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地铁区间中间风井侧墙动态承压特性研究

2020-01-03 10:07:30 中国水运 2020年12期

王丽慧 张雨蒙 张杉 高仁义

摘 要:本文以上海地铁某号线4个区间中间风井处的侧墙(构成材料为砖墙)为背景,采用了现场实测的方法,研究了列车正常运行工程中,中间风井地下一层侧墙所承受的静压、动压及全压。测试结果表明,地下一层侧墙承压最大值约为100pa~300pa。其中,侧墙动压数值远小于侧墙静压,侧墙静压约占侧墙全压的77%,为侧墙承压的主体部分。本文研究结果为是否需要更换以上区间中间风井侧墙材料,为列车安全运行提供了一定的数据参考。

关键词:地铁中间风井侧墙;压力变化规律;现场实测;全压;热流密度

列车在长大区间隧道内运行,因列车截面与隧道截面的面积比,导致了随列车行车速度波动的活塞风压。而设置于长大区间隧道中部的中间风井,其主要功能是通过泄压来缓解此活塞风压对区间隧道、运行列车和车站的不利影响,同时通过与室外的空气交换保证区间隧道内新风量。

最近,列车运行产生的压力波动对隧道及中间风井的影响逐渐成为人们关注的焦点。例如,车轮飞[1]采用了数值模拟的方法模拟得出了列车密封指数对车厢内瞬变压力影响明显,及车厢内瞬变压力随行车速度的增加而增加的变化规律。林世生[2]采用地铁环境模拟计算软件 SES 4.1,对广州地铁 14 号线列车线路在隧道运行时压力波动及压力舒适度进行计算分析,提出对于120km/h运行的列车,在中间风井处设置前后各15m的渐扩段,可缓解列车压力。陈波[3]总结东菀市城市轨道交通号线的设计、建设、运营,提出了扩大区间隧道断面,提高列车气密性的建议,以解决列车在隧道内高速运行乘客舒适度的问题。陈雅莉[4]采用数值分析方法,计算得到在不同断面的隧道内,当列车最高速度为120km/h,车辆密封指数为t=3s时,隧道盾构内径大于等于6m,可满足列车运行压力控制标准;当列车最高速度为140km/h,车辆密封指数为t=3s时,隧道盾构内径大于等于6.8m,可滿足列车运行压力控制标准。

但是,以上研究多以数值模拟为主,而且都没有涉及到列车通过中间风井前后,由活塞作用导致的区间中间风井地下一层侧墙承压的问题,为了填补这一研究空白,本文采用现场实测的方法,对上海地铁某号线4个区间中间风井处的地下一层侧墙(构成材料为砖墙)进行了压力测试,分析了地铁中间风井处地下一层侧墙压力在列车运行全过程中的变化规律和压力最大值,作为是否需要更换此类区间侧墙材料的依据,以确保地铁列车安全运行。

1 中间风井侧墙承压机理分析与测试方案

1.1 中间风井侧墙承压构成分析

当列车正常运行通过中间风井前后的一段时间内,中间风井活塞风阀周围的侧墙势必会受到列车运行所分流的活塞风的冲击而产生的压力作用。在这个过程中,各区间活塞风阀上侧和下侧相邻侧墙的承压可分为全压、静压和动压三个部分。各压力之间的关系见式(1)与式(2)。

1.2 中间风井侧墙承压测试方案

1.2.1 中间风井侧墙静压的测试

考虑到地铁中间风井所处侧墙房间的测试安全,墙体静压难以直接打孔测试得到。本文依据房间静压与墙体静压相等,分别测得区间中间风井侧墙所处房间全压与房间动压,然后依据式(1)计算得到房间静压,即侧墙静压。其中侧墙所在房间全压采用毕托管测试,参见图1,毕托管的一条软管放入所测房间,另一条软管放在所测房间之外,测试房间内外隔离,测试过程中毕托管测得的房间全压的正负值可反映地铁列车与中间风井的相互位置关系,一般列车经过风井之前,正压作用房间,而列车经过风井后,负压作用房间。房间动压则采用热线风速仪测得房间主流风速,并进一步通过式(2)计算得到,在进行房间同一断面多点同时风速监测的预实验基础上,因图中所示位置较能代表房间该断面的平均风速,因此在此处布置风速测点。

1.2.2 中间风井侧墙动压的测试

活塞风通过中间风井进出在侧墙附近存在不同方向的湍流,对侧墙造成动压。侧墙动压采用两种方法测试,其一为采用热线风速仪正对于侧墙,测试探头断面平行于墙体,仅获得垂直于侧墙的风速值数据,由式(2)计算出侧墙的垂直动压。其二为利用所测墙体换热特性来反映其所受来自各个方向气流作用的综合风速及其相应综合动压。此方法适用于墙体附近气流紊乱、无法准确获得气流方向的实际工况。该方法的步骤是:首先,用热流密度计、壁面温度计、空气温度计测得其热流密度Q,壁面温度tw,空气温度ta,然后根据Q、tw、ta与换热系数h的关系,见式(3),求得其换热系数h;其次,再利用不同流动状态下换热系数h与风速uz的关系,见式(4)、式(5)和式(6),先倒推求得Re[5]数,再求得墙体表面的综合风速;第三,结合动压公式,由综合风速即可计算出侧墙表面承受的综合动压。此综合动压反应了不同方向风速对墙体的综合作用。

1.2.3 中间风井侧墙全压的计算

依据上文测试所得到的静压与动压,结合即可求得侧墙全压,全压计算技术路线图见下图 3。

1.3 中间风井侧墙承压测试工况

本文研究的中间风井附近的侧墙主要为与水平活塞风阀上侧相邻的地下一层侧墙(靠近地面)。共测试4个区间中间风井侧墙,其中区间1测试侧墙编号为1-1至1-4、区间2测试侧墙编号为2-1、区间3测试侧墙编号为3-1至3-3、区间4测试侧墙编号为4-1至4-3。其中测试所需仪器、仪器参数及仪器读数间隔见下表1。以一个列车即将到达中间风井附近隧道、经过中间风井、驶离中间风压力波动的完整过程为一个测试周期,测试中,各仪器每10s记录一次数据,实测中,对4个区间内地下一层的相关各个侧墙分别进行上述2-3个周期的实测研究。

2 中间风井侧墙承压实测结果与分析

2.1 地下一层侧墙静压测试结果

如上文所述,侧墙静压与房间静压相等,可由房间全压与房间动压之差求出。以下部分给出了利用房间全压,房间动压的实测结果计算得到的房间静压,即侧墙静压,并对侧墙静压进行分析,结果曲线见下图4。

由上图可知,在每个列车作用周期,墙体所在房间的静压随着列车与中间风井的相对位置在正压与负压之间交替波动。各站台墙体静压正压峰值大部在50pa~100pa之间波动,墙体静压负压峰值大部在-50pa-100pa之间波动。其中区间3中3-2号墙与3-3号墙的静压正压波动略高于负压,在150pa左右;区间1中 1-2号墙正负压变化高于其他位置侧墙,2号墙最大静压正压峰值接近300pa。

2.2 地下一层侧墙动压两种测试结果的比较

图5给出了地下一层依据热线风速仪测试得到的垂直风速与依据对流换热机理、壁面温度、空气温度和壁面热流密度实测计算得到的综合风速,可见在各区间列车作用周期内,代表各方向气流对侧墙动压作用的综合风速(最大风速在2.5m/s~4m/s之间)大于对墙体垂直方向作用的垂直风速(最大风速在0.5m/s~1.5m/s之间),综合风速数值约为垂直风速数值的3倍,且墙体综合风速随列车的运行波动幅度较大。

图6根据动压与风速之间的计算关系式,进一步计算得到各区间列车作用周期内各个方向气流对侧墙综合動压和垂直方向气流对其的垂直动压,可明显看到各个方向气流对侧墙的综合动压明显高于垂直动压,墙体综合动压随列车的运行波动幅度较大。

2.3 地下一层侧墙全压测试结果

由上文求得的地下一层侧墙静压与侧墙综合动压,根据式(1)求得侧墙全压。侧墙全压、侧墙静压、侧墙动压的结果曲线见下图7。

由下图可知,在每个列车作用周期,墙体所在房间的全压随着列车与中间风井的相对位置在正压与负压之间交替波动,各站台墙体正压峰值在80~200之间波动,各站台墙体负压峰值在-80~130之间波动,在不同列车运行周期下具有可重复性;通过比较侧墙全压、静压、动压可知区间中间风井处侧墙动压数值远小于静压,静压数值略小于全压,综合各墙体静压与全压比较得,静压约占墙体全压的77%,由此可知静压为侧墙承压的主要部分。

3 结论

(1)列车正常运行工况下,在列车通过中间风井前后的一段时间内,墙体所在房间的全压、静压随着列车与中间风井的相对位置在正压与负压之间交替波动,在每个列车运行周期都具有可重复性。

(2)列车正常运行工况下,实测地下一层侧墙承压全压最大值约为100pa~300pa,测试各区间侧墙动压数值均远小于侧墙静压,侧墙静压为侧墙全压的主体部分,侧墙静压约占侧墙全压的77%。

(3)依据对流换热机理、壁面温度、空气温度和壁面热流密度实测计算得到的综合风速波动明显大于依据热线风速仪测试得到的垂直风速,综合风速数值约为垂直风速数值的3倍,对于墙体附近气流紊乱、无法准确获得气流方向的实际工况,综合风速具有较高的工程价值。

参考文献:

[1]车轮飞.城市地铁隧道中间风井处车箱内瞬变压力模拟分析[J].建筑热能通风空调,2011,30(03):89-91.

[2]林世生.关于广州地铁隧道空气动力学效应缓解措施的研究[J].隧道建设,2013,33(08):650-658.

[3]陈波,胡文伟.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[J].都市快轨交通,2018,31(03):68-77.

[4]陈雅莉,翁运飞.高速地铁隧道压力波分析与隧道断面选取[J].铁道勘察,2016,42(04):91-94.

[5]章熙民.传热学[M].北京:中国建筑工业出版社,2014.