隧道工程應(yīng)用新戰(zhàn)略

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摘 要： 正確了解有關(guān)地鐵隧道的新應(yīng)用發(fā)展模式，同時(shí)有關(guān)地鐵隧道的新科技應(yīng)用中有關(guān)風(fēng)壓的變化有何影響呢?在此文章從風(fēng)壓的各個(gè)方面做了介紹。文章選自：《地下工程與隧道》,《地下工程與隧道》事各種隧道和地下工程的規(guī)劃、勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工和養(yǎng)護(hù)的應(yīng)用科學(xué)和工

　　正確了解有關(guān)地鐵隧道的新應(yīng)用發(fā)展模式，同時(shí)有關(guān)地鐵隧道的新科技應(yīng)用中有關(guān)風(fēng)壓的變化有何影響呢?在此文章從風(fēng)壓的各個(gè)方面做了介紹。文章選自：《地下工程與隧道》,《地下工程與隧道》事各種隧道和地下工程的規(guī)劃、勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工和養(yǎng)護(hù)的應(yīng)用科學(xué)和工程技術(shù)。土木工程的分支。隧道及地下工程也指在巖體或土層中修建的通道和地下建筑物，包括鐵路、道路、運(yùn)河隧道，地下鐵道，水底隧道，工業(yè)和民用的市政、防空、采礦、儲(chǔ)存和生產(chǎn)等用途的地下工程，各種國(guó)防坑道，水利發(fā)電工程的地下發(fā)電廠(chǎng)和各種地下水工隧洞等。

　　摘要：隧道內(nèi)列車(chē)活塞運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的空氣動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象是三維可壓縮、非定常的紊流,但由于隧道的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于隧道的水力半徑,而在隧道通風(fēng)系統(tǒng)計(jì)算中是以隧道斷面平均速度作為研究對(duì)象,因此可以用一維非穩(wěn)定流模型來(lái)描述,在這方面美國(guó)交通部作過(guò)相應(yīng)的理論分析并為大量的測(cè)試所證明。

　　關(guān)鍵詞：地鐵隧道,風(fēng)壓變化,論文投稿

　　1壓力及壓力變化率標(biāo)準(zhǔn)

　　列車(chē)在隧道內(nèi)高速運(yùn)行的壓力及壓力變化率若超出一定的限制,輕則會(huì)造成乘客耳朵不適,乘客舒適度降低,行車(chē)阻力增大和能耗增加,重則會(huì)造成乘客失聰,甚至影響車(chē)輛行車(chē)安全。因此,已建成并投入運(yùn)營(yíng)的高速軌道交通系統(tǒng)對(duì)隧道內(nèi)的壓力及壓力變化率均作出了一定的限制(詳見(jiàn)表1),雖然不同系統(tǒng)的限值存在較大的差異,但基本上均從兩個(gè)方面控制:

　　(1)“峰對(duì)峰”(peak to peak)值,即最大壓力變化的絕對(duì)值;

　　(2)壓力變化率。

　　在有關(guān)的研究文獻(xiàn)中還指出上述兩種控制指標(biāo)單獨(dú)使用均不能合理地反映乘客的生理反應(yīng),例如,對(duì)于壓力變化絕對(duì)值較高但壓力變化過(guò)程較長(zhǎng)的情況,由于人體來(lái)得及適應(yīng)耳膜內(nèi)外壓力變化,因此不會(huì)有明顯的不適反應(yīng),這方面非常典型的例子是飛機(jī)在起飛或降落過(guò)程中的緩慢降壓或升壓過(guò)程,雖然其前后的壓力變化達(dá)幾千帕,但乘客一般不會(huì)有不良反應(yīng)。另一方面,若壓力變化率較大,但壓力變化的絕對(duì)值控制在一定的范圍內(nèi)時(shí),乘客一般也不會(huì)有不舒適的反應(yīng)。當(dāng)然,無(wú)論如何隧道內(nèi)的壓力變化絕對(duì)值不可以超過(guò)10 kPa,這會(huì)對(duì)乘客的耳膜造成永久性傷害。

　　雖然世界各國(guó)對(duì)高速隧道內(nèi)壓力變化及壓力變化率的標(biāo)準(zhǔn)不完全一致,美國(guó)運(yùn)輸部(USDOT)在這方面是較早開(kāi)展研究的單位之一,而其在《地鐵環(huán)境設(shè)計(jì)手冊(cè)》(Subway Environmental Design Handbook)提出表1中的標(biāo)準(zhǔn)也基本得到世界各國(guó)的認(rèn)可,同時(shí)也在多條地鐵或快速軌道交通的設(shè)計(jì)中采用,其典型系統(tǒng)為美國(guó)三藩市的BART(最高速度80 mile/h,即128 km/h)和香港新機(jī)場(chǎng)快線(xiàn)(最高速度135 km/h),因此,在現(xiàn)行規(guī)范尚未完善前,采用經(jīng)較多實(shí)踐檢驗(yàn)過(guò)的美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)較為合適。

　　表1 各國(guó)隧道壓力控制標(biāo)準(zhǔn)

　　注:Pt為壓力變化率;P為壓力變化絕對(duì)值;P′為特定時(shí)間內(nèi)的壓力變 化。

　　2壓力變化的形成及數(shù)學(xué)描述

　　列車(chē)在隧道內(nèi)運(yùn)行現(xiàn)象與活塞運(yùn)動(dòng)類(lèi)似,但又有所不同,列車(chē)前面的空氣一部分被推向前方,另一部分則沿列車(chē)與隧道之間的環(huán)形空間形成回流,這主要是由于空氣黏性以及氣流對(duì)隧道壁面和列車(chē)表面的摩擦作用使得被列車(chē)排擠的空氣不能像在大空間中那樣及時(shí)散開(kāi)。因此,列車(chē)前方空氣受壓縮,隨之就產(chǎn)生特定的壓力變化過(guò)程,其引起的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)會(huì)隨著行車(chē)速度的提高而加劇。當(dāng)然,隧道內(nèi)的壓力變化除與行車(chē)速度有關(guān)外,還受列車(chē)車(chē)輛的有關(guān)參數(shù)(車(chē)頭尾的形狀系數(shù)、列車(chē)截面、列車(chē)表面阻力系數(shù)等)、隧道型式(隧道截面面積、隧道和道床的表面阻力系數(shù)、所有隧道通風(fēng)管件變化等)等條件的影響。

　　(1)連續(xù)性方程

　　一般來(lái)說(shuō),隧道內(nèi)的活塞風(fēng)速較低,小于0��1馬赫數(shù),因此,可以將列車(chē)活塞運(yùn)動(dòng)的空氣流動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象作為不可壓縮流體的空氣流動(dòng)現(xiàn)象��

　　因此,將式(2)沿流線(xiàn)積分可得到下式:

　　3壓力變化的數(shù)值分析

　　目前,在地鐵隧道通風(fēng)方面數(shù)值模擬分析較通用的軟件為美國(guó)運(yùn)輸部組織編寫(xiě)的SES(Subway Environmental Simulation Computer Program)程序,該程序是一維模型,不但可以用于預(yù)測(cè)地鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)隧道內(nèi)的空氣溫濕度,還可以用作壓力分析,而且已成功用于世界上多條地鐵設(shè)計(jì)中。根據(jù)前面的分析可知,由于地鐵隧道內(nèi)壓力變化與許多因素有關(guān),因此,我們根據(jù)地鐵最普遍采用的相關(guān)參數(shù)選取3種最通常出現(xiàn)的情況進(jìn)行了模擬分析,分析結(jié)果如下。

　　(1)長(zhǎng)區(qū)間隧道

　　對(duì)于一段2��5 km長(zhǎng)的單洞單線(xiàn)隧道,阻塞比約為0��48,在隧道兩端均為設(shè)置有站臺(tái)屏蔽門(mén)的島式站臺(tái)的地下車(chē)站,同時(shí)在隧道的兩端均設(shè)有16 m2的活塞風(fēng)井,列車(chē)的行車(chē)間隔為120 s,當(dāng)列車(chē)以120 km/h的速度經(jīng)過(guò)隧道中部區(qū)域時(shí),根據(jù)SES程序模擬計(jì)算顯示:其隧道內(nèi)中部區(qū)域某固定點(diǎn)處一個(gè)行車(chē)間隔內(nèi)的壓力變化(如圖1所示)將超過(guò)允許標(biāo)準(zhǔn),最大壓力變化率達(dá)972 Pa/s,因此正常運(yùn)行時(shí)不可以有工作人員在隧道內(nèi)作業(yè);而列車(chē)上乘客所感受的壓力變化則不同,圖2是SES模擬計(jì)算列車(chē)以高速通過(guò)區(qū)間隧道中部附近區(qū)域時(shí),25 s內(nèi)列車(chē)頭及車(chē)尾的壓力變化曲線(xiàn),從圖中可知,列車(chē)在通過(guò)區(qū)間中點(diǎn)前,其車(chē)頭的壓力是逐漸升高,列車(chē)經(jīng)過(guò)中點(diǎn)后,其車(chē)頭的壓力又逐漸下降,這是由于車(chē)頭離前方車(chē)站活塞風(fēng)井越來(lái)越近的緣故;而車(chē)尾的壓力在列車(chē)開(kāi)始制動(dòng)前壓力是一直下降的,這是由于車(chē)尾離后方車(chē)站活塞風(fēng)井越來(lái)越遠(yuǎn)的緣故。從圖2中還可以看出,雖然車(chē)頭車(chē)尾的壓力變化絕對(duì)值較大(特別是負(fù)壓),但其變化過(guò)程是相當(dāng)緩慢的,其最大壓力變化率均小于50 Pa/s,與標(biāo)準(zhǔn)要求還相差較遠(yuǎn)。因此,在高速地鐵隧道內(nèi),若不存在隧道突變時(shí),乘客并不會(huì)有不適反應(yīng)。

　　(2)長(zhǎng)區(qū)間隧道中部中間風(fēng)井處

　　高速地鐵系統(tǒng)的站間距一般較長(zhǎng)(平均達(dá)2~3 km)才能體現(xiàn)高速運(yùn)行的優(yōu)勢(shì),由于種種原因,列車(chē)車(chē)輛的發(fā)熱量也會(huì)有較大幅度的提高,因此,在屏蔽門(mén)系統(tǒng)下為控制地下區(qū)間隧道內(nèi)溫度,一般會(huì)在隧道中部設(shè)置中間風(fēng)井以加大區(qū)間隧道與外界的熱交換。在利用SES程序模擬計(jì)算分析過(guò)程中發(fā)現(xiàn),當(dāng)高速運(yùn)行的列車(chē)通過(guò)中間風(fēng)井時(shí),若不對(duì)中間風(fēng)井處進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?列車(chē)車(chē)頭、車(chē)尾處的壓力變化率相當(dāng)高,這在某些已運(yùn)行的快速軌道交通系統(tǒng)中是存在此種現(xiàn)象的,乘客有非常明顯的耳膜陣痛感。以廣州地鐵3號(hào)線(xiàn)為例,當(dāng)列車(chē)以120 km/h的速度經(jīng)過(guò)隧道中間風(fēng)井時(shí),若不對(duì)接口進(jìn)行任何處理,其車(chē)頭最大壓力變化率高達(dá)近1 000 Pa/s,車(chē)尾也高達(dá)65 Pa/s,而要滿(mǎn)足SES的標(biāo)準(zhǔn),在此種情況下較經(jīng)濟(jì)的處理方法是在一定區(qū)域局部加大隧道截面積,而且最好采用喇叭型的漸變方式,其治理后前后車(chē)頭、車(chē)尾的壓力變化情況詳見(jiàn)圖3、圖4所示。

　　(3)長(zhǎng)區(qū)間隧道口

　　一般地鐵總有部分線(xiàn)路設(shè)于地面以方便與車(chē)輛段聯(lián)絡(luò),若地鐵有部分線(xiàn)路是地面線(xiàn)路且洞口的位置處于列車(chē)高速運(yùn)行區(qū)段,當(dāng)列車(chē)以高速?zèng)_入不作任何處理的隧道內(nèi)時(shí),列車(chē)上乘客耳膜會(huì)有較強(qiáng)的壓痛感,這主要是由于壓力變化率超標(biāo)所致,對(duì)已建成投入運(yùn)營(yíng)的系統(tǒng)來(lái)講惟一的處理方法只有降低列車(chē)速度,即以犧牲運(yùn)營(yíng)水平來(lái)解決,因此,在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)控制解決好隧道口的壓力變化率。國(guó)外有關(guān)研究機(jī)構(gòu)曾進(jìn)行過(guò)有關(guān)研究,其基本結(jié)論是列車(chē)高速運(yùn)行區(qū)段內(nèi)的隧道口面積最少應(yīng)加大到正常隧道面積的2倍,然后在一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)漸變到正常隧道面積,其加大長(zhǎng)度與多種因素有關(guān),其中最重要的兩項(xiàng)是隧道的長(zhǎng)度和列車(chē)的速度。以廣州地鐵3號(hào)線(xiàn)為例,當(dāng)列車(chē)以120 km/h的速度沖入距前方車(chē)站約2 km且不作處理的隧道口時(shí),其車(chē)頭壓力變化率高達(dá)1 000 Pa/s,車(chē)尾壓力變化率也高達(dá)近600 Pa/s,經(jīng)多次模擬計(jì)算,當(dāng)隧道口面積加大至正常隧道面積2倍,漸變長(zhǎng)度為100 m時(shí),其車(chē)頭車(chē)尾的壓力變化率才能得到有效的控制,其治理前后車(chē)頭、車(chē)尾的壓力變化情況詳見(jiàn)圖5、圖6所示。

　　4小 結(jié)

　　根據(jù)前面的有關(guān)分析,可以很明顯地看出,在高速地鐵隧道內(nèi)必須對(duì)壓力及壓力變化率進(jìn)行控制,在目前有關(guān)規(guī)范尚未對(duì)此作出規(guī)定前參考美國(guó)SES標(biāo)準(zhǔn)是較為適當(dāng)?shù)?若現(xiàn)行的《地下鐵道設(shè)計(jì)規(guī)范》適用范圍擴(kuò)大到120 km/h時(shí)應(yīng)補(bǔ)充該部分內(nèi)容。

　　從隧道內(nèi)壓力數(shù)值分析情況基本可以得出以下結(jié)論:正常運(yùn)行時(shí),高速運(yùn)行區(qū)間隧道不應(yīng)有作業(yè)人員;若區(qū)間隧道內(nèi)無(wú)較大的局部變化(無(wú)突擴(kuò)、突縮斷面),雖然長(zhǎng)區(qū)間隧道壓力值較高,但一般壓力變化過(guò)程的時(shí)間長(zhǎng),其壓力變化率較小,對(duì)乘客不會(huì)有影響;但若區(qū)間隧道內(nèi)存在局部隧道截面較大的突擴(kuò)或突縮、中隔墻斷開(kāi)、中間風(fēng)井、隧道口等情況時(shí),必須采取一定的數(shù)值計(jì)算方法,分析壓力變化過(guò)程,確定合理的處理措施才能將壓力變化率控制在可接受的范圍內(nèi)。同時(shí),若處理不當(dāng),出現(xiàn)運(yùn)營(yíng)后壓力變化率過(guò)高而導(dǎo)致乘客有不適反應(yīng)時(shí),只能降低列車(chē)運(yùn)行速度,而這將大大降低預(yù)期的運(yùn)營(yíng)服務(wù)質(zhì)量,達(dá)不到設(shè)計(jì)的運(yùn)營(yíng)速度要求。