劉暢王麗慧杜志萍黃建林鄭懿宋潔

1上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院

2上海申通地鐵股份有限公司

3上海申通軌道交通研究咨詢有限公司

0 引言

屏蔽門系統(tǒng)在既有地鐵車站環(huán)控系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，其承壓狀況受列車運(yùn)營產(chǎn)生的區(qū)間活塞風(fēng)動(dòng)態(tài)作用，屏蔽門承壓會受列車數(shù)量與狀態(tài)，車型，車速，區(qū)間隧道長度與結(jié)構(gòu)，車站站臺形式（島式或側(cè)式等），車站軌行區(qū)上下排熱開啟與否，和車站兩端活塞風(fēng)井開啟狀態(tài)等多方面因素的綜合影響[1-2]，情況較為復(fù)雜。隨著地鐵運(yùn)營能力的增加，在早晚高峰時(shí)段行車密度較高的時(shí)段，在停站列車尚未離站、后續(xù)列車已啟動(dòng)運(yùn)行的工況下，存在靠近車站端部的屏蔽門關(guān)閉不暢現(xiàn)象?；诖藛栴}，本文進(jìn)行了專開列車的測試實(shí)驗(yàn)研究。

國內(nèi)首次采用風(fēng)洞動(dòng)態(tài)測壓技術(shù)進(jìn)行地鐵屏蔽門風(fēng)壓測試[3]，采用數(shù)值模擬的方法分析了高速地鐵隧道內(nèi)不同位置處風(fēng)壓的變化規(guī)律[4]，計(jì)算分析了地鐵站不同的風(fēng)井?dāng)?shù)量、風(fēng)井位置對活塞風(fēng)井通風(fēng)性能的影響[5]。Kim[6-8]等人通過理論模型和縮尺模型實(shí)驗(yàn)研究并驗(yàn)證了活塞風(fēng)隨時(shí)間的變化關(guān)系。而羅燕萍[9]采用SES軟件模擬分析了高密度運(yùn)行時(shí)，單活塞和雙活塞隧道內(nèi)的風(fēng)壓對屏蔽門的影響。

以上文獻(xiàn)均未進(jìn)行針對性實(shí)測研究，本文研究在夜間12點(diǎn)到凌晨3點(diǎn)之間，專開兩輛列車，其一?？吭谡九_，另一從后續(xù)站臺駛出，測試實(shí)驗(yàn)獲得了上海地鐵8，9和11號線若干車站典型位置屏蔽門的動(dòng)態(tài)承壓變化，測試的車站包括島式和側(cè)式兩種站臺形式，以及不同區(qū)間長度和工法等，這些寶貴的測試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)反映了屏蔽門工作的實(shí)際動(dòng)態(tài)壓力環(huán)境，為地鐵環(huán)控屏蔽門的設(shè)計(jì)運(yùn)營提供了重要參考。

1 測試實(shí)驗(yàn)的原理與方法

測試實(shí)驗(yàn)的目的是分析早晚高峰高行車密度時(shí)段中，停站列車未離站、后續(xù)列車離站并駛?cè)雲(yún)^(qū)間隧道過程中，車站典型位置屏蔽門的動(dòng)態(tài)承壓受力情況，為解決屏蔽門關(guān)閉不暢問題取得實(shí)測數(shù)據(jù)。因此，屏蔽門的受力分析是測試實(shí)驗(yàn)方案確定的基礎(chǔ)。

1.1 屏蔽門受力分析

后續(xù)列車啟動(dòng)，會在區(qū)間隧道內(nèi)產(chǎn)生風(fēng)速隨車速動(dòng)態(tài)變化的活塞風(fēng)，此時(shí)站臺屏蔽門在其關(guān)閉過程中共受到四個(gè)力的作用，見圖1（a）、（b）、（c）所示，分別為：①驅(qū)動(dòng)屏蔽門關(guān)閉的驅(qū)動(dòng)力N動(dòng)。②屏蔽門與導(dǎo)軌相對運(yùn)動(dòng)在其接觸底面上產(chǎn)生的摩擦力f1。③隧道活塞風(fēng)在屏蔽門上的靜壓力Fn（N），（為屏蔽門靜壓Ni（Pa）與作用面積S的乘積），其將在導(dǎo)軌槽面與門的側(cè)面接觸面上產(chǎn)生摩擦力f2。④當(dāng)屏蔽門處于敞開狀態(tài)時(shí)，隧道內(nèi)外產(chǎn)生靜壓差，空氣從縫隙處流出，由于無法測其隧道內(nèi)的靜壓，改為測其垂直于屏蔽門邊緣的風(fēng)速Vi，與作用在屏蔽門邊緣的靜壓為Mi（Pa）（Mi=ρv2/2），靜壓力為 Fm(N)，其方向與 f1相同。

后續(xù)列車啟動(dòng)運(yùn)行過程中，列車?？空九_的屏蔽門同時(shí)受到Ni導(dǎo)致的Fn和Mi導(dǎo)致的Fm作用，這兩個(gè)力的合力F合是屏蔽門關(guān)閉過程中的阻力所在，其合力見圖1（d）所示，該合力的大小和方向隨列車運(yùn)行活塞風(fēng)速變化不斷變化。在實(shí)測過程中，因無法有效地捕捉合力F合方向的變化，故分別測試實(shí)驗(yàn)獲得Ni和Mi的變化規(guī)律。

圖1 屏蔽門受力分析圖

1.2 屏蔽門測試實(shí)驗(yàn)方法

因停站列車的阻擋作用，受后續(xù)進(jìn)站列車活塞風(fēng)影響最顯著的是靠近進(jìn)站車站端頭的1號和2號滑動(dòng)門，本次測試實(shí)驗(yàn)主要監(jiān)測了1號，10號門關(guān)閉時(shí)靜壓Ni及2號門開啟200mm（重現(xiàn)了屏蔽門關(guān)閉不暢的事故工況）縫隙的邊緣風(fēng)速Vi。測試實(shí)驗(yàn)中，上述3個(gè)門的壓力風(fēng)速數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)同步動(dòng)態(tài)監(jiān)測，從后續(xù)列車開始進(jìn)站起，跟蹤至風(fēng)速和壓力數(shù)據(jù)重新穩(wěn)定至零的全動(dòng)態(tài)過程，同時(shí)進(jìn)站列車的車速全程動(dòng)態(tài)監(jiān)測。圖2給出了實(shí)測車站與屏蔽門測試位置。在1號門靜壓Ni的測試中，兩個(gè)屏蔽門開具寬度較小，僅供插入靜壓計(jì)的1根橡皮管即可，其他位置采用膠布封好，以減少壓力泄漏。2號屏蔽門兩門開啟寬度設(shè)定為200mm，以模擬實(shí)際運(yùn)營中屏蔽門關(guān)閉不暢，風(fēng)速儀探頭平行于門框放置，距離屏蔽門邊緣約50mm處。

測試實(shí)驗(yàn)中采用的儀器分別是KIMOMP100手持式差壓儀（精度±1 Pa；量程-1000～+1000 Pa）、DP1000-ⅢB 壓差計(jì)（精度±1 Pa；量程 -3000～+3000 Pa）和SDL350手持式風(fēng)速溫度儀（精度0.01 m/s；量程+0.6～+40m/s），測試實(shí)驗(yàn)前上述儀器在實(shí)驗(yàn)室中完成標(biāo)定，以最大限度地避免儀器誤差。

圖2 實(shí)測實(shí)驗(yàn)車站與屏蔽門位置示意圖

1.3 測試實(shí)驗(yàn)車站選取與工況設(shè)置

本測試實(shí)驗(yàn)分別選取上海地鐵8號線的5個(gè)車站，9號線的6個(gè)車站和11號線的8個(gè)車站來完成，各條線路概況如下表所示。在測試車站選取的過程中，盡可能包含每條地鐵線中隧道長度最長，最短和平均值的區(qū)間，且兼顧島式和側(cè)式站臺。同時(shí)，盡可能避免選取帶有配線的特殊區(qū)間。

表1 各條線路概況

依據(jù)實(shí)際運(yùn)營中的常用工況，測試實(shí)驗(yàn)工況為以下三種：工況一為車站活塞風(fēng)井開啟，上下排熱關(guān)閉，有停站列車（8，9號線全部車站，11號線大部分車站為此工況）。工況二為活塞風(fēng)井開啟，上下排熱開啟，有停站列車（11號線的島式車站和側(cè)式車站各選取1個(gè)）。工況三為活塞風(fēng)井開啟，上下排熱關(guān)閉，無停站列車（11號線的島式車站和側(cè)式車站各選取1個(gè)）。工況二和工況三的意義在于與工況一的屏蔽門承壓狀況進(jìn)行對比。

2 測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 三條線路測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總與分析

三條線路測試車站島式站臺居多，三條線路最大車速，島式車站的1號門，10號門的最大風(fēng)壓及2號門的最大邊緣風(fēng)速匯總見表2。針對三條地鐵線19個(gè)車站（其中包括3個(gè)側(cè)式站，1個(gè)單邊側(cè)式，15個(gè)島式站）1號門最大風(fēng)壓與區(qū)間隧道長度和最大車速與區(qū)間長度的關(guān)系見圖3。

表2 三條線路島式車站實(shí)測結(jié)果

圖3 三條線路全部車站1號門最大風(fēng)壓，最大車速與區(qū)間長度的關(guān)系

1）由表2可知，8號線1號門整體風(fēng)壓范圍在32.8～83 Pa之間，9號線在27.7～55.3 Pa之間，11號線在24.3～49.1 Pa之間。顯然，8號線風(fēng)壓變化范圍較大，8號線選用C型車，6輛、7輛編組混跑，9號線和11號線均為A型車6輛編組。由此可見車型對風(fēng)壓的影響較大。

2）從圖4可知，15個(gè)站島式站臺的1號門最大風(fēng)壓在24.3～83 Pa之間，3條線路的4個(gè)側(cè)式站臺的1號門最大風(fēng)壓范圍在4.2～16.7Pa，可見，側(cè)式站臺的最大風(fēng)壓明顯小于島式站臺的最大風(fēng)壓，島式站臺最大風(fēng)壓大約是側(cè)式站臺最大風(fēng)壓的1.65～13.2倍。

3）由圖4可知：1號門最大風(fēng)壓范圍在4～83 Pa之間。1號門的最大風(fēng)壓與區(qū)間隧道長度無線性關(guān)系。列車在區(qū)間隧道內(nèi)的最大車速在60～90 km/h之間，最大車速與區(qū)間長度也無線性關(guān)系，最大風(fēng)壓受區(qū)間長度和最大車速綜合作用的影響。

4）區(qū)間隧道的曲線半徑對站臺屏蔽門風(fēng)壓有一定的影響。相比于沒有曲線半徑的島式站臺車站，8號線站前接曲線和站后接曲線的車站風(fēng)壓相對較大。11號線中區(qū)間隧道曲線半徑會使車站的屏蔽門承壓減小，如11-4站的1號門承壓比無曲線的類似車站減小24.2%。無曲線島式車站1號門最大承壓值為側(cè)式車站的1.66～11.69倍。8號線的有后曲線和前曲線的8-4站和8-3站風(fēng)壓較大，而11號線有曲線的11-4站和11-8站風(fēng)壓都有所減小，可見區(qū)間隧道是否有曲線可能導(dǎo)致車站風(fēng)壓的增大或減小。曲線主要是導(dǎo)致壓力傳遞過程中，局部阻力的變化，風(fēng)壓增大和減小的規(guī)律與最大車速出現(xiàn)的位置在曲線前，還是曲線后有關(guān)，即與最大車速運(yùn)行區(qū)段距屏蔽門的距離有關(guān)。

2.2 不同工況下屏蔽門承壓對比分析

針對11號線選取的某一島式車站和側(cè)式車站，分別進(jìn)行了上述三個(gè)工況的專開列車實(shí)驗(yàn)。下文分別從1號門承壓，10號門承壓和2號門風(fēng)速的動(dòng)態(tài)變化著手，對比分析，其中側(cè)式車站工況三測試實(shí)驗(yàn)意外受到對側(cè)線路臨時(shí)調(diào)度列車干擾，故僅列出了工況一和工況二的對比結(jié)果。

1）各工況下1號門動(dòng)態(tài)承壓對比

圖4分別給出了三種工況下典型島式車站和側(cè)式車站1號屏蔽門動(dòng)態(tài)承壓測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖中可知，島式車站和側(cè)式車站在上下排熱關(guān)閉的工況一和上下排熱開啟的工況二的最大風(fēng)壓分別相差0.7Pa和1.4 Pa?？梢姡舷屡艧衢_啟與否對1號門承壓影響很小，也就是說上下排熱開啟對各測試工況下1號門的承壓基本無泄壓效果。此外，由圖4（a）可知，1號屏蔽門在無列車停靠站臺的工況三的最大承壓分別較工況一和工況二減少了33%和76%，主要只站內(nèi)有列車?？繒r(shí)，后續(xù)列車啟動(dòng)加速，故后車對兩車之間的空氣柱形成了活塞擠壓作用，隧道內(nèi)形成的縱向風(fēng)速的動(dòng)壓頭又因站內(nèi)有列車?？啃纬傻木植孔枇Χ糠洲D(zhuǎn)變?yōu)殪o壓，造成1號屏蔽門承壓增大，從而導(dǎo)致屏蔽門關(guān)閉不暢問題發(fā)生的根本原因。

圖4 典型車站1號門風(fēng)壓變化

2）各工況下10號門動(dòng)態(tài)承壓對比

圖5分別給出了三種工況下典型島式車站和側(cè)式車站10號屏蔽門動(dòng)態(tài)承壓測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖中可知，島式車站和側(cè)式車站的10號門均存在著上下排熱開啟后風(fēng)壓增大的現(xiàn)象，上下排熱開啟前后，島式車站10號門對應(yīng)的最大承壓分別為9 Pa和13 Pa，側(cè)式車站10號門的最大承壓分別為0Pa和30Pa?？梢?，上下排熱的開啟在車站軌行區(qū)形成了負(fù)壓區(qū)，使得10號門附近（有效站臺中段）的壓差增大，且側(cè)式車站增幅大于島式車站。由圖5（a）從島式車站的10號門來看，無列車工況10號門的風(fēng)壓波動(dòng)顯著增加，最大值達(dá)30Pa，且存在正負(fù)壓之間的波動(dòng)過程，這主要是由上下排熱開啟泄壓能力與隧道內(nèi)活塞風(fēng)壓的綜合作用。

圖5 典型車站10號門風(fēng)壓變化

（3）各工況下2號門邊緣風(fēng)速動(dòng)態(tài)對比

圖6分別給出了三種工況下典型島式車站和側(cè)式車站2號屏蔽門邊緣風(fēng)速測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖中可知，島式車站和側(cè)式車站的不同工況對2號門邊緣風(fēng)速和風(fēng)壓的影響均不顯著，且風(fēng)速值較小，對應(yīng)的平行于線路方向作用于門體厚度方向的風(fēng)壓也較小，對關(guān)門行程形成的阻力較小。

圖6 典型車站2號門邊緣風(fēng)速變化

3 結(jié)論

本文通過夜間列車停運(yùn)時(shí)段的專開列車測試實(shí)驗(yàn)，分析了前站站臺有車?？?，后續(xù)列車離站并駛?cè)雲(yún)^(qū)間隧道過程中，屏蔽門承壓的動(dòng)態(tài)變化，得到如下主要結(jié)論：

1）在整個(gè)測試過程中，后續(xù)列車在加速、巡航、惰行、減速的過程中1號門處的活塞風(fēng)靜壓隨著后續(xù)列車加速直線上升，達(dá)到最大值后，在波動(dòng)中逐漸減小，最終減為0。同樣10號門的風(fēng)壓一開始保持為0，后開始逐漸增大，達(dá)到最大值后開始減小，但整個(gè)過程風(fēng)壓作用時(shí)間較短。2號門邊緣風(fēng)速變化及對應(yīng)的靜壓變化，風(fēng)速上升較快，下降較為緩慢。在列車運(yùn)行過程中，屏蔽門主要受Ni的作用力。

2）三條線路全部測試站的1號門最大風(fēng)壓在4～83 Pa之間，作用在單扇屏蔽門上的合力在8.8～174.3N之間，列車的最大車速在60～90 km/h。

3）島式站臺1號門最大風(fēng)壓大約是側(cè)式站臺風(fēng)壓的1.65～13.2倍。

4）由變工況分析可知，上下排熱開啟與否對1號門承壓大小的影響很小，而站內(nèi)有無列車對承壓影響顯著。

后續(xù)宜從關(guān)門力和摩擦力f2等角度優(yōu)化屏蔽門動(dòng)力設(shè)備，解決和預(yù)防高行車密度屏蔽門關(guān)閉不暢的問題。將進(jìn)一步探討列車出站工況站臺屏蔽門的受力情況，并對比分析單活塞風(fēng)道和雙活塞風(fēng)道的測試結(jié)果，并補(bǔ)充活塞風(fēng)道超長工況下的實(shí)測數(shù)據(jù)。

感謝：上海申通地鐵運(yùn)營公司合作項(xiàng)目（JS-BZ16R011）支持。

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