馬福東，王 婷，彭 斌，劉建友

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

1 概述

近年來，我國高速鐵路建設(shè)的發(fā)展勢頭迅猛，截至2018年底，中國高鐵營業(yè)里程達(dá)到2.9萬km以上，超過世界高鐵總里程的2/3。由于地理?xiàng)l件的限制，高速鐵路設(shè)計(jì)中出現(xiàn)越來越多的地下隧道和地下車站。列車在隧道中高速運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，如隧道壓力波、洞口微氣壓波、氣動(dòng)噪聲、列車活塞風(fēng)等，影響列車行車安全。尤其是高速鐵路車站位于地下封閉空間，列車產(chǎn)生的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)更加明顯，對(duì)車站運(yùn)營環(huán)境影響更大[1]。

在高速鐵路隧道空氣動(dòng)力學(xué)方面，國內(nèi)外學(xué)者采用理論分析、模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法對(duì)隧道內(nèi)壓力波和洞口微壓波的產(chǎn)生與傳播[2-4]、最大壓力幅值[5-7]、洞口緩沖結(jié)構(gòu)和豎井泄壓作用[8-10]等內(nèi)容進(jìn)行了研究。在高速鐵路地下車站方面，目前國外還沒有專門為高速鐵路建設(shè)的地下火車站，世界首個(gè)列車高速駛過地下車站的案例出現(xiàn)在我國臺(tái)灣高鐵上[11]，此外我國?？诘拿捞m機(jī)場站、廣深港客運(yùn)專線福田站[12]也屬于高鐵地下車站，其氣動(dòng)效應(yīng)也受到廣泛關(guān)注。西南交大的韓華軒[13]和黨明芳[14]分別對(duì)美蘭機(jī)場的隧道長度和站臺(tái)屏蔽門的設(shè)置對(duì)站內(nèi)氣動(dòng)效應(yīng)的影響規(guī)律進(jìn)行了研究。這些地下車站的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)研究更多地集中在隧道壓力波、隧道活塞風(fēng)和表面受力，對(duì)安全門模式下的站臺(tái)壓力及車站內(nèi)的乘客安全風(fēng)速缺乏相關(guān)研究。

不同結(jié)構(gòu)形式的地下車站，列車產(chǎn)生的氣動(dòng)效應(yīng)也各不相同。城市軌道交通地下車站中多設(shè)置屏蔽門[15-16]，八達(dá)嶺地下車站設(shè)計(jì)中同樣考慮設(shè)置屏蔽門模式和安全門模式。本文擬針對(duì)京張高鐵八達(dá)嶺隧道及地下車站，采用數(shù)值模擬方法，對(duì)車站不同站臺(tái)門模式時(shí)高速列車經(jīng)過產(chǎn)生的氣動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行研究，為高速鐵路隧道及地下車站的合理設(shè)計(jì)提供技術(shù)和數(shù)據(jù)支持。

2 計(jì)算模型和計(jì)算條件

2.1 工程概況

京張高鐵東起北京北站西至張家口南站，新八達(dá)嶺隧道是京張高鐵全線控制性工程，全長12.01 km，為雙線隧道，列車設(shè)計(jì)速度250 km/h，是全線最長、環(huán)保要求最嚴(yán)格、工期最緊張的隧道。八達(dá)嶺長城站是新八達(dá)嶺隧道內(nèi)的地下車站，車站總長470 m，總寬80 m，地下建筑面積3.6萬m2，軌面埋深102 m，車站兩端渡線段單洞開挖跨度達(dá)32.7 m。車站為三層三縱地下結(jié)構(gòu)，自下而上分別為站臺(tái)層、進(jìn)站層及出站層；站臺(tái)層采用3個(gè)分離的平行洞室，中間為正線，兩側(cè)分別為左、右到發(fā)線。車站每個(gè)側(cè)站臺(tái)設(shè)2個(gè)進(jìn)站口到達(dá)進(jìn)站通道層，2個(gè)出站口到達(dá)出站通道層。八達(dá)嶺地下車站示意如圖1所示。

圖1 八達(dá)嶺地下站示意

2.2 三維數(shù)值計(jì)算模型

根據(jù)八達(dá)嶺隧道和地下車站設(shè)計(jì)方案，建立三維CFD數(shù)值計(jì)算模型。為節(jié)省計(jì)算資源，對(duì)模型進(jìn)行合理簡化，簡化后的三維模型的隧道總長度2 376 m，中間車站長796 m，站臺(tái)長250 m，兩邊隧道各長500 m，區(qū)間隧道面積92 m2。數(shù)值模型平面示意見圖2，其中1-1斷面為區(qū)間隧道橫斷面，寬12.2 m、高7.54 m。2-2斷面為車站中部橫斷面，其尺寸如圖3所示。區(qū)間隧道至車站隧道由大斷面的咽喉區(qū)相連。

圖2 八達(dá)嶺地下車站計(jì)算模型 (單位：m)

圖3 車站中部2-2橫斷面 (單位：cm)

圖4 地下車站的數(shù)值模型

建立的八達(dá)嶺隧道三維CFD數(shù)值模型如圖4所示，模型網(wǎng)格總數(shù)為250萬個(gè)，網(wǎng)格最小尺寸為2.8×10-4m3。京張高鐵設(shè)計(jì)使用車型為國產(chǎn)的CRH3型列車，編組長度200.67 m，列車模型長度取100 m，建立的車頭及列車模型如圖5所示。列車橫斷面積12.19 m2，列車與隧道的阻塞比為0.132 5，列車運(yùn)行速度250 km/h。

圖5 CRH3列車車頭及車體模型

2.3 數(shù)值計(jì)算條件

采用Fluent軟件對(duì)建立的三維模型進(jìn)行模擬計(jì)算。首先對(duì)未設(shè)置站臺(tái)門時(shí)，通過對(duì)多種列車運(yùn)行方案的研究，得到站臺(tái)氣動(dòng)效應(yīng)最不利工況；然后針對(duì)最不利的列車運(yùn)行方式，研究有屏蔽門時(shí)的站內(nèi)氣動(dòng)效應(yīng)；最后對(duì)安全門模式進(jìn)行計(jì)算，分析到發(fā)線列車越行時(shí)的站臺(tái)氣動(dòng)效應(yīng)。

邊界條件的設(shè)置：隧道進(jìn)出口連接一段空氣域，采用壓力遠(yuǎn)場邊界條件；隧道壁面邊界采用無滑移邊界條件；列車壁面使用滑移壁面，列車的運(yùn)動(dòng)采用動(dòng)網(wǎng)格模型[17]。

3 結(jié)果分析

3.1 無站臺(tái)門時(shí)車站氣動(dòng)效應(yīng)

通過分析，選擇3種典型或不利列車運(yùn)行方案，包括單車通過、站內(nèi)會(huì)車和咽喉區(qū)會(huì)車，詳細(xì)信息見表1。在兩側(cè)站臺(tái)中部靠近隧道邊緣線位置各布置一個(gè)測點(diǎn)(圖2)。3種工況下各測點(diǎn)壓縮波峰值、最大瞬變壓力以及站臺(tái)最大風(fēng)速列入表2進(jìn)行對(duì)比分析。

壓力峰值如表2所示，工況2下站臺(tái)壓力峰值最大，是工況1最大壓力峰值的近2倍，而工況1與工況3站臺(tái)壓力峰值相差不大。車1進(jìn)入隧道產(chǎn)生的壓縮波(P1)波峰傳播至站臺(tái)位置時(shí)，車2還未到達(dá)隧道入口，并未產(chǎn)生壓縮波，因此對(duì)站臺(tái)壓力并無影響。

表1 無站臺(tái)門時(shí)站內(nèi)氣動(dòng)效應(yīng)研究工況

表2 無站臺(tái)門時(shí)站臺(tái)氣動(dòng)效應(yīng)統(tǒng)計(jì)

表2中工況2下站臺(tái)的瞬變壓力最大，約為工況1下站臺(tái)瞬變壓力最大值的1倍，比工況3下站臺(tái)的瞬變壓力大40%。此外，計(jì)算結(jié)果表明，工況2站臺(tái)的最大風(fēng)速值最大，約為工況1站臺(tái)最大風(fēng)速值的2.5倍，約為工況3站臺(tái)最大風(fēng)速值的1.6倍?？梢姽r2的站內(nèi)會(huì)車氣動(dòng)效應(yīng)影響最大。

3.2 屏蔽門時(shí)車站內(nèi)氣動(dòng)效應(yīng)

在3.1節(jié)模型基礎(chǔ)上，全站臺(tái)縱向沿站臺(tái)邊緣靠近到發(fā)線一側(cè)布置長度250 m的屏蔽門，其平面布置圖如圖6所示。到發(fā)線?？苛熊嚢凑?節(jié)列車考慮，設(shè)置8處屏蔽門活動(dòng)部分，其高度2.5 m、寬度3 m。模擬的屏蔽門工作狀態(tài)包括以下3種。

工況4：兩側(cè)到發(fā)線均未停靠列車，雙側(cè)屏蔽門同時(shí)關(guān)閉。

工況5：兩側(cè)到發(fā)線均?？苛熊嚕p側(cè)屏蔽門同時(shí)打開。

工況6：線路一側(cè)到發(fā)線?？坑辛熊?，另一側(cè)到發(fā)線未?？苛熊嚕瑒t線路一側(cè)屏蔽門打開另一側(cè)屏蔽門關(guān)閉。

圖6 站臺(tái)屏蔽門平面布置示意(單位：m)

為了掌握列車高速過站時(shí)產(chǎn)生的氣動(dòng)效應(yīng)對(duì)屏蔽門和站臺(tái)的影響，在車站兩側(cè)站臺(tái)中心位置布置測點(diǎn)1和測點(diǎn)2，中間越行線布置測點(diǎn)3，兩側(cè)屏蔽門布置測點(diǎn)4和測點(diǎn)5。

表3 各種工況下各測點(diǎn)壓力峰值 Pa

表4 各種工況下各測點(diǎn)瞬變壓力最大值 kPa/3 s

表5 各種工況下各測點(diǎn)最大風(fēng)速值 m/s

從表3～表5可知，工況4中到發(fā)線無列車停靠，屏蔽門關(guān)閉，此時(shí)站臺(tái)氣動(dòng)壓力、風(fēng)速等均為零，說明當(dāng)屏蔽門完全關(guān)閉的時(shí)候，站臺(tái)位置是不受列車高速過站所產(chǎn)生的氣動(dòng)效應(yīng)影響。

對(duì)于3種屏蔽門開關(guān)工況，工況4中兩側(cè)屏蔽門完全關(guān)閉時(shí)，車站越行線上的壓力值和瞬變壓力都最大，相較于不設(shè)置站臺(tái)門時(shí)，其壓縮波峰值和瞬變壓力都更大。屏蔽門會(huì)惡化車站快速通道上的氣動(dòng)效應(yīng)。同時(shí)，工況4中屏蔽門上所受的氣動(dòng)壓力達(dá)到0.9 kPa。

計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)屏蔽門同時(shí)打開時(shí)的壓力峰值、瞬變壓力峰值、最大風(fēng)速值均小于單側(cè)打開對(duì)應(yīng)的值，表明單側(cè)打開屏蔽門氣動(dòng)效應(yīng)的影響比同時(shí)打開的氣動(dòng)效應(yīng)大。

對(duì)比工況5與無屏蔽門工況，發(fā)現(xiàn)屏蔽門雙側(cè)同時(shí)打開時(shí)站臺(tái)氣動(dòng)效應(yīng)相較于不設(shè)屏蔽門時(shí)的要弱，其壓縮波峰值、瞬變壓力值和速度峰值都要小一些。屏蔽門完全打開時(shí)只是指屏蔽門的活動(dòng)門部分打開，屏蔽門系統(tǒng)的其他部分仍舊能夠緩解站臺(tái)位置的氣動(dòng)效應(yīng)。

3.3 采用安全門時(shí)車站氣動(dòng)效應(yīng)

采用屏蔽門時(shí)，列車在車站中部會(huì)車屏蔽門上會(huì)產(chǎn)生約937 Pa的氣動(dòng)力作用，對(duì)屏蔽門的結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較大影響，且在屏蔽門開口處風(fēng)速可達(dá)近10 m/s，對(duì)站臺(tái)乘客安全影響極大。在保護(hù)站臺(tái)乘客安全的基礎(chǔ)上，本節(jié)進(jìn)一步討論在站臺(tái)上設(shè)置1.5 m高的安全門系統(tǒng)，使到發(fā)線與站臺(tái)連通，對(duì)站臺(tái)進(jìn)行泄壓和減緩列車風(fēng)對(duì)站臺(tái)的作用。設(shè)置安全門后的氣動(dòng)效應(yīng)介于完全無站臺(tái)門和設(shè)置屏蔽門之間。

采用安全門時(shí)的計(jì)算工況，由于列車在中間線單車通過、站內(nèi)會(huì)車和咽喉區(qū)會(huì)車時(shí)的站臺(tái)壓力和列車風(fēng)結(jié)果應(yīng)比無站臺(tái)門時(shí)的結(jié)果(表2)會(huì)稍小，可參考該結(jié)果。本節(jié)僅考慮列車單車在到發(fā)線以120 km/h的速度越行時(shí)對(duì)站臺(tái)氣動(dòng)作用結(jié)果。在3.2節(jié)模型基礎(chǔ)上，分析無安全門模型和全站臺(tái)設(shè)置1.5 m高安全門模型。取到發(fā)線上距安全門0.7 m的測點(diǎn)Ⅰ和站臺(tái)內(nèi)距安全門0.7 m的測點(diǎn)Ⅱ進(jìn)行分析，結(jié)果見表6。

從表6的結(jié)果來看，不管是否設(shè)置安全門，站內(nèi)的測點(diǎn)壓力峰值都是一樣的，但是瞬變壓力的峰值有一定程度的減小，說明安全門對(duì)降低站內(nèi)壓力效果不明顯。但與設(shè)置屏蔽門相比，設(shè)置安全門后的泄壓作用非常明顯，站臺(tái)壓力值明顯低于屏蔽門時(shí)最大值。設(shè)置安全門后，安全門外測點(diǎn)Ⅰ的風(fēng)速有所增加，而安全門內(nèi)站臺(tái)測點(diǎn)Ⅱ的風(fēng)速降低，低于5 m/s，與屏蔽門時(shí)最大風(fēng)速近10 m/s相比低很多。主要是因?yàn)樵O(shè)置安全門后，靠近列車的測點(diǎn)Ⅰ周圍的流場空間受到安全門的影響，減小了自由空間，導(dǎo)致風(fēng)速增大；而受到安全門的屏蔽作用，測點(diǎn)Ⅱ受到流場作用減小，所以風(fēng)速減小。在站臺(tái)泄壓和降低站臺(tái)風(fēng)速方面，安全門系統(tǒng)明顯優(yōu)于屏蔽門系統(tǒng)。

3.4 安全門時(shí)車站人行通道風(fēng)速

設(shè)置安全門后，車站站臺(tái)與隧道相連通，隧道內(nèi)列車運(yùn)行產(chǎn)生的活塞風(fēng)會(huì)進(jìn)一步作用到車站內(nèi)部區(qū)域，進(jìn)出站人行通道和站內(nèi)凈流通面積小的門位置處會(huì)受到列車風(fēng)的影響而產(chǎn)生高風(fēng)速。

對(duì)于本線采用安全門系統(tǒng)時(shí)的隧道和車站公共區(qū)列車風(fēng)作用，前期采用了一維數(shù)值模擬計(jì)算方法，建立了全線隧道和地下車站公共區(qū)的模型，分別對(duì)單車越行全線隧道、車站中部會(huì)車和咽喉區(qū)會(huì)車進(jìn)行了分析，模擬計(jì)算結(jié)果如表7所示。

從結(jié)果來看，采用安全門時(shí)對(duì)于最不利的車站中部會(huì)車工況，進(jìn)出站通道最大風(fēng)速可達(dá)7.6 m/s，低于采用屏蔽門時(shí)屏蔽門門口位置的風(fēng)速。目前并沒有針對(duì)高鐵地下車站站臺(tái)與站廳連接處的人行通道安全風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)，僅有地鐵、國鐵的隧道和站臺(tái)公共區(qū)的氣動(dòng)荷載標(biāo)準(zhǔn)、風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)或安全距離等[18-20]。通過參考距離列車一定距離外的人員安全風(fēng)速和敞開區(qū)域中人員安全風(fēng)速，基本可以認(rèn)為在6 m/s以下對(duì)乘客而言是舒適的，行動(dòng)不會(huì)受到影響；6～9 m/s時(shí)部分人員會(huì)感覺稍不舒適，出現(xiàn)摁衣裙等反應(yīng)；9～11 m/s時(shí)部分人員行動(dòng)可能受到影響，摔倒可能性??；11 m/s以上乘客受影響大，行走困難，有一定摔倒風(fēng)險(xiǎn)。采用安全門時(shí)計(jì)算得到的人行通道最大風(fēng)速7.6 m/s在安全允許范圍內(nèi)，僅部分人員感覺稍不舒適。

4 空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)引起的問題及設(shè)計(jì)對(duì)策

八達(dá)嶺長城站設(shè)置在12 km長的新八達(dá)嶺隧道內(nèi)，正線設(shè)計(jì)時(shí)速250 km，過站列車高速通過地下車站時(shí)的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)將引起較大的活塞風(fēng)速、峰值壓力和瞬變壓力，這將對(duì)站臺(tái)的乘客和機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生不利影響。為了降低空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的不利影響，八達(dá)嶺長城站采取了如下設(shè)計(jì)對(duì)策。

(1)采用了三層三縱的分離式群洞結(jié)構(gòu)，過站列車和到發(fā)線列車分別設(shè)置在站臺(tái)層3個(gè)分離的隧道中，利用中隔墻的隔離作用減小過站列車氣動(dòng)效應(yīng)對(duì)到發(fā)線站臺(tái)乘客的影響。

(2)利用車站旅客進(jìn)出口、防災(zāi)救援進(jìn)出口、隧道進(jìn)出口等洞口泄壓，降低車站列車的氣動(dòng)效應(yīng)。

(3)車站兩端的站隧過渡段設(shè)置大斷面隧道，有效凈空面積達(dá)到335 m2，大幅度降低過站列車在3洞分離口處的氣動(dòng)效應(yīng)。

(4)站臺(tái)門選用半高安全門，未采用全高屏蔽門，進(jìn)一步減小活塞風(fēng)速和氣動(dòng)壓力，并消除了列車越行時(shí)屏蔽門開啟時(shí)的高風(fēng)速影響。

5 結(jié)論

采用數(shù)值模擬的方法對(duì)八達(dá)嶺地下車站采用屏蔽門和安全門模式時(shí)車站氣動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論。

(1)不設(shè)置站臺(tái)門時(shí)，站內(nèi)氣動(dòng)效應(yīng)最不利的工況為列車在車站中部會(huì)車，此時(shí)，兩輛列車產(chǎn)生的首波波峰與波峰疊加，致使站內(nèi)氣動(dòng)效應(yīng)最為不利，站內(nèi)壓力最大峰值可達(dá)508 Pa。

(2)設(shè)置屏蔽門時(shí)，列車以中部會(huì)車的最不利方式運(yùn)行，車站中間越行線位置的氣動(dòng)效應(yīng)惡化；列車高速過站時(shí)，在屏蔽門上產(chǎn)生的氣動(dòng)壓力最大達(dá)到937 Pa，屏蔽門門口位置的風(fēng)速值最大達(dá)到了9.88 m/s，乘客明顯感到不舒適，對(duì)人員安全存在一定影響。

(3)設(shè)置安全門時(shí)，到發(fā)線越行對(duì)站臺(tái)風(fēng)壓作用小，最大壓力低于300 Pa，站臺(tái)風(fēng)速在5 m/s以下，站內(nèi)人行通道風(fēng)速可達(dá)7.5 m/s左右，但仍在安全范圍內(nèi)。

由此可見，京張高鐵八達(dá)嶺地下車站采用分離群洞布置，采用安全門系統(tǒng)消除了人行位置的最不利風(fēng)速，站臺(tái)風(fēng)壓和站內(nèi)風(fēng)速均控制在安全范圍內(nèi)，是合理的氣動(dòng)布局方案。