东莞轨道交通2号线空气动力学及运行舒适度的研究与实践（下）

东莞轨道交通2号线空气动力学

及运行舒适度的研究与实践（下）

2 采取的主要措施

2.1 扩大长大区间隧道断面

根据仿真计算的结果可以看出，扩大隧道断面缓解空气动力学效应是最有效的措施，其优点为：

1）能够比较彻底地解决速度目标值提高到120 km/h的空气动力学问题。

扩大断面能够直接使地铁列车产生的空气压力幅值降低、压力波动变得缓慢。因此，从根本上降低了空气动力学效应。

2）具有一定的前瞻性。隧道一旦建成，很难改变。大断面隧道缓解空气动力学效应的措施具有一定的前瞻性。

3）能够减小隧道阻力，降低牵引能耗与运营成本。

东莞轨道交通2号线线速度目标值提高后，基本阻力与隧道阻力增加，牵引能耗相应增加，扩大断面可抵消阻力能耗的增加，减少运营成本。经计算，速度提高后，断面直径扩大到6.0 m后，牵引能耗降低4%。

缺点则是增加建设期的投资。隧道断面扩大，如果采用盾构法施工，盾构机型式不是目前国内常用型式，需要特殊定制，制造成本增加；隧道挖土方量及支护结构均有所增加；经研究，盾构法施工大断面区间隧道与常规断面隧道相比土建工程造价约增加25%。经研究2号线线路，只有茶榴区间3.39 km、榴下区间4.27 km、哈陈区间4.6 km隧道长度超过3 km，区间运行速度超过100 km/h，需扩大隧道断面，按长大区间隧道所占比例估算，区间隧道土建工程总造价约增加8%（2号线实际建设过程中，大断面区间盾构隧道较常规断面隧道工程每延米造价约增加8.6%，整个区间隧道土建工程总造价增加约3.7%）。

2.2 提高车辆气密性

2.2.1 车体结构

为保证车体的气密性，采用整体全焊接结构铝合金车体，对直通车下的管路和电缆孔采取必要的密封措施。

2.2.2 车门

车门（包括司机室门）选择密封性能良好的塞拉门，以保证车体密封性。

2.2.3 空调环控设备

轨道交通车辆空调设备的主要任务除调温和向客室提供新鲜空气外，还应避免外部压力波通过通风口进入车厢，在客室进排风口各安装一个压力保护阀，当车内外压力差超过一定的临界值时，进排气压力保护阀同时关闭，空调机组只在车内系统内部循环通风工作，不从车外引进新风。当车内外压力差低于临界值时，进排气阀重新打开，恢复车厢正常进排风。

2.2.4 贯通道

采用双体高气密性的贯通道，具有良好的密封、隔声和隔热性能。

2.3 车头流线型造型

2号线流线型造型如图8所示。车头流线突出1 928 mm（不含车钩），车头两侧设置裙板，进一步改善空气流动性能[9]。

图8 2号线车头流线型造型示意
Fig. 8 Train head of Dongguan Rail Transit Line 2

2.4 隧道中间风井实施过渡段

在茶榴、榴下区间、哈陈3个长度超过3 km的隧道区间，中间风井与隧道相接处设置过渡段长度为20 m的缓冲区，缓解空气压力波的变化。

2.5 隧道出洞口泄压措施

在展览中心站—虎门火车站区间洞口处设置缓冲结构及上下行线之间，隧道与地面间设置泄压孔，以缓解列车进、出洞口时的瞬变压力。

3 压力波测试方法及结果

2015年12月，东莞轨道交通2号线首期段建成并开始试运行，为了验证2号线缓解空气压力波的相关设计是否达到预期，同时为今后100～120 km/h的地铁快线设计提供依据，东莞轨道交通有限公司结合当时东莞轨道交通2号线的实际情况，在2016年1—4月委托中国铁道科学研究院进行了相关测试。

3.1 测试的内容

3.1.1 隧道区间压力波测试

列车以100 km/h、110 km/h、120 km/h 3种速度在区间内运行时，测试各断面最大压力幅值和压力梯度值，并给出波形图。断面布置如表4所示。

表4 测试断面布置

3.1.2 车内外压力波测试

在中间风井打开与关闭两种状态下，列车以100 km/h、110 km/h、120 km/h 3种速度级分别通过西平—陈屋区间的常规断面和大断面时，车体内外压力波变化曲线。

3.1.3 洞口处压力波测试

在展览中心站—虎门火车站区间洞口泄压孔（ZDK34+175）打开与封堵状态下，列车以100 km/h、110 km/h、120 km/h 3种速度级进出展览中心站—虎门火车站区间时，车内外压力变化曲线。

3.2 测试的方法

3.2.1 测试原理图

压力波测试采用高精度压差式压力传感器，该传感器尺寸为Ф10 mm×3 mm，传感器量程为±8.0 kPa，精度为0.25%Fs，动态响应频率为0～3 kHz，如图9所示[11]。

图9 测试原理图

3.2.2 测试设备布置

1）车体传感器。车头位置处车体内外安装气压传感器；司机室空调风口安装风速传感器，车头测点布置见图10。

图10 车头位置压力波传感器

在列车中部、尾部也各布置了一组同样的传感器。

2）在蛤地、西平站人防门处、区间中间风井、联络通道两侧、其他任一位置点安装若干气压传感器。区间测点布置见图11。

图11 区间风压测点布置

3）泄压孔封堵。为测试泄压孔设置的效果，对区间上下行线间泄压孔及地下到地面的泄压孔进行封堵，并对泄压孔有无封堵时的空气压力变化进行对比。

下行线间泄压孔封堵如图12所示，地下到地面的泄压孔封堵如图13所示。

图12 下行线间泄压孔封堵

图13 地下到地面的泄压孔封堵

3.3 测试结果

3.3.1 隧道内的空气压力测试结果

1）当测试列车以120 km/h在西平—蛤地（内径5.4 m，常规断面）区间及蛤地—陈屋（内径6.0 m，扩大断面）区间运行时，测得隧道内瞬变压力最大峰峰值、最大变化率及最大3 s极值出现在中间风井处为 0.975 2、0.919 4、0.962 4 kPa；0.783 9、0.729 3、0.769 9 kPa。说明采用扩大断面及中间风井缓冲设施对缓解隧道内空气压力波变化作用明显。

2）当测试列车在蛤陈区间分别以100、120 km/h速度运行时，测得隧道内瞬变压力最大峰峰值、最大变化率及最大3 s极值出现在联络通道处为0.612 0、0.538 3、0.564 6 kPa；0.920 6、0.856 3、0.898 2 kPa。说明在联络通道处随着速度由 100 km/h提升到120 km/h，联络通道处空气压力变化增加幅度较大，应注意加强联络通道门锁闭机构的加强。

3.3.2 列车内外的空气压力测试结果

1）测试曲线如图14、图15所示。

图14 西蛤区间车体内外瞬变压力典型时程曲线

图15 蛤陈区间车体内外瞬变压力典型时程曲线

2）测试数据如表5所示。

3）数据分析。

由表5可知，测试列车以100～120 km/h运行时，测得列车内瞬变压力最大峰峰值、最大变化率及最大3 s极值较车外相差较大，显示列车密封性能较好，能够较好地缓解空气压力波的影响；

当测试列车以100～120 km/h在西蛤、蛤陈区间运行时，测得西蛤区间车内压力波最大3 s极值为528.7 Pa，蛤陈区间车内压力波最大3 s极值为424.1 Pa，均小于700 Pa，扩大隧道断面区间的车内压力波最大3 s极值明显小于常规断面区间，显示扩大断面隧道起到了缓解空气压力波的作用。

表5 区间中间风井打开状态下的测试数据

在西蛤（内径5.4 m，常规断面）区间，列车120 km/h速度运行时，列车车中（客室内）空气压力波最大变化率为390 Pa/s，超过370 Pa/s，显示在常规断面，列车以120 km/h速度运行时，会给对空气压力波敏感的人带来不舒适。

在蛤陈（内径6.0 m，扩大断面）区间，列车以120 km/h速度运行时，列车车中（客室内）空气压力波最大变化率为261.9 Pa/s，小于330 Pa/s，显示扩大断面对缓解空气压力波的作用明显，对空气压力波敏感的人也不会不舒适。

当测试列车以100～120 km/h在西蛤、蛤陈区间运行时，测得西蛤区间列车头尾压力波最大变化率为463 Pa/s，蛤陈区间列车头尾压力波最大变化率为393.6 Pa/s，均大于370 Pa/s，对空气压力波敏感的人在司机室会感到不舒适，或者说司机室的密封性还需进一步优化提高。

3.3.3 出洞口处列车内外压力波测试结果

根据测试数据可知，在出洞口泄压孔打开状态下，当测试列车以120 km/h通过展虎区间时，车体内瞬变压力变化率为374.9 Pa/s，最大3 s极值为428.2 Pa，最大峰峰值为463.7 Pa；车体外瞬变压力最大变化率为994.5 Pa/s，最大3 s极值为1 222 Pa，最大峰峰值为1 247.2 Pa。在出洞口泄压孔封堵状态下，当测试列车以120 km/h通过展虎区间时，车体内瞬变压力最大变化率为516.8 Pa/s，最大3s极值为571 kPa，最大峰峰值为 609.1 Pa；车体外瞬变压力最大变化率为1 475.8 Pa/s，最大3 s极值为1 602.4 Pa，最大峰峰值为1 609.6 Pa；显示出出洞口泄压孔对缓解出洞口处空气压力波的变化作用明显。

当测试列车以120 km/h通过展虎区间时，车体内瞬变压力最大3 s极值为428.2 Pa，没有超过700 Pa，舒适度得到了保障；车头瞬变压力变化率为374.9 Pa/s，稍大于370 Pa/s，舒适度基本得到了保障。

4 结语

东莞市轨道交通2号线首期段于2016年5月27日以ATO模式，最高行车速度120 km/h开通试运营，经过一年半的运营实践，没有收到乘客对空气压力波感到不适的反映，较好地解决了最高行车速度 120 km/h城市轨道交通地下线路运行时乘客舒适度的问题。

2号线设计初期的专题研究及相关研究成果在设计施工图、各专业实施中的落实，对解决地铁列车在隧道内高速运行乘客舒适度的问题起到了关键的作用，开通前的专项测试也显示出采取缓解空气压力波的各项措施都取得了较好的表现，并摸索出一套衡量空气压力波的标准。希望2号线的设计、建设经验能给东莞后续地铁快线及轨道交通行业快线设计、建设提供有力的支撑及帮助。

本文来源：《都市快轨交通》2018年第3期

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