魯華偉

中鐵第四勘察設計院集團有限公司

0 引言

在廣深港客運專線福田大型地下客站設計中，為了縮短列車運行時間，部分地鐵列車不減速，高速越站，通過站臺。列車高速越站必然會造成一系列空氣動力學的問題[1]。在地下車站中，由于地鐵隧道、站臺的封閉性，高速列車空氣動力學問題更突出，對車站環(huán)境影響更大。

屏蔽門壓力大小是影響屏蔽門的疲勞效應和屏蔽門強度的關鍵因素。相對于地上列車，地下車站屏蔽門壓力影響因素較多，且對列車高速越站時屏蔽門承壓研究尚未見到。本文結合福田大型地下站，主要研究高速越站的地鐵列車對于站臺環(huán)境的影響及屏蔽門承壓特性，得到滿足屏蔽門壓力限值的屏蔽門設置位置。

1 計算條件

1.1 計算工況

福田站在設計階段中有兩種建筑方案，簡稱不對稱方案和對稱方案，兩種建筑方案如圖1 所示。

圖1 福田站建筑方案示意圖

分別建立兩種建筑方案模型，車型選用CRH1 動車組，數(shù)值計算研究不同工況下屏蔽門承壓特性，計算工況如下。

1）列車越站速度：不對稱方案200 km/h；對稱方案160 km/h；140 km/h；120 km/h。

2）列車越站情況：單車，單列列車越站，越站列車的相鄰軌道無其他車輛同時通過站臺或?？空九_；雙車，單列列車越站，越站列車的相鄰軌道有另一車輛同時?？空九_。

3）屏蔽門：不對稱方案中屏蔽門與站臺間距2000 mm；對稱方案中屏蔽門與站臺間距100 mm、300 mm、無屏蔽門。

4）通風井設置：無通風井；有通風井，面積40 m2。

以對稱建筑方案為例對表1 中單車、雙車及通風井設置情況進行介紹，如圖2 所示。

表1 數(shù)值計算工況

圖2 對稱方案中單、雙車及通風井設置示意圖

1.2 計算方法

考慮到數(shù)值計算中列車越站速度均小于0.2 Mach。列車在封閉環(huán)境中運行，隧道斷面無突變，壓力波動小。隧道較長，Mach 波的傳播反射時間長，壓力波疊加效應較小，因此數(shù)值計算中空氣采用不可壓縮模型[2-3]。列車運行時流態(tài)復雜且雷諾數(shù)高，周圍流場處于湍流狀態(tài)。因此本文采用數(shù)值模擬的方法對地下車站列車越站引起的空氣流動可用三維、不可壓縮、瞬態(tài)紊流流動進行數(shù)值計算，采用動網(wǎng)格技術模擬列車與隧道間的相對運動[4]。

目前，對于列車空氣動力學中的工程湍流問題，應用最廣泛的是兩方程湍流模型，因此本次研究采用其中的RNG 湍流模型對列車越站引起的空氣動力問題進行模擬。

1.3 測點布置

以非對稱建筑方案為例對監(jiān)測點布置情況進行介紹，如圖3、4 所示。

圖3 監(jiān)測點示意圖

圖4 監(jiān)測線示意圖

屏蔽門點壓力監(jiān)測點設置在列車兩側的屏蔽門前端和中部位置，代表屏蔽門關鍵部位受到的壓力波動情況。屏蔽門線壓力監(jiān)測設置在列車兩側的靠近屏蔽門位置，記錄監(jiān)測線上壓力的峰值的變化，即最大正負壓力，代表屏蔽門線壓力的區(qū)域壓力波動情況。表2 為各測點位置。

表2 測點位置

2 模型試驗及數(shù)值計算合理性驗證

建立福田站對稱建筑方案1:80 的簡化模型，試驗研究列車高速越站時車站壓力特性并將試驗數(shù)據(jù)與數(shù)值計算結果對比驗證數(shù)值計算方法的合理性。當車站設置有屏蔽門系統(tǒng)時考慮到屏蔽門承壓是屏蔽門設計主要參考依據(jù)，因此采屏蔽門處最大壓差（最大正壓力-最大負壓力）對數(shù)值計算合理性進行驗證。

模型試驗臺如圖5、6 所示，模型中屏蔽門及豎井可拆裝，試驗研究列車模型以不同速度穿過車站時站內(nèi)壓力變化情況。

圖5 福田站1:80 簡化模型

圖6 試驗模型示意圖

2.1 無屏蔽門及豎井

無屏蔽門及豎井時數(shù)值計算得到列車速度160 km/h 工況與模型試驗速度為94 km/h、138 km/h、225 km/h、240 km/h 時結果對比如圖7 所示，圖中“實測”代表模型實驗檢測結果，“計算”則代表數(shù)值計算的結果。

圖7 無屏蔽門及豎井最大正負壓差

從圖7 可以看出，無屏蔽門及豎井時在模型試驗速度范圍內(nèi)，車站最大正負壓差與列車越站速度之間近似呈線性關系，且越站速度越大最大正負壓差越高。試驗速度94 km/h 時最大正負壓差0.35 kPa，240 km/h時最大正負壓差2.45 kPa 左右。

采用線性插值的方法得到模型試驗在160 km/h時最大正負壓差。模型實驗得到160 km/h 工況下最大正負壓差為1.21 kPa，數(shù)值計算得到最大正負壓差1.28 kPa，二者相差5%。

2.2 設置屏蔽門，無豎井

設置屏蔽門，無豎井時數(shù)值計算得到列車速度120 km/h 和160 km/h 工況與模型試驗速度為94 km/h、138 km/h、225 km/h、240 km/h 時結果對比如圖8 所示，圖中“實測”代表模型實驗檢測結果，“計算”代表數(shù)值計算結果。

圖8 設置屏蔽門，無豎井最大正負壓差比較

從圖8 可以看出，設置屏蔽門，無豎井時在模型試驗速度范圍內(nèi)，車站最大正負壓差隨列車越站速度增加而逐漸升高。試驗速度94 km/h 時最大正負壓差0.4 kPa，240 km/h 時最大正負壓差3.8 kPa 左右。

采用線性插值的方法得到模型試驗在120 km/h和160 km/h 時最大正負壓差。模型實驗得到120 km/h工況下最大正負壓差為0.91 kPa，數(shù)值計算得到最大正負壓差1.02 kPa，二者相差10.8%。模型實驗得到160 km/h 工況下最大正負壓差為1.68 kPa，數(shù)值計算得到最大正負壓差1.64 kPa，二者相差2.4%。

從以上分析可以看出數(shù)值計算結果與模型試驗結果兩者相差最大為10.8%，表明本文所采用數(shù)值計算方法滿足工程計算精度要求。

3 數(shù)值計算結果與分析

數(shù)值模擬得到計算結果如表3 所示。

表3 數(shù)值計算結果

對工況1～10 進行分析可知，列車越站速度越大屏蔽門壓力越高，屏蔽門與站臺間距100 mm，無通風井且單車工況下，越站速度120 km/h 時屏蔽門壓力鋒對峰值1300 Pa，越站速度160 km/h 時屏蔽門壓力鋒對峰值增加80%，達到2334 Pa。設置通風井可減小屏蔽門承壓值，越站速度160 km/h，屏蔽門與站臺間距100 mm，單車工況下設置通風井可將屏蔽門承壓峰對峰值減小11%；屏蔽門與站臺間距100 mm、300 mm、500 mm、1000 mm 時屏蔽門承壓峰對峰值分別為2334 Pa、1959 Pa、1700 Pa、1300 Pa。

目前對屏蔽門耐壓限值研究主要有深圳地鐵列車運行速度75 km/h 條件下，屏蔽門承受最大壓力為±900 Pa。西屋（Westing house）公司研究得到：1）列車速度為115 km/h 時屏蔽門最大正壓為2540 Pa，最大負壓2280 Pa。2）列車速度為80 km/h 時屏蔽門最大正壓為950 Pa，最大負壓680 Pa。本文對屏蔽門承壓相關研究中列車越站速度較大，屏蔽門承壓標準采用“京滬高速鐵路的壓力波動臨界控制標準”，屏蔽門承壓限值取為3 kPa/3s。對工況11 和12 進行分析可以看出，采用非對稱建筑方案設置通風井且越站速度200 km/h，屏蔽門與站臺間距1000 mm 超出屏蔽門承壓限值，屏蔽門與站臺間距應在2000 mm 以上。

4 結論

本文使用模型試驗和數(shù)值計算相結合的方法，通過對福田站設計階段兩種建筑方案列車高速越站屏蔽門承壓特性進行分析得到主要結論如下：

1）無屏蔽門無豎井情況下試驗速度94 km/h 時最大正負壓差0.35 kPa，240 km/h 時最大正負壓差2.45 kPa 左右。

2）設置屏蔽門無豎井情況下試驗速度94 km/h 時最大正負壓差0.4 kPa，240 km/h 時最大正負壓差3.8 kPa 左右。

3）采用非對稱建筑方案設置通風井且越站速度200 km/h 時，屏蔽門與站臺間距應在2000mm 以上。