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活塞效應(Piston Effect)指在隧道中高速運行的列車,會帶動隧道中的空氣產生高速流動,因為類似汽缸內活塞壓縮氣體之現象。當高速運行之列車進入隧道,隧道內之空氣原為靜止,因列車之重擊,產生高壓波,該高壓波以聲音的速度傳播(遠大於列車行駛速度),因此當列車進入隧道產生之高壓波迅速往下游傳遞,壓力波傳達的隧道空氣立即被加速,當壓力波抵達下游隧道口時產生反射波,反射波往隧道上游傳遞,當其傳遞之隧道空氣將再一次被加速。同樣的列車車尾進入隧道,會產生一股負壓波,該股負壓波,也同樣會作用在隧道內之空氣流速。

1活塞效應

受到隧道構造的影響,亦可能因波動的穿透或反射而改變波動。因列車在隧道內行駛而產生各種波動在隧道內逐漸加速隧道內的空氣流動,使隧道內的空氣隨著列車而行進,便稱之為隧道內之活塞效應。
在地下化軌道系統的車站中,活塞效應會將隧道內的空氣帶進車站內,造成車站內空氣品質惡化。不過近期的設計都會利用活塞效應來把臟空氣排出通風井,並帶入新鮮的空氣。這樣的應用也會用在一些車行隧道中,如高雄過港隧道。另外可以在車站月台設立月台門,將車站與隧道分成兩個獨立的空間,亦可以改善車站的空氣品質。由此可看出活塞效應與隧道通風息息相關。

2活塞效應產生之問題

當列車於空曠處行駛會造成壓力改變併產生噪音等現象,穿過隧道時,噪音波在隧道內受隧道壁局限而震蕩加劇。此外,列車高速進入隧道時,車頭撞擊隧道內空氣產生一股強烈壓力波以音速(遠大於列車行駛速度)在隧道內震蕩傳播,隧道內之壓力波會造成旅客不舒適感,且可能破壞軌道之相關設施。當高壓波傳抵隧道下游出口,撞擊隧道口外之空氣,壓力波隨著空間擴大而稀薄化為微壓波(micro-pressure wave),微壓波會產生令人不愉悅的噪音,使隧道口附近住民受到干擾,稱之為微壓波噪音。再則,因隧道內壓力震蕩對列車產生阻力,隨著波動使阻力忽大忽小,可能影響列車行進之平穩性,且增加列車能源之消耗。理想之隧道通風設計應全盤考量上述各項之影響,使列車在隧道行進可以提供旅客舒適的環境,並達到節能之目的。

3列車隧道活塞問題之解決

在二十世紀中期的歐洲,土木公共基礎建設大致完善,而當時列車之速度不斷提升,便引發列車隧道的總空氣動力問題,而列車活塞效應的物理現象有些類似發電水路的水錘作用的物理現象,使得許多原本從事土木水利研究的機構,紛紛開始進行列車隧道之活塞效應研究。日本為主辦1964年奧運而興建高速鐵路,進而發現列車在隧道內行進,容易造成旅客耳鳴及在隧道洞口產生微壓波噪音等現象。這些問題的發生,使更多人投入列車隧道活塞效應的研究,並逐漸掌控其物理現象。在1980年代末期的歐洲對於活塞效應的數值分析也逐漸成孰,如今的數值模式已具備有非常高的精確度。 當今軌道列車(捷運、高速鐵路或一般鐵路)速度較快,所遭遇的空氣動力環保問題是噪音、壓力及隧道內溫度控制等新問題,而這些問題可以透過適當的工程方法改善,例如:中國台灣省的地下捷運系統常在地下車站兩端布置有通風豎井,恰當的豎井布置可以減緩車站內承受的空氣壓力,亦可達到隧道內空氣更新的目的。在隧道出入口可採用隧道口漸變斷面(flare tunnel),或設置開孔的假隧道(hood tunnel),或者直接加大隧道斷面尺寸,或改變車頭形狀以減小車頭阻力係數等等方式,消減列車進入隧道產生的壓力波及微壓波強度。再則,可以採用更高級的列車,使列車車廂的氣密性更佳,而不易受到外在壓力變化的影響,使旅客感覺更舒適。

4列車隧道活塞問題之現地試驗

列車進入隧道所產生之壓力將會受到隧道內空氣流動之影響,而列車通過一隧道后,隧道內之空氣仍將維持一長時間的震蕩,且營運時受到各種營運條件之影響。因此,一般之列車隧道空氣動力試驗,都會先以較單純之長隧道在隧道內空氣不受上一班行進列車影響下進行試驗。而在地鐵,則時常以非營運時間,加開試驗列車進行試驗。

5列車隧道活塞問題之模型試驗

因現地試驗困難,模型試驗將可用以研究隧道布置及列車形狀等之列車行進所產生之壓力與流速等情況。且模型試驗可為數值模式之驗證資料。在數值模式未發展成孰前,模型試驗相對重要。如今數值模式可以快速準確的分析列車活塞效應,且其花費相對低廉,因此,大都以數值模式取代模型試驗。

6列車隧道活塞問題之數值分析

工程改善方法必須經過縝密之空氣動力分析與計算,方可達到較佳且經濟之效益。在隧道及地下車站之環境分析,世界各國大都採用美國運輸部研發之Subway Environmental Simulation Computer Program (SES),評估地下車站與隧道之空氣品質(主要為溫度之變化)長期暖化之趨勢,但該程式對於列車通過隧道所產生之壓力波傳遞無法精確模擬,而其計算之隧道內流速亦為約值,所以對於隧道內之壓力與隧道口之微壓波等分析並不適用。對於隧道內之壓力與隧道口之微壓波等問題,因為列車隧道系統之複雜性,國外部分公司、團體或研究單位都擁有自行研發之分析軟體,且直至今日並無一套完整之商業軟體可供應用。
活塞效應之分析軟體可以分為兩大類,一維分析軟體及一維與三維結合之分析軟體。對於列車隧道系統之分析一般而言一維軟體已經具有足夠之精確度,但如重視細部結構對於波動之影響(例如假隧道之設計),則必須採用一維與三維結合之專門軟體進行分析。一般而言,市售的通用三維軟體並不適用在這個課題之分析。若要採用市售的三維軟體進行分析時,一定得進行試驗資料之比對模擬。
台灣在軌道運輸之地下設施大都採用SES(Subway Environmental Simulator)及FDS(Fire Dynamic Simulator)模式分析正常營運與緊急狀況之地下設施環境。但對於地下設施之空氣動力壓力波分析,台灣近來已完成專為解決隧道內壓力波與隧道口之微壓波之分析軟體SAFT (Simulation Air Flow in Train-tunnel or Subway Air Flow Transient program)研發,且通過國外許多實測案例之驗證,SAFT軟體對於隧道或地下車站內之壓力與隧道口之微壓波等問題都有能力分析,相信未來可提供旅客更舒適之旅行環境及可協助解決造成隧道口附近住民噪音困擾等問題。

7事故

台北捷運中和線永安市場車站曾因巡軌車高速經過時,隧道內高壓氣體流入車站,造成車站出入口鐵卷門被擠壓變形。台灣高速鐵路桃園車站也因為設計不良,害怕高速行駛的列車經過車站時會因活塞效應而使車站玻璃帷幕被高壓空氣震碎,而將車站附近的行駛速度由原先的每小時300公里降為每小時120公里。
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