深圳地铁11号线隧道空气压力波研究_张海天
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都市快轨交通·第 24 卷 第 5 期 2011 年 10 月
doi： 10． 3969 / j． issn． 1672-6073． 2011． 05． 017
学术探讨
深圳地铁 11 号线隧道空气压力波研究
张海天 陈 健
（ 深圳市地铁集团有限公司 广东深圳 518026）
摘 要 分析并提出高速地铁隧道压力舒适度标准。 采用隧道压力波分析软件 ThermoTun，对深圳地铁 11 号 线隧道段不同断面设计情况下的压力波及压力舒适度 进行分析，提出对隧道泄压系统及隧道断面的设计建议。 关键词 深圳地铁 隧道 空气压力波 压力舒适度 中图分类号 U231． 2 文献标识码 A 文章编号 1672-6073（ 2011） 05-0062-04
1． 2 研究背景
国内地铁一般最高运行速度为 80 km / h，盾构隧道 内径 5． 4 m。如果列车运行速度超过 80 km / h，随着速 度的提高，隧道 内 空 气 压 力 变 化 问 题 将 会 变 得 越 来 越 大，尤其会对车 上 乘 客 的 压 力 舒 适 性 及 隧 道 结 构 方 面 造成影响。例如，广州地铁 3 号线列车最高运行速度 为100 km / h，运营 3 年来已有乘客投诉车内压力变化 引起耳鸣等 身 体 不 适 的 情 况。 目 前，国 内 尚 无 相 应 的 规范和标准，无法对 列 车 运 行 速 度 超 过 80 km / h 的地 铁 线 路 的 运营舒适性及隧道的结构设计提供指导性意 见。为此，对深圳地铁 11 号线隧道的空气压力波进行
注： N = 设计的发车方式的数量
图 2 压力波模拟分析流程
4 参数输入计算
4． 1 计算输入的参数 4． 1． 1 列车及行车参数
这些参数包括列车编组及车长、列车头断面尺寸、 列车运行方式、发车数量、发车间隔、最高行车速度、列 车加速度、列车减速度等。
63
都市快轨交通·第 24 卷 第 5 期 2011 年 10 月
2． 2 压力波对人体的危害
压力舒适度与净压力波动值及波动的频率有关，
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深圳地铁11 号线隧道空气压力波研究
空气压力波 动 会 引 起 人 的 耳 部 不 适。 通 常，一 个 健 康 的人能够在 1 s 内承受 1 000 Pa 的压力波动，而不会受 到严重的影 响。 在 不 同 静 压 的 短 期 变 化 情 况 下 ，人 出 现的典型生理症状如表 1 所示。
能
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图 3 压力变化率模拟结果
站南面第一个区间风井往南，各设置 3 个间隔 100 m、 净面积为 0． 5 m2 的泄压风管，再代入参数进行模拟计 算，结果如表 5 ～ 表 6 所示。
表 5 考虑泄压措施的列车上压力波分析结果 （ 福田站—机场北站的隧道段）
盾构
隧道
工
直径 况
UIC-A
内径 / 2 500 Pa /4s
m
满足压力舒适度标准情况 国内研究 国内研究
UIC-B 铁道部规范 建议值 建议值
2 000 Pa /4s 3 000 Pa /3s 2 000 Pa /3s 1 500 Pa /3s
1 5． 4 不能
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收稿日期： 2011-01-27 修回日期： 2011-03-31 作者简介： 张海天，男，大学本科，工学学士，工程师，从事地铁规划
设计工作，1079978582@qq． com
图 1 深圳地铁 11 号线站位
研究，提出了隧道泄压系统及隧道断面设计建议，以指 导下阶 段 工 程 的 设 计 工 作，保 证 11 号 线 列 车 达 到 120 km / h 速度运行时，能提供正常舒适的乘车环境，确 保地铁及设施的安全。
4． 2 计算结果及分析 4． 2． 1 未考虑泄压缓解措施的模拟结果
在列车 120 km / h 速度运行条件下，输入 11 号线前 期设计确定的列车及行车参数、隧道及风井几何参数、 隧道旁通道参 数，对 不 同 直 径 的 盾 构 隧 道 情 况 进 行 模 拟分析，结果如表 3 ～ 表 4 所示。
表 2 压力舒适度参考标准
列车类型
标准
密闭性列车 800 Pa /3s
2 500 Pa /4s
非密闭 性列车
2 000 Pa /4s 3 000 Pa /3s 2 000 Pa /3s
1 500 Pa /3s
标准来源 铁道部规范（ 铁建设［2005］140 号）
UIC 标准 779-11 1． 5． 05 UIC 标准 779-11 1． 5． 05 铁道部规范（ 铁建设［2005］140 号） 国内研究结果建议（ 低标准） 国内研究结果建议（ 高标准）
由未考虑泄压缓解措施而不能 达 标 的工况模拟分 析结果显示，主 要 的 压 力 舒 适 度 问 题 出 现 在 列 车 高 速 驶入 两 段 隧 道 的 洞 口处。因此，考虑在洞口及机场北
表 4 列车上压力波分析结果（松岗站—东宝河站的隧道段）
盾构
隧道
工
直径 况
UIC-A
内径 / 2 500 Pa /4s
3 研究采用的方法
3． 1 分析软件
本次研究采 用 一 维 数 值 分 析 法，运 用 苏 格 兰 邓 迪 大学 Alan Vardy 教 授 在 20 世 纪 70 年 代 研 发 的 ThermoTun 软件 进 行 分 析。ThermoTun 是 专 门 针 对 高 速列车在隧道运行时产生的压力波来进行分析的软件， 已广泛运用于国际上绝大部分高速铁路、地铁提速的设
表 3 列车上压力波分析结果（福田站—机场北站的隧道段）
盾构
隧道
工
直径 况
UIC-A
内径 / 2 500 Pa /4s
m
满足压力舒适度标准情况
铁道部 国内研究
UIC-B
规范
建议值
2 000 Pa /4s
3 000 Pa /3s 2 000 Pa /3s
国内研究 建议值 1 500 Pa /3s
1 5．ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ4 不能
表 1 不同压力变化值下人的典型生理症状
压力变化值 / Pa
典型症状
400 ～ 690
感觉耳部充胀
690 ～ 1 300
感觉耳部更为充胀
1 300 ～ 2 000
感觉耳部十分充胀，听觉强度降低
2 000 ～ 4 000
耳部严重不适，出现耳鸣、耳嘶叫及爆裂声， 还可能出现疼痛及晕眩
2． 3 压力舒适度参考标准
2 压力舒适度标准
2． 1 隧道压力波的产生
当列车快速 进 入 隧 道 时，其 前 方 的 空 气 被 推 入 隧 道深处并受到压缩，以压缩波的形式、以音速向隧道传 播，在隧道不 连 续 点 发 生 反 射。 这 种 压 力 波 的 传 递 和 反射不断出现，形成隧道中复杂的压力波。
这种压力变 化 过 程 引 起 空 气 动 力 学 效 应，会 随 着 行车速度的提 高 而 加 剧，同 时 还 受 列 车 车 辆 的 有 关 参 数（ 车头形状、列车截面、列车表面阻力系数等） 、隧道 形式（ 隧道截面面积、隧道和道床的表面阻力系数、所 有隧道通风管件的变化等） 等条件的影响。
盾构
隧道
工
直径 况
UIC-A
内径 / 2 500 Pa /4s
m
满足压力舒适度标准情况 国内研究 国内研究
UIC-B 铁道部规范 建议值 建议值
2 000 Pa /4s 3 000 Pa /3s 2 000 Pa /3s 1 500 Pa /3s
1 5． 4
能
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2 5． 8
能
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能
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4． 1． 2 隧道风井参数 这些参数包括车站端和区间风井的数量及位置、
风井断面面积及体积。 4． 1． 3 隧道断面参数
这些参数 包 括 各 种 形 式 的 隧 道 横 断 面 净 空 面 积 （ 扣除道床、疏散平台、管线等占有面积） 。
深圳地铁 11 号线为双洞单线路配置，初期设计各 种形式的隧道横断面净空面积，估算分别为： 盾构隧道 （ 直径 5． 8 m） 23． 88 m2 、矿山隧道 24． 66 m2 、明挖隧道 26． 64 m2 。对于直径 5． 4、6． 0、6． 2 及 6． 4 m 的盾构隧 道，其 横 断 面 净 空 面 积 估 算 分 别 为 20． 61、24． 89、 27． 22、29． 11 m2 。
能
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5 结论及建议
1） 根据《列车空气动力学》的研究成果，在列车通
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深圳地铁11 号线隧道空气压力波研究
1 深圳地铁 11 号线概况
1． 1 工程概况
深圳地铁 11 号线是深圳市规划于 2011 年开工 建设的西部组 团 快 线，兼具机场快线功能，线路全长 51． 18 km，其 中 地 下 线 长 42． 7 km，占 线 路 总 长 的 83． 43% ，全线共设车站 12 座，其中地下车站 10 座、地 面车站 2 座，线 路 规 划 最 高 行 车 速 度 为 120 km / h。 11 号线的地下隧道线路可分为两段，分别是福田—机 场北及松岗—东宝河，两段隧道中间为高架段，图 1 为 深圳地铁 11 号线站位示意图。
在正常工 况 下，地 铁 列 车 进 站 时 减 速。 由 于 此 时 车站附近的车 速 并 不 高，屏 蔽 门 上 的 开 口 面 积 与 隧 道 的断面面积相 比 较 小，屏 蔽 门 漏 风 对 压 力 波 的 影 响 极 小，因此在模拟分析上可不用考虑。 4． 1． 4 隧道旁通道参数
这些参 数 包 括 隧 道 旁 通 道 的 数 量 及 设 置 间 隔 情况。
m
满足压力舒适度标准情况 国内研究 国内研究
UIC-B 铁道部规范 建议值 建议值
2 000 Pa /4s 3 000 Pa /3s 2 000 Pa /3s 1 500 Pa /3s
1 5． 4
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表 6 考虑泄压措施的列车上压力波分析结果 （ 松岗站—东宝河站的隧道段）
在速度超过 200 km / h 的高速铁路系统中，通常会 采用密闭 列 车 来 降 低 压 力 瞬 时 变 化 对 车 内 乘 客 的 影 响。列车的密 闭 性 能 越 高，列 车 外 的 压 力 变 化 对 车 内 人员的影响 越 小。 但 除 了 列 车 密 闭 性 外，目 前 国 际 上 还没有一个被广泛接受的列车乘客舒适度标准。日本 新干线、德国和 英 国 高 速 铁 路 系 统、美 国 地 铁，都 从 自 身线路、列车状况以及人体生理情况研究，提出了不同 的压力舒适 度 标 准。 其 中，世 界 各 地 应 用 较 为 广 泛 的 是 International Union of Railways（ UIC） 的压力舒适度标 准。我国也开展了压力变化率和舒适度的相关研究，并 取得了一定的成果。结合深圳地铁 11 号线线路工程特 征，以及对国际上相关压力舒适度标准的分析，归纳提 出了本项目研究所参考的压力舒适度标准，见表 2。
不能
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在列车 120 km/ h 速度的运行条件下，隧道直径 6． 0 m 的福田站—机场北站隧道段（ 表 3 中的工况 3） 最大压 力变化率模拟结果如图 3 所示。 4． 2． 2 考虑泄压缓解措施的模拟结果
计。ThermoTun 能对不同的隧道设计进行量化分析，可 以非常准确地模拟高速列车在隧道中运行时的各种空 气动力学现象，如压力波的产生、反射和衰减等，还有在 不同隧道设计上列车内外人员的压力舒适度分析等。
3． 2 研究路径
基于深圳 地 铁 11 号 线 前 期 设 计 确 定 的 线 路、隧 道、列车、行车及通风系统的设计参数，利用 ThermoTun 软件进行数值建模，在分析 5． 4 m 直径盾构隧道压力 舒适度的基础上，进一步对直径 5． 8、6． 0、6． 2 及 6． 4 m 的盾构进行了 分 析，对 不 满 足 压 力 舒 适 度 标 准 的 地 段 提出改进措施； 同时，考虑列车行的车间隔和不同的发 车方式，分析不同情况下列车上的压力变化，找出不满 足压力舒适度的隧道段，提出泄压系统设计方案，反复 进行数值迭代 模 拟 分 析，找 出 可 以 量 化 且 可 行 的 泄 压 系统方案。具体模拟分析流程如图 2 所示。
doi： 10． 3969 / j． issn． 1672-6073． 2011． 05． 017
学术探讨
深圳地铁 11 号线隧道空气压力波研究
张海天 陈 健
（ 深圳市地铁集团有限公司 广东深圳 518026）
摘 要 分析并提出高速地铁隧道压力舒适度标准。 采用隧道压力波分析软件 ThermoTun，对深圳地铁 11 号 线隧道段不同断面设计情况下的压力波及压力舒适度 进行分析，提出对隧道泄压系统及隧道断面的设计建议。 关键词 深圳地铁 隧道 空气压力波 压力舒适度 中图分类号 U231． 2 文献标识码 A 文章编号 1672-6073（ 2011） 05-0062-04
1． 2 研究背景
国内地铁一般最高运行速度为 80 km / h，盾构隧道 内径 5． 4 m。如果列车运行速度超过 80 km / h，随着速 度的提高，隧道 内 空 气 压 力 变 化 问 题 将 会 变 得 越 来 越 大，尤其会对车 上 乘 客 的 压 力 舒 适 性 及 隧 道 结 构 方 面 造成影响。例如，广州地铁 3 号线列车最高运行速度 为100 km / h，运营 3 年来已有乘客投诉车内压力变化 引起耳鸣等 身 体 不 适 的 情 况。 目 前，国 内 尚 无 相 应 的 规范和标准，无法对 列 车 运 行 速 度 超 过 80 km / h 的地 铁 线 路 的 运营舒适性及隧道的结构设计提供指导性意 见。为此，对深圳地铁 11 号线隧道的空气压力波进行
注： N = 设计的发车方式的数量
图 2 压力波模拟分析流程
4 参数输入计算
4． 1 计算输入的参数 4． 1． 1 列车及行车参数
这些参数包括列车编组及车长、列车头断面尺寸、 列车运行方式、发车数量、发车间隔、最高行车速度、列 车加速度、列车减速度等。
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都市快轨交通·第 24 卷 第 5 期 2011 年 10 月
2． 2 压力波对人体的危害
压力舒适度与净压力波动值及波动的频率有关，
62
深圳地铁11 号线隧道空气压力波研究
空气压力波 动 会 引 起 人 的 耳 部 不 适。 通 常，一 个 健 康 的人能够在 1 s 内承受 1 000 Pa 的压力波动，而不会受 到严重的影 响。 在 不 同 静 压 的 短 期 变 化 情 况 下 ，人 出 现的典型生理症状如表 1 所示。
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图 3 压力变化率模拟结果
站南面第一个区间风井往南，各设置 3 个间隔 100 m、 净面积为 0． 5 m2 的泄压风管，再代入参数进行模拟计 算，结果如表 5 ～ 表 6 所示。
表 5 考虑泄压措施的列车上压力波分析结果 （ 福田站—机场北站的隧道段）
盾构
隧道
工
直径 况
UIC-A
内径 / 2 500 Pa /4s
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满足压力舒适度标准情况 国内研究 国内研究
UIC-B 铁道部规范 建议值 建议值
2 000 Pa /4s 3 000 Pa /3s 2 000 Pa /3s 1 500 Pa /3s
1 5． 4 不能
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5 6． 4
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收稿日期： 2011-01-27 修回日期： 2011-03-31 作者简介： 张海天，男，大学本科，工学学士，工程师，从事地铁规划
设计工作，1079978582@qq． com
图 1 深圳地铁 11 号线站位
研究，提出了隧道泄压系统及隧道断面设计建议，以指 导下阶 段 工 程 的 设 计 工 作，保 证 11 号 线 列 车 达 到 120 km / h 速度运行时，能提供正常舒适的乘车环境，确 保地铁及设施的安全。
4． 2 计算结果及分析 4． 2． 1 未考虑泄压缓解措施的模拟结果
在列车 120 km / h 速度运行条件下，输入 11 号线前 期设计确定的列车及行车参数、隧道及风井几何参数、 隧道旁通道参 数，对 不 同 直 径 的 盾 构 隧 道 情 况 进 行 模 拟分析，结果如表 3 ～ 表 4 所示。
表 2 压力舒适度参考标准
列车类型
标准
密闭性列车 800 Pa /3s
2 500 Pa /4s
非密闭 性列车
2 000 Pa /4s 3 000 Pa /3s 2 000 Pa /3s
1 500 Pa /3s
标准来源 铁道部规范（ 铁建设［2005］140 号）
UIC 标准 779-11 1． 5． 05 UIC 标准 779-11 1． 5． 05 铁道部规范（ 铁建设［2005］140 号） 国内研究结果建议（ 低标准） 国内研究结果建议（ 高标准）
由未考虑泄压缓解措施而不能 达 标 的工况模拟分 析结果显示，主 要 的 压 力 舒 适 度 问 题 出 现 在 列 车 高 速 驶入 两 段 隧 道 的 洞 口处。因此，考虑在洞口及机场北
表 4 列车上压力波分析结果（松岗站—东宝河站的隧道段）
盾构
隧道
工
直径 况
UIC-A
内径 / 2 500 Pa /4s
3 研究采用的方法
3． 1 分析软件
本次研究采 用 一 维 数 值 分 析 法，运 用 苏 格 兰 邓 迪 大学 Alan Vardy 教 授 在 20 世 纪 70 年 代 研 发 的 ThermoTun 软件 进 行 分 析。ThermoTun 是 专 门 针 对 高 速列车在隧道运行时产生的压力波来进行分析的软件， 已广泛运用于国际上绝大部分高速铁路、地铁提速的设
表 3 列车上压力波分析结果（福田站—机场北站的隧道段）
盾构
隧道
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直径 况
UIC-A
内径 / 2 500 Pa /4s
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满足压力舒适度标准情况
铁道部 国内研究
UIC-B
规范
建议值
2 000 Pa /4s
3 000 Pa /3s 2 000 Pa /3s
国内研究 建议值 1 500 Pa /3s
1 5．ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ4 不能
表 1 不同压力变化值下人的典型生理症状
压力变化值 / Pa
典型症状
400 ～ 690
感觉耳部充胀
690 ～ 1 300
感觉耳部更为充胀
1 300 ～ 2 000
感觉耳部十分充胀，听觉强度降低
2 000 ～ 4 000
耳部严重不适，出现耳鸣、耳嘶叫及爆裂声， 还可能出现疼痛及晕眩
2． 3 压力舒适度参考标准
2 压力舒适度标准
2． 1 隧道压力波的产生
当列车快速 进 入 隧 道 时，其 前 方 的 空 气 被 推 入 隧 道深处并受到压缩，以压缩波的形式、以音速向隧道传 播，在隧道不 连 续 点 发 生 反 射。 这 种 压 力 波 的 传 递 和 反射不断出现，形成隧道中复杂的压力波。
这种压力变 化 过 程 引 起 空 气 动 力 学 效 应，会 随 着 行车速度的提 高 而 加 剧，同 时 还 受 列 车 车 辆 的 有 关 参 数（ 车头形状、列车截面、列车表面阻力系数等） 、隧道 形式（ 隧道截面面积、隧道和道床的表面阻力系数、所 有隧道通风管件的变化等） 等条件的影响。
盾构
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内径 / 2 500 Pa /4s
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满足压力舒适度标准情况 国内研究 国内研究
UIC-B 铁道部规范 建议值 建议值
2 000 Pa /4s 3 000 Pa /3s 2 000 Pa /3s 1 500 Pa /3s
1 5． 4
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不能
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2 5． 8
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4． 1． 2 隧道风井参数 这些参数包括车站端和区间风井的数量及位置、
风井断面面积及体积。 4． 1． 3 隧道断面参数
这些参数 包 括 各 种 形 式 的 隧 道 横 断 面 净 空 面 积 （ 扣除道床、疏散平台、管线等占有面积） 。
深圳地铁 11 号线为双洞单线路配置，初期设计各 种形式的隧道横断面净空面积，估算分别为： 盾构隧道 （ 直径 5． 8 m） 23． 88 m2 、矿山隧道 24． 66 m2 、明挖隧道 26． 64 m2 。对于直径 5． 4、6． 0、6． 2 及 6． 4 m 的盾构隧 道，其 横 断 面 净 空 面 积 估 算 分 别 为 20． 61、24． 89、 27． 22、29． 11 m2 。
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5 结论及建议
1） 根据《列车空气动力学》的研究成果，在列车通
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深圳地铁11 号线隧道空气压力波研究
1 深圳地铁 11 号线概况
1． 1 工程概况
深圳地铁 11 号线是深圳市规划于 2011 年开工 建设的西部组 团 快 线，兼具机场快线功能，线路全长 51． 18 km，其 中 地 下 线 长 42． 7 km，占 线 路 总 长 的 83． 43% ，全线共设车站 12 座，其中地下车站 10 座、地 面车站 2 座，线 路 规 划 最 高 行 车 速 度 为 120 km / h。 11 号线的地下隧道线路可分为两段，分别是福田—机 场北及松岗—东宝河，两段隧道中间为高架段，图 1 为 深圳地铁 11 号线站位示意图。
在正常工 况 下，地 铁 列 车 进 站 时 减 速。 由 于 此 时 车站附近的车 速 并 不 高，屏 蔽 门 上 的 开 口 面 积 与 隧 道 的断面面积相 比 较 小，屏 蔽 门 漏 风 对 压 力 波 的 影 响 极 小，因此在模拟分析上可不用考虑。 4． 1． 4 隧道旁通道参数
这些参 数 包 括 隧 道 旁 通 道 的 数 量 及 设 置 间 隔 情况。
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满足压力舒适度标准情况 国内研究 国内研究
UIC-B 铁道部规范 建议值 建议值
2 000 Pa /4s 3 000 Pa /3s 2 000 Pa /3s 1 500 Pa /3s
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表 6 考虑泄压措施的列车上压力波分析结果 （ 松岗站—东宝河站的隧道段）
在速度超过 200 km / h 的高速铁路系统中，通常会 采用密闭 列 车 来 降 低 压 力 瞬 时 变 化 对 车 内 乘 客 的 影 响。列车的密 闭 性 能 越 高，列 车 外 的 压 力 变 化 对 车 内 人员的影响 越 小。 但 除 了 列 车 密 闭 性 外，目 前 国 际 上 还没有一个被广泛接受的列车乘客舒适度标准。日本 新干线、德国和 英 国 高 速 铁 路 系 统、美 国 地 铁，都 从 自 身线路、列车状况以及人体生理情况研究，提出了不同 的压力舒适 度 标 准。 其 中，世 界 各 地 应 用 较 为 广 泛 的 是 International Union of Railways（ UIC） 的压力舒适度标 准。我国也开展了压力变化率和舒适度的相关研究，并 取得了一定的成果。结合深圳地铁 11 号线线路工程特 征，以及对国际上相关压力舒适度标准的分析，归纳提 出了本项目研究所参考的压力舒适度标准，见表 2。
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在列车 120 km/ h 速度的运行条件下，隧道直径 6． 0 m 的福田站—机场北站隧道段（ 表 3 中的工况 3） 最大压 力变化率模拟结果如图 3 所示。 4． 2． 2 考虑泄压缓解措施的模拟结果
计。ThermoTun 能对不同的隧道设计进行量化分析，可 以非常准确地模拟高速列车在隧道中运行时的各种空 气动力学现象，如压力波的产生、反射和衰减等，还有在 不同隧道设计上列车内外人员的压力舒适度分析等。
3． 2 研究路径
基于深圳 地 铁 11 号 线 前 期 设 计 确 定 的 线 路、隧 道、列车、行车及通风系统的设计参数，利用 ThermoTun 软件进行数值建模，在分析 5． 4 m 直径盾构隧道压力 舒适度的基础上，进一步对直径 5． 8、6． 0、6． 2 及 6． 4 m 的盾构进行了 分 析，对 不 满 足 压 力 舒 适 度 标 准 的 地 段 提出改进措施； 同时，考虑列车行的车间隔和不同的发 车方式，分析不同情况下列车上的压力变化，找出不满 足压力舒适度的隧道段，提出泄压系统设计方案，反复 进行数值迭代 模 拟 分 析，找 出 可 以 量 化 且 可 行 的 泄 压 系统方案。具体模拟分析流程如图 2 所示。