之間波動(dòng)，各站臺(tái)墻體負(fù)壓峰值在-80～130之間波動(dòng)，在不同列車運(yùn)行周期下具有可重復(fù)性;通過比較側(cè)墻全壓、靜壓、動(dòng)壓可知區(qū)間中間風(fēng)井處側(cè)墻動(dòng)壓數(shù)值遠(yuǎn)小于靜壓，靜壓數(shù)值略小于全壓，綜合各墻體靜壓與全壓比較得，靜壓約占?jí)w全壓的77%，由此可知靜壓為側(cè)墻承壓的主要部分。

3 結(jié)論

（1）列車正常運(yùn)行工況下，在列車通過中間風(fēng)井前后的一段時(shí)間內(nèi)，墻體所在房間的全壓、靜壓隨著列車與中間風(fēng)井的相對(duì)位置在正壓與負(fù)壓之間交替波動(dòng)，在每個(gè)列車運(yùn)行周期都具有可重復(fù)性。

（2）列車正常運(yùn)行工況下，實(shí)測(cè)地下一層側(cè)墻承壓全壓最大值約為100pa～300pa，測(cè)試各區(qū)間側(cè)墻動(dòng)壓數(shù)值均遠(yuǎn)小于側(cè)墻靜壓，側(cè)墻靜壓為側(cè)墻全壓的主體部分，側(cè)墻靜壓約占側(cè)墻全壓的77%。

（3）依據(jù)對(duì)流換熱機(jī)理、壁面溫度、空氣溫度和壁面熱流密度實(shí)測(cè)計(jì)算得到的綜合風(fēng)速波動(dòng)明顯大于依據(jù)熱線風(fēng)速儀測(cè)試得到的垂直風(fēng)速，綜合風(fēng)速數(shù)值約為垂直風(fēng)速數(shù)值的3倍，對(duì)于墻體附近氣流紊亂、無法準(zhǔn)確獲得氣流方向的實(shí)際工況，綜合風(fēng)速具有較高的工程價(jià)值。

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