風(fēng)閥對地鐵隧道壓力的影響研究

張 悅 張 強 畢海權(quán) 王君宜

風(fēng)閥對地鐵隧道壓力的影響研究

張 悅1張 強1畢海權(quán)2王君宜2

（1.廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司 廣州 510010；2.西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院 成都 610031）

隨著地鐵列車速度的提高，列車運行引起的空氣動力學(xué)效應(yīng)對站臺屏蔽門、各類風(fēng)井內(nèi)風(fēng)道等的安全影響越來越大。針對廣州地鐵多條線路，采用現(xiàn)場試驗方法，對地鐵風(fēng)道不同位置的壁面壓力進行了現(xiàn)場測試，得到了地鐵車站站端及區(qū)間中間風(fēng)井不同風(fēng)閥前后測點的動態(tài)壓力變化，并通過對比分析，研究了風(fēng)閥對地鐵風(fēng)道內(nèi)壓力幅值的影響?，F(xiàn)場測試結(jié)果表明：當(dāng)列車速度為80km/h時，每道風(fēng)閥的阻力作用會將風(fēng)道內(nèi)最大正壓降低10～40Pa，最大負(fù)壓降低10～60Pa；聯(lián)通風(fēng)閥開啟會將軌行區(qū)和活塞風(fēng)道內(nèi)的最大正壓降低10～30Pa，最大負(fù)壓降低30～40Pa。

地鐵；現(xiàn)場測試；風(fēng)閥；風(fēng)井；風(fēng)道壓力

0 引言

地鐵作為城市軌道交通線網(wǎng)體系中的重要組成部分，對改善城市交通環(huán)境、提高人們出行舒適性具有重要作用。截至2018年底，共有35個城市開通城軌交通運營線路185條，運營線路總長度為5761.4km[1]。隨著城市規(guī)模的擴大，多條120km/h及以上的城市軌道交通快線也已建成和開通[2]。

然而，地鐵隧道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，列車在車站及區(qū)間隧道運行過程中所產(chǎn)生的空氣動力學(xué)效應(yīng)將直接影響隧道及車內(nèi)環(huán)境，特別是隨著地鐵列車速度的提高，空氣動力學(xué)效應(yīng)對站臺屏蔽門、各類風(fēng)井內(nèi)風(fēng)道等的安全影響越來越大，必須深入研究，以采取相應(yīng)的減緩措施[3,4]。

風(fēng)閥，作為控制和調(diào)節(jié)地鐵車站及隧道內(nèi)空氣流動的重要設(shè)施，一方面承受著隧道內(nèi)空氣動力學(xué)效應(yīng)的作用，另一方面對隧道風(fēng)道內(nèi)壓力變化具有重要影響。目前研究多針對列車內(nèi)、隧道內(nèi)和屏蔽門上的壓力[5-7]，而尚無針對風(fēng)道內(nèi)壓力變化的研究。為了探究活塞風(fēng)道和區(qū)間風(fēng)井風(fēng)閥對地鐵風(fēng)道壓力的影響，本文采用現(xiàn)場試驗方法，對廣州地鐵選定的地鐵車站軌行區(qū)、活塞風(fēng)道、區(qū)間風(fēng)井進行了多次風(fēng)壓測試，并根據(jù)測試結(jié)果，研究了風(fēng)道內(nèi)壓力的動態(tài)變化及風(fēng)閥對地鐵風(fēng)道壓力的影響，為地鐵隧道設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 地鐵隧道風(fēng)閥

隧道通風(fēng)系統(tǒng)包括區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)和車站隧道通風(fēng)系統(tǒng)兩部分，它主要起到排除隧道內(nèi)余熱、余濕，滿足隧道內(nèi)通風(fēng)換氣及溫度控制、阻塞情況下向阻塞區(qū)間送新風(fēng)、火災(zāi)情況下排出隧道煙氣的作用[8]。隧道通風(fēng)系統(tǒng)有單活塞風(fēng)道和雙活塞風(fēng)道兩種模式，單活塞風(fēng)道通常只在車站出口端設(shè)置一個活塞風(fēng)道；雙活塞風(fēng)道則是在車站的進口端和出口端分別設(shè)置活塞風(fēng)道[9,10]。同時，在同一區(qū)間隧道，如果出現(xiàn)兩列車運行，則需設(shè)置區(qū)間風(fēng)井，如圖1所示[11]。

圖1 區(qū)間中間風(fēng)井示意圖

圖2 活塞風(fēng)井結(jié)構(gòu)示意圖

活塞風(fēng)井系統(tǒng)由活塞風(fēng)閥、活塞風(fēng)道和連接室外的活塞風(fēng)亭構(gòu)成[12]，如圖2所示。風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)閥是控制和調(diào)節(jié)活塞風(fēng)進入和離開隧道的關(guān)鍵部件。由于風(fēng)閥的開啟，列車在軌行區(qū)運行產(chǎn)生的壓力波和活塞風(fēng)會使活塞風(fēng)道內(nèi)的壓力和風(fēng)速產(chǎn)生幾乎同步的動態(tài)變化。此外，有的風(fēng)井系統(tǒng)為了便于控制空氣的流動方向，將其引入其他風(fēng)道，實現(xiàn)系統(tǒng)功能切換，會在風(fēng)井內(nèi)設(shè)置第二道閥門[13]。

對于單活塞車站，為了便于泄壓，在車站兩條線路的入口處分別設(shè)置了聯(lián)通風(fēng)道，聯(lián)通風(fēng)道和另一線路出口處的活塞風(fēng)井相連，聯(lián)通風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)閥即為聯(lián)通風(fēng)閥，如圖3所示。

圖3 聯(lián)通風(fēng)閥示意圖

2 風(fēng)道壓力現(xiàn)場測試

2.1 測試方法

地鐵風(fēng)道壓力測試通過在風(fēng)道壁面上安裝壓力傳感器、通過信號調(diào)理及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集列車運行引起的壓力變化，再利用數(shù)據(jù)采集軟件和數(shù)據(jù)分析處理軟件分析試驗結(jié)果。

2.2 工況設(shè)置

本測試包括風(fēng)閥開啟和關(guān)閉兩種試驗工況，工況1為活塞風(fēng)閥開啟，工況2為活塞風(fēng)閥關(guān)閉。試驗列車速度為80km/h。

2.3 測試儀器

本測試選用Endevco壓阻式絕壓型壓力傳感器8515C-15對隧道壁面壓力進行測試，采用美國DTS的SLICE數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對傳感器的壓力數(shù)據(jù)進行采集，通過系統(tǒng)接口為SLICE提供直流電源、觸發(fā)和信號通訊，采集數(shù)據(jù)并連接至計算機。測試系統(tǒng)如圖4所示。

2.4 測點布置

（1）雙活塞車站測點布置

雙活塞車站共布置3個測點，如圖5所示。其中測點1位于軌行區(qū)，測點2分別位于第一道風(fēng)閥后，測點3位于第二道風(fēng)閥后。

（2）單活塞車站測點布置

單活塞車站共布置兩個測點，如圖6所示，測點1位于軌行區(qū)，測點2位于第一道風(fēng)閥后。

（3）區(qū)間中間風(fēng)井測點布置

區(qū)間中間風(fēng)井共布置3個測點，如圖7所示。測點1位于軌行區(qū)，測點2位于第一道風(fēng)閥后，測點3位于左線第二道風(fēng)閥后。

圖5 雙活塞車站進站端測點布置示意圖

圖6 單活塞車站測點布置示意圖

圖7 區(qū)間隧道左線中間風(fēng)井測點布置示意圖（側(cè)視）

（4）聯(lián)通風(fēng)閥測點布置

聯(lián)通風(fēng)閥測點布置如圖8所示，共布置2個測點。測點1位于軌行區(qū)，測點2位于第一道風(fēng)閥后。

圖8 聯(lián)通風(fēng)閥測點布置示意圖

3 測試結(jié)果與分析

3.1 風(fēng)閥對活塞風(fēng)道及風(fēng)井內(nèi)壓力變化的影響

3.1.1 雙活塞車站

雙活塞車站風(fēng)道內(nèi)各閥門前后壓力測試結(jié)果如圖9所示。由圖9可以看出，軌行區(qū)和風(fēng)道內(nèi)各處的動態(tài)壓力變化規(guī)律基本同步，且最大正壓出現(xiàn)的時刻相同，但壓力的最大幅值不同。由于風(fēng)閥的阻力作用，軌行區(qū)測點、第一道風(fēng)閥后及第二道風(fēng)閥后測點的（見圖5）最大壓力幅值由102Pa分別降低至52Pa和43Pa。第一道風(fēng)閥將最大正壓和負(fù)壓分別降低了50Pa；第二道風(fēng)閥將最大正壓降低了9Pa，最大負(fù)壓降低了14Pa。

圖9 雙活塞車站進站端測點壓力變化曲線

3.1.2 單活塞車站

單活塞車站的閥門前后壓力試驗結(jié)果如圖10所示。從圖10中可以看出，與雙活塞車站結(jié)論一致，軌行區(qū)和閥門后的壓力變化規(guī)律同步，且最大正壓出現(xiàn)的時刻相同，但壓力的最大幅值不同，經(jīng)過閥門后的最大正壓和最大負(fù)壓均降低。由于風(fēng)閥的阻力作用，可以使豎井內(nèi)風(fēng)閥后端的正壓幅值由44Pa降低至24Pa，負(fù)壓幅值由-121Pa降低至-60Pa。

圖10 單活塞車站測點壓力變化曲線

3.1.3 區(qū)間中間風(fēng)井

區(qū)間中間風(fēng)機測試結(jié)果如圖11所示。從圖11中可以看出，軌行區(qū)及風(fēng)井內(nèi)各測點的壓力變化規(guī)律一致，且峰值壓力出現(xiàn)的時刻相同，測點1與測點2的最大正壓差為28Pa，最大負(fù)壓差為7Pa；測點2與測點3的最大正壓差為28Pa，最大負(fù)壓差為100Pa。由此可見，風(fēng)閥可有效地減緩豎井內(nèi)的壓力。

圖11 區(qū)間隧道左線中間風(fēng)井測點壓力變化曲線（風(fēng)閥開啟）

3.2 聯(lián)通風(fēng)閥開啟對風(fēng)道壓力的影響

聯(lián)通風(fēng)閥開啟對風(fēng)道壓力影響的測試結(jié)果如圖12所示。由圖12可以看出，開啟聯(lián)通風(fēng)閥后，軌行區(qū)最大正壓由44Pa降低到36Pa；最大負(fù)壓由-121Pa降低到-100Pa。由圖13可以看出，活塞風(fēng)道內(nèi)最大正壓由56Pa降低到26Pa；最大負(fù)壓由-80Pa，降低到-38Pa。由此可見：在正常工況下打開聯(lián)通風(fēng)閥可以降低列車所在線路軌行區(qū)和活塞風(fēng)道內(nèi)的壓力，但不可避免地增加了另一條線路上隧道內(nèi)的壓力，但對另一條線路上隧道內(nèi)壓力的影響需要依據(jù)該線路列車的運行情況進行討論。聯(lián)通風(fēng)閥起到了與高速鐵路隧道橫通道相同的泄壓作用。

圖12 聯(lián)通風(fēng)閥開啟對軌行區(qū)壓力的影響

圖13 聯(lián)通風(fēng)閥開啟對活塞風(fēng)道壓力的影響

4 結(jié)論

本文針對多條廣州地鐵線路，采用現(xiàn)場測試的方法，對比研究了風(fēng)閥開啟時地鐵車站站端活塞風(fēng)井及區(qū)間中間風(fēng)井內(nèi)的動態(tài)壓力變化，主要研究結(jié)論如下：

（1）風(fēng)道內(nèi)壓力的動態(tài)變化規(guī)律與軌行區(qū)內(nèi)的基本一致。

（2）當(dāng)列車速度為80km/h時，風(fēng)閥的阻力作用可降低風(fēng)道內(nèi)的壓力幅值，每道風(fēng)閥約能降低10～40Pa的最大正壓，10～60Pa的最大負(fù)壓。

（3）當(dāng)列車速度為80km/h時，聯(lián)通風(fēng)閥開啟可對軌行區(qū)和活塞風(fēng)道的壓力進行有效地泄壓。

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Effect of Air Valve on Pressure Change in Metro Tunnel

Zhang Yue1Zhang Qiang1Bi Haiquan2Wang Junyi2

( 1.Guangzhou Metro Design & Research Institute Co., Ltd, Guangzhou, 510010；2.School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

With the increasing speed of subway train, the aerodynamic effects caused by train operation have a greater and greater effect on the safety of platform screen doors and the air passage of the airshafts. For multiple lines of Guangzhou Metro, the dynamicpressure at different locations of the airshaft and tunnel is tested by field measurement. The pressure changes before and after the different valves at the airshaft of the station and the middle airshaft during two stations are obtained. The effect of air valve on pressure amplitude at the air passage of the airshafts was studied through comparative analysis. The field test results show that when the train speed is 80km/h, because of the resistance of every air valve, the maximum positive pressure and negative pressure at the air passage will be respectively reduced 10～40Pa and 10～60Pa. Moreover, the opening of the joint ventilation valve will reduce the maximum positive pressure of 10～30Pa and the maximum negative pressure of 30～40Pa for tunnel and the air passage of the airshafts.

Subway; field test; air valve; airshaft; pressure

U451

A

1671-6612（2020）03-369-05

張 悅（1979.10-），女，本科，高級工程師，E-mail：31649391@qq.com

2020-03-27