基于氣動效應(yīng)的北京城際鐵路聯(lián)絡(luò)線地下車站站臺門退臺距離研究*

李 科 董 驥 方恒堃

(北京市市政工程設(shè)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(fēng)等一系列空氣動力學(xué)效應(yīng)，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(yīng)，通常采用在隧道洞身設(shè)置減壓井(即活塞風(fēng)道、風(fēng)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(shè)置站臺門已成為一種有效方式。廣深港客運(yùn)專線的福田站是目前我國第一座設(shè)置全封閉站臺門的地下客運(yùn)專線車站。

目前，客運(yùn)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(jìn)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，或股道停靠列車型號不一致等情況。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(qiáng)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(fēng)壓進(jìn)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(dǎo)意義。

1 北京城際鐵路聯(lián)絡(luò)線概況

北京城際鐵路聯(lián)絡(luò)線是一條建設(shè)中的鐵路聯(lián)絡(luò)線，建成后，它將北京兩大機(jī)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(yùn)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(shè)在地下二層。

本次模擬選取北京城際鐵路聯(lián)絡(luò)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(dāng)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(luò)線隧道平面示意如圖1所示。

圖1 北京城際鐵路聯(lián)絡(luò)線隧道平面示意圖

車站B為雙島四線車站，設(shè)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(yīng)，在咽喉區(qū)與區(qū)間的連接處設(shè)置活塞風(fēng)井。車站斷面及站臺門設(shè)置如圖2所示?？紤]實際運(yùn)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(jìn)行分析。

圖2 車站B橫斷面及站臺門設(shè)置示意圖

2 研究方法

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

影響隧道空氣動力學(xué)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(fēng)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(fēng)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(yīng)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(xué)作用具有較好的定量關(guān)聯(lián)性，但對應(yīng)的參數(shù)產(chǎn)生的具體效應(yīng)并不明確，對既有線的隧道風(fēng)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(yùn)用較為成熟的隧道通風(fēng)軟件進(jìn)行模擬，并對既有的海南島東環(huán)城際鐵路美蘭機(jī)場地下車站進(jìn)行實地測試，對三者的結(jié)論進(jìn)行對比和分析，給出不同退臺距離的隧道風(fēng)壓建議值。

3 美蘭機(jī)場地下車站風(fēng)壓實測與數(shù)值模似

3.1 地下車站風(fēng)壓實測

測試在海南島東環(huán)城際鐵路的美蘭機(jī)場地下車站進(jìn)行。美蘭機(jī)場地下車站規(guī)模小于北京城際鐵路聯(lián)絡(luò)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(fēng)速儀進(jìn)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(fēng)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(jī)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(fēng)速與持續(xù)時間

圖4和圖5分別為數(shù)據(jù)處理后的風(fēng)速和風(fēng)壓線性擬合曲線。

圖4 測點1風(fēng)速-時間線性擬合曲線

圖5 測點1風(fēng)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(fēng)造成的正壓峰值為380 Pa,負(fù)壓峰值為360 Pa。

3.2 地下車站風(fēng)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(fēng)模擬軟件，其可對隧道內(nèi)空氣動力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行模擬，對復(fù)雜、超長隧道有良好的模擬結(jié)果，并可對結(jié)果進(jìn)行三維動態(tài)展示。IDA Tunnel軟件的功能模塊可以生成一個導(dǎo)入鏈接，可自動將數(shù)據(jù)模型導(dǎo)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(yù)測的成熟程序，廣泛應(yīng)用于高速鐵路隧道的設(shè)計。其開發(fā)者是蘇格蘭鄧迪大學(xué)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(zhǔn)確地模擬高速列車在隧道內(nèi)運(yùn)行時的各種空氣動力學(xué)現(xiàn)象。

圖6、圖7分別為由IDA Tunnel和ThermoTun模擬計算的風(fēng)壓圖。由圖6和圖7可知，采用兩種軟件模擬的風(fēng)壓結(jié)果基本接近。因此，在實際可達(dá)到的精度范圍內(nèi)，由IDA Tunnel和ThermoTun模擬計算的風(fēng)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(fēng)壓圖

圖7 由ThermoTun模擬計算的風(fēng)壓圖

4 北京城際鐵路聯(lián)絡(luò)線地下車站風(fēng)壓數(shù)值模擬

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

模擬中，列車共有2條行進(jìn)路線，分別為：①路線1——車站A進(jìn)站、開往車站B；②路線2——車站B進(jìn)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(luò)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(jìn)入隧道，行駛并進(jìn)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(shè)置，模擬2條行進(jìn)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(jìn)行模擬分析。

圖8 IDA tunnel軟件建立的北京城際鐵路聯(lián)絡(luò)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(fēng)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(fù)壓峰值為2 320 Pa。

圖9 工況1下的風(fēng)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(fù)壓峰值為1 810 Pa。

圖11 工況2下的風(fēng)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(fù)壓峰值為1 640 Pa。

圖13 工況3下的風(fēng)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(jī)場地下車站進(jìn)行建模計算，其模擬結(jié)果與實測結(jié)果在可達(dá)到的精度范圍內(nèi)基本一致。因此,對北京城際鐵路聯(lián)絡(luò)線地下車站風(fēng)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(fēng)及活塞風(fēng)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(yīng)設(shè)置全封閉站臺門[7]。

2) 正線臨靠站臺時，站臺門設(shè)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(dāng)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(shè)計風(fēng)壓還應(yīng)考慮一定的安全系數(shù)。