活塞效应

活塞效应（英语：Piston Effect）指在隧道中高速运行的车辆所带来的平均空气流动。当车辆在隧道内行驶，会带动隧道中的空气产生高速流动，这情况尤以铁路列车更为明显。由于这现象类似汽缸内活塞压缩气体，因以为名。

成因

当高速运行之列车进入隧道，隧道内之空气原为静止，因列车之重击，产生高压波，该高压波以远大于列车行驶速度的音速传播，因此当列车进入隧道产生之高压波迅速往下游传递，压力波传达的隧道空气立即被加速，当压力波抵达下游隧道口时产生反射波，反射波往隧道上游传递，当其传递之隧道空气将再一次被加速。同样的列车车尾进入隧道，会产生一股负压波，该股负压波，也同样会作用在隧道内之空气流速。另外受到隧道构造之影响，亦可能因波动之穿透或反射而改变波动。因列车在隧道内行驶而产生各种波动在隧道内逐渐加速隧道内之空气，使隧道内之空气随着列车而行进，便称之为隧道内之活塞效应。

在地下轨道系统的车站中，活塞效应会将隧道内的空气带进车站内，造成车站内空气质量恶化。不过近期的设计都会利用活塞效应来把脏空气排出通风井，并带入新鲜的空气。这样的应用也会用在一些车行隧道中，如台湾高雄过港隧道。另外可以在车站月台设立月台门，将车站与隧道分成两个独立的空间，亦可以改善车站的空气质量。由此可看出活塞效应与隧道通风息息相关。

问题

当列车于空旷处行驶会造成压力改变并产生噪音等现象，穿过隧道时，噪音波在隧道内受隧道壁局限而震荡加剧。此外，列车高速进入隧道时，车头撞击隧道内空气产生一股强烈压力波以音速（远大于列车行驶速度）在隧道内震荡传播，隧道内之压力波会造成旅客不舒适感，且可能破坏轨道之相关设施。当高压波传抵隧道下游出口，撞击隧道口外之空气，压力波随着空间扩大而稀薄化为微压波，微压波会产生令人不愉悦的噪音，使隧道口附近住民受到干扰，称之为微压波噪音。再则，因隧道内压力震荡对列车产生阻力，随着波动使阻力忽大忽小，可能影响列车行进之平稳性，且增加列车能源之消耗。理想的隧道通风设计应全盘考量上述各项之影响，使列车在隧道行进可以提供旅客舒适的环境，并达到节能之目的。

事故

台北捷运中和线永安市场站曾因巡轨车高速经过时，隧道内高压气体流入车站，造成车站出入口铁卷门被挤压变形。高铁桃园站也因为设计不良，担心高速行驶的列车经过车站时会因活塞效应而使车站玻璃帷幕被高压空气震碎，而将车站附近的行驶速度由原先的每小时300公里降为每小时120公里，直到更新工程于2011年完成，才恢复每小时300公里的车速。

研究分析

试验

列车进入隧道所产生之压力将会受到隧道内空气流动之影响，而列车通过一隧道后，隧道内之空气仍将维持一长时间的震荡，且营运时受到各种营运条件之影响。因此，一般之列车隧道空气动力试验，都会先以较单纯之长隧道在隧道内空气不受上一班行进列车影响下进行试验。而在地铁，则时常以非营运时间，加开试验列车进行试验。此外，因现地试验困难，模型试验会用以研究隧道布置及列车形状等之列车行进所产生之压力与流速等情况。且模型试验可为数值模式之验证资料。在数值模式未发展成孰前，模型试验相对重要，如今数值模式可以快速准确的分析列车活塞效应，且其花费相对低廉，因此，大都以数值模式取代模型试验。

数值分析

在二十世纪中期的欧洲，土木公共基础建设大致完善，而当时列车之速度不断提升，便引发列车隧道之总空气动力问题，而列车活塞效应之物理现象有些类似发电水路之水锤作用的物理现象，使得许多原本从事土木水利研究之机构，纷纷开始进行列车隧道之活塞效应研究。日本为主办1964年奥运而兴建高速铁路，进而发现列车在隧道内行进，容易造成旅客耳鸣及在隧道洞口产生微压波噪音等现象。这些问题之发生，使更多人投入列车隧道活塞效应之研究，并逐渐掌控其物理现象。在1980年代末期的欧洲对于活塞效应之数值分析也逐渐成孰，如今的数值模式精确度已非常高。

活塞效应之分析软件可以分为两大类，一维分析软件及一维与三维结合之分析软件。对于列车隧道系统之分析一般而言一维软件已经具有足够之精确度，但如重视细部结构对于波动之影响（例如假隧道之设计），则必须采用一维与三维结合之专门软件进行分析。一般而言，市售的通用三维软件并不适用在这个课题之分析。若要采用市售的三维软件进行分析时，一定得进行试验资料之比对模拟。

解决方法

当今列车速度较快，所遭遇之空气动力环保问题是噪音、压力及隧道内温度控制等新问题，而这些问题可以透过适当的工程方法改善，例如地下捷运系统常在地下车站两端布置有通风竖井，恰当之竖井布置可以减缓车站内承受之空气压力，亦可达到隧道内空气更新之目的。在隧道出入口可采用隧道口渐变断面，或设置开孔之假隧道，或者直接加大隧道断面尺寸，或改变车头形状以减小车头阻力系数等等方式，消减列车进入隧道产生之压力波及微压波强度。再则，可以采用更高级之列车，使列车车厢之气密性更佳，而不易受到外在压力变化之影响，使旅客感觉更舒适。

可是，工程改善方法必须经过缜密之空气动力分析与计算，方可达到较佳且经济之效益。在隧道及地下车站之环境分析，世界各国大都采用美国运输部研发Subway Environmental Simulation Computer Program（SES），评估地下车站与隧道之空气质量（主要为温度之变化）长期暖化之趋势，但该程式对于列车通过隧道所产生之压力波传递无法精确模拟，而其计算之隧道内流速亦为约值，所以对于隧道内之压力与隧道口之微压波等分析并不适用。对于隧道内之压力与隧道口之微压波等问题，因为列车隧道系统之复杂性，国外部分公司、团体或研究单位都拥有自行研发之分析软件，且直至今日并无一套完整之商业软件可供应用。

台湾的地下轨道运输设施大都采用SES（Subway Environmental Simulator）及FDS（Fire Dynamic Simulator）分析正常营运与紧急状况之地下设施环境。但对于地下设施之空气动力压力波分析，台湾近来已完成专为解决隧道内压力波与隧道口之微压波之分析软件TOAPITS（Train Operation and Aerodynamic Program in Tunnel System）研发，且通过许多实测案例之验证，TOAPITS软件对于隧道或地下车站内之压力与隧道口之微压波等问题都有能力分析，相信可提供更舒适的旅行环境及可协助解决造成隧道口附近住民噪音困扰等问题。

延伸阅读

• 黄国伦，〈竖井对列车通过长隧道之压力波影响分析 （页面存档备份，存于互联网档案馆）〉，《中兴工程第99期》，2008年4月。
• 黄国伦，〈列车进入长隧道之微波噪音分析 （页面存档备份，存于互联网档案馆）〉，《中兴工程第97期》，2007年10月。
• 黄国伦，〈双向列车于长隧道相会之车厢内压力分析 （页面存档备份，存于互联网档案馆）〉，《中兴工程第96期》，2007年7月。
• 黄国伦，〈列车通过长隧道之空气动力分析 （页面存档备份，存于互联网档案馆）〉，《中兴工程第94期》，2007年1月。
• 黄国伦，〈长隧道内列车过站不停对压力及通风影响之探讨 （页面存档备份，存于互联网档案馆）〉，《中兴工程第92期》，2006年7月。
• 刘艳荣、毛军，〈列车活塞风对隧道通风系统运行状态的影响〉，《工程建设与设计》，2003年
• 林启基，〈地下车站电联车活塞效应模拟〉，《中华技术杂志》，2002年4月

参看

• Plumbing drainage venting