李 科 董 驥 方恒堃

(北京市市政工程設計研究總院有限公司，100082，北京 ∥ 第一作者，高級工程師)

列車通過地下車站等相對封閉的空間時，會引起瞬變壓力、活塞風等一系列空氣動力學效應，會對人體的安全性、舒適性產(chǎn)生影響[1]。為緩解車站隧道內(nèi)的氣動效應，通常采用在隧道洞身設置減壓井(即活塞風道、風井)。同時，隨著人們對站臺候車環(huán)境要求的不斷提高，為了給乘客提供舒適、安全的候車環(huán)境，在站臺設置站臺門已成為一種有效方式。廣深港客運專線的福田站是目前我國第一座設置全封閉站臺門的地下客運專線車站。

目前，客運專線的站臺門在站臺邊主要有兩種安裝位置：一種是門體鄰近站臺邊沿安裝，主要適用于列車進出站速度較低，且所在股道?？苛熊嚨男吞栆恢碌惹闆r；另一種是門體退臺一定距離安裝，主要適用于列車越行通過車站，或股道?？苛熊囆吞柌灰恢碌惹闆r。但門體退臺安裝對地下車站規(guī)模影響較大，合理的退臺距離及其對站臺門體強度的影響成為重要研究課題。因此，結(jié)合地下車站、區(qū)間隧道的結(jié)構(gòu)型式及功能需求，對站臺門風壓進行實測和模擬，研究結(jié)果對站臺門退臺距離的選擇具有實際指導意義。

1 北京城際鐵路聯(lián)絡線概況

北京城際鐵路聯(lián)絡線是一條建設中的鐵路聯(lián)絡線，建成后，它將北京兩大機場及北京城市副中心串聯(lián)起來，形成速度為200 km/h的快速客運通道。該線路上的車站全部為地下車站，其中站臺層、區(qū)間隧道均設在地下二層。

本次模擬選取北京城際鐵路聯(lián)絡線上的一段線路，包含車站A和車站B，以及兩站之間長11.2 km的地下區(qū)間隧道。區(qū)間隧道的橫斷面有效面積為70 m2，當量直徑為8.2 m；車站的越行軌行區(qū)橫斷面面積為53 m2。越行列車經(jīng)過時限速200 km/h。單列車的車身斷面面積為12 m2，阻塞比為0.228。北京城際鐵路聯(lián)絡線隧道平面示意如圖1所示。

圖1 北京城際鐵路聯(lián)絡線隧道平面示意圖

車站B為雙島四線車站，設置2條到發(fā)線和2條正線。正線臨靠站臺，車站與咽喉區(qū)共同形成菱形結(jié)構(gòu)。為緩解車站隧道內(nèi)的氣動效應，在咽喉區(qū)與區(qū)間的連接處設置活塞風井。車站斷面及站臺門設置如圖2所示?？紤]實際運營中存在正線雙向列車同時在車站通過交匯的情況，因此，本次模擬按最不利工況進行分析。

圖2 車站B橫斷面及站臺門設置示意圖

2 研究方法

隧道內(nèi)附屬物的設計應考慮高速列車通過隧道時產(chǎn)生的壓力變化，以及列車風對附屬構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)和安裝鍵等附加力的影響，且設計應按照最不利情況考慮[2]。

影響隧道空氣動力學問題的因素很多，其中，隧道的阻塞比和車速對其產(chǎn)生的影響最為明顯，壓力變化幅度與列車的活塞風壓相關(guān)，壓力變化梯度與車速、阻塞比等因素相關(guān)。

活塞風壓P為：

(1)

式中：

v——列車速度；

ρ——空氣密度；

ξ——阻力系數(shù)(含局部和沿程阻力)。

壓力波峰值Pmax[3]為：

Pmax=kβMv2

(2)

式中：

k——條件常數(shù)；

β——阻塞比；

M——瞬變壓力對應的阻塞比冪指數(shù)系數(shù)。

由式(2)可知，壓力波的幅值與v2成正比，且與β密切相關(guān)。

盡管v和β對隧道空氣動力學作用具有較好的定量關(guān)聯(lián)性，但對應的參數(shù)產(chǎn)生的具體效應并不明確，對既有線的隧道風壓未有很好的印證。針對于此，本文借鑒高校和科研單位對高速鐵路隧道較為成熟的研究理論和結(jié)論，運用較為成熟的隧道通風軟件進行模擬，并對既有的海南島東環(huán)城際鐵路美蘭機場地下車站進行實地測試，對三者的結(jié)論進行對比和分析，給出不同退臺距離的隧道風壓建議值。

3 美蘭機場地下車站風壓實測與數(shù)值模似

3.1 地下車站風壓實測

測試在海南島東環(huán)城際鐵路的美蘭機場地下車站進行。美蘭機場地下車站規(guī)模小于北京城際鐵路聯(lián)絡線車站B，但與車站B的結(jié)構(gòu)型式基本一致，具有一定的參考意義。在海南島東環(huán)城際鐵路的區(qū)間隧道、地下車站挑選具有代表性的6個測點(見圖3)，采用熱線風速儀進行測試。測試考慮了列車以120 km/h的速度車頭通過與車尾通過車站隧道的風速變化值以及持續(xù)時間等因素[4-5]。測試結(jié)果如表1所示。

圖3 美蘭機場站測點位置圖

表1 列車車頭與車尾通過車站隧道時各測點的風速與持續(xù)時間

圖4和圖5分別為數(shù)據(jù)處理后的風速和風壓線性擬合曲線。

圖4 測點1風速-時間線性擬合曲線

圖5 測點1風壓-時間線性擬合曲線

圖5中列車以120 km/h的速度通過車站時，測點1處的活塞風造成的正壓峰值為380 Pa,負壓峰值為360 Pa。

3.2 地下車站風壓數(shù)值模似

IDA tunnel軟件源自瑞典，作為目前僅存的隧道通風模擬軟件，其可對隧道內(nèi)空氣動力學效應進行模擬，對復雜、超長隧道有良好的模擬結(jié)果，并可對結(jié)果進行三維動態(tài)展示。IDA Tunnel軟件的功能模塊可以生成一個導入鏈接，可自動將數(shù)據(jù)模型導入ThermoTun軟件，再將求解結(jié)果輸出。

ThermoTun是鐵路隧道壓力和流量預測的成熟程序，廣泛應用于高速鐵路隧道的設計。其開發(fā)者是蘇格蘭鄧迪大學教授Alan Vardy。ThermoTun軟件可在隧道方向求解可壓縮的Navier-Stokes方程，已被驗證可以非常準確地模擬高速列車在隧道內(nèi)運行時的各種空氣動力學現(xiàn)象。

圖6、圖7分別為由IDA Tunnel和ThermoTun模擬計算的風壓圖。由圖6和圖7可知，采用兩種軟件模擬的風壓結(jié)果基本接近。因此，在實際可達到的精度范圍內(nèi)，由IDA Tunnel和ThermoTun模擬計算的風壓可近似作為氣動力的計算結(jié)果。

圖6 由IDA Tunnel模擬計算的風壓圖

圖7 由ThermoTun模擬計算的風壓圖

4 北京城際鐵路聯(lián)絡線地下車站風壓數(shù)值模擬

建模時，在車站兩端與咽喉區(qū)的交界處設置斷面面積為50 m2的活塞風井，在兩個車站之間的隧道區(qū)間設置兩處斷面面積為50 m2的事故風井。

模擬中，列車共有2條行進路線，分別為：①路線1——車站A進站、開往車站B；②路線2——車站B進站、開往車站A。

圖8為采用IDA tunnel軟件建立的北京城際鐵路聯(lián)絡線地下車站與區(qū)間的隧道模型。圖8從左到右依次為列車進入隧道，行駛并進入車站A的咽喉區(qū)及車站，再通過車站A與車站B的8 000 m區(qū)間隧道，最后經(jīng)過車站B駛出隧道，全程11 200 m。通過軟件設置，模擬2條行進路線在隧道內(nèi)會車的情況。會車地點不同，得到車站B處的壓力亦不同。通過模擬結(jié)果可查看全線隧道在某一時刻的壓力峰值，也可查看在某一處的全行駛過程壓力峰值。分別對站臺門不退臺、退臺1.2 m、退臺1.5 m等3種工況進行模擬分析。

圖8 IDA tunnel軟件建立的北京城際鐵路聯(lián)絡線地下車站與區(qū)間的隧道模型

4.1 工況1

工況1為站臺門不退臺，列車以200 km/h的速度通過車站B。

圖9為站臺不退臺時的時間-壓力-位置三維圖。圖10為選取的車站站臺門承受的風壓二維圖。由圖10可知，車站B處的站臺門承受的正壓峰值為2 890 Pa、負壓峰值為2 320 Pa。

圖9 工況1下的風壓-位置-時間三維模擬圖

圖10 工況1下車站站臺門的壓力峰值

4.2 工況2

工況2為站臺門退臺1.2 m，列車以200 km/h的速度通過車站B。

圖11為站臺退臺1.2 m時的時間-壓力-位置三維圖。圖12為站臺退臺1.3 m時的車站站臺門承受的壓力峰值。由圖13可知，車站B處的站臺門承受的正壓峰值為1 990 Pa，負壓峰值為1 810 Pa。

圖11 工況2下的風壓-位置-時間三維模擬圖

圖12 工況2下車站站臺門的壓力峰值

4.3 工況3

工況3為站臺門退臺1.5 m，列車以200 km/h的速度通過車站B。

圖13為站臺退臺1.5 m時的時間-壓力-位置三維圖。圖14為站臺退臺1.5 m時的車站站臺門承受的壓力峰值。由圖15可知，車站B的站臺門承受的正壓峰值為1 850 Pa，負壓峰值為1 640 Pa。

圖13 工況3下的風壓-位置-時間三維模擬圖

圖14 工況3下車站站臺門的壓力峰值

5 結(jié)語

綜上所述，采用IDA tunnel以及ThermoTun軟件對美蘭機場地下車站進行建模計算，其模擬結(jié)果與實測結(jié)果在可達到的精度范圍內(nèi)基本一致。因此,對北京城際鐵路聯(lián)絡線地下車站風壓數(shù)值的模擬結(jié)果也具有一定的參考價值。建議如下:

1) 城際列車以200 km/h的速度通過車站時，為避免站內(nèi)壓力變化、列車風及活塞風等影響，提高站內(nèi)乘客候車舒適性，以確保站內(nèi)乘客生命安全，車站應設置全封閉站臺門[7]。

2) 正線臨靠站臺時，站臺門設置考慮一定的退臺距離，這對正線隧道的壓力峰值和壓力波動較為有利。

3) 結(jié)合土建規(guī)模及目前站臺門承壓能力，當城際列車的車速為200 km/h時，建議站臺門退臺1.2 m。

4) 站臺門的設計風壓還應考慮一定的安全系數(shù)。