李 坤,余 濤,閆樹龍

(1.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,成都 610031； 2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

1 概述

截至2020年年底，全國高鐵運(yùn)營里程達(dá)到3.79萬km。某些地區(qū)由于地理和空間條件限制，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。列車在隧道中越行經(jīng)過地下車站，特別是站臺無屏蔽門時，所引起的活塞風(fēng)將影響站臺的氣流組織及相連接進(jìn)出站通道風(fēng)速[1-3]，甚至影響車站內(nèi)設(shè)備運(yùn)行以及人員的安全性和舒適性[4-6]。

目前，很多學(xué)者對隧道內(nèi)活塞風(fēng)效應(yīng)[7-9]、活塞風(fēng)對車站內(nèi)風(fēng)環(huán)境和熱環(huán)境的影響[10-12]以及壓力波進(jìn)行了實(shí)測和數(shù)值模擬研究[13-15]，大多集中在地鐵隧道和地鐵車站的活塞風(fēng)研究[16-18]，對于高鐵地下站氣流流動的研究較少。高鐵列車越行時，引起的活塞風(fēng)更大，車站內(nèi)局部空氣流通面積較小位置風(fēng)速過高，但對該風(fēng)速缺乏相應(yīng)研究。也有學(xué)者分析了熱壓作用對隧道溫度場的影響[19-21]，但缺少對熱壓風(fēng)和活塞風(fēng)共同作用下車站內(nèi)風(fēng)速和溫度的研究。

通過對冬季初期運(yùn)營階段的京張高鐵八達(dá)嶺長城地下車站內(nèi)不同位置的風(fēng)速和車站內(nèi)外各處溫度進(jìn)行實(shí)測，對車站內(nèi)活塞風(fēng)速度變化過程進(jìn)行分析，為高鐵地下車站和類似工程站內(nèi)風(fēng)速控制提供優(yōu)化建議。

2 八達(dá)嶺長城站氣流流動形成過程

2.1 八達(dá)嶺長城站概況

八達(dá)嶺長城站位于京張高鐵八達(dá)嶺隧道內(nèi)，車站距北京方向隧道出口8 km，距張家口方向隧道出口4 km，車站總長470 m，總寬80 m，軌面埋深102 m，是目前國內(nèi)埋深最深的高鐵地下站。站臺層巖墻中間兩條線為正線，兩側(cè)分別為左、右到發(fā)線。車站每側(cè)站臺設(shè)2個進(jìn)站口、2個出站口到達(dá)進(jìn)、出站通道層。受限于實(shí)際規(guī)劃，車站未設(shè)置專門用于列車活塞風(fēng)泄壓的風(fēng)井。車站站臺設(shè)置1.5 m高安全門，區(qū)間隧道、軌行區(qū)、站臺、進(jìn)出站通道、地面進(jìn)出站口形成自然的氣流流動通路，八達(dá)嶺長城站車站及隧道簡化示意如圖1所示。

圖1 京張高鐵八達(dá)嶺隧道及長城站簡化示意

2.2 八達(dá)嶺長城站氣流流動形成機(jī)理

八達(dá)嶺長城站埋深較深，且冬季站內(nèi)外溫差大，由熱壓作用引起的氣流流動貫穿整個車站，影響車站內(nèi)速度和溫度分布。無列車經(jīng)過時，熱壓通風(fēng)是站內(nèi)空氣流動的主要影響因素；有列車經(jīng)過時，列車引起的活塞風(fēng)和熱壓風(fēng)共同影響車站內(nèi)速度分布。

2.2.1 活塞風(fēng)的形成

列車運(yùn)動引起的活塞風(fēng)分為以下3個階段。

(1)列車從隧道外駛?cè)胨淼溃谶M(jìn)入車站前，列車前方空氣受擠壓使壓力升高，部分空氣通過咽喉區(qū)進(jìn)入站臺，再通過站臺層的進(jìn)出站口流入進(jìn)出站通道，最后到達(dá)地面層進(jìn)出站口流出車站，另一部分由列車與隧道的環(huán)狀空間流向車尾。列車尾部呈負(fù)壓狀態(tài)，使室外空氣流入隧道。

(2)列車車頭經(jīng)過咽喉區(qū)的瞬間，風(fēng)壓作用最強(qiáng)，車站內(nèi)活塞風(fēng)風(fēng)速出現(xiàn)最大值。列車在經(jīng)過咽喉區(qū)和車站中部隧道時，引起的活塞風(fēng)持續(xù)對車站產(chǎn)生影響。

(3)列車駛離車站，列車前方空氣由于正壓作用，將部分空氣壓出隧道外，另一部分通過環(huán)狀空間流入車尾；而列車后方空氣由于負(fù)壓作用，部分空氣從室外通過地面站房出入口流入車站，并最終流入隧道，完成一次單車越行地下車站的全過程。

2.2.2 熱壓通風(fēng)的形成

八達(dá)嶺長城站屬于深埋地下站，車站大部分結(jié)構(gòu)均在地下。車站和隧道壁面溫度受土壤熱庫影響大，且車站冬季有地板供暖系統(tǒng)作用，隧道和車站壁面溫度均高于室外空氣溫度。站內(nèi)空氣密度低，受浮升力作用空氣往上流動，由此形成站內(nèi)熱壓通風(fēng)。室外空氣由隧道洞口進(jìn)入，流經(jīng)隧道和車站不斷升溫，空氣溫度隨所在高度而升高。車站埋深較深，高差達(dá)到102 m，產(chǎn)生的熱壓風(fēng)作用更顯著。進(jìn)出站廳直接與室外空氣相連，空氣從候車廳和出站廳流向室外，站內(nèi)氣流流動示意如圖2所示。

圖2 八達(dá)嶺長城站熱壓通風(fēng)簡化示意

3 測試方案

3.1 測試內(nèi)容

本測試在冬季一月京張高鐵正式運(yùn)營初期進(jìn)行。在不同開口面積下，測試高鐵列車進(jìn)站和出站過程中進(jìn)出站通道、地面進(jìn)出站口的活塞風(fēng)風(fēng)速，以及無列車通過時由熱壓引起的通道風(fēng)速和車站的溫度分布，用以研究活塞風(fēng)的氣流流動特性。

3.2 測試儀器

進(jìn)出站通道風(fēng)速測試主要采用testo 405i無線熱線式風(fēng)速儀，每2 s記錄一個數(shù)據(jù)。不同風(fēng)速下風(fēng)速儀精度有所差異，風(fēng)速測量值在0～2 m/s時，精度為±(0.1+5%測量值) m/s；風(fēng)速測量值在2～15 m/s時，精度為±(0.3+5%測量值) m/s；風(fēng)速儀分辨率為0.01 m/s。使用前將每臺風(fēng)速儀放入小型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行校正，以保證其測量精度。

對于地面站房進(jìn)出站口的風(fēng)速，采用testo 425手持式風(fēng)速儀進(jìn)行測試，儀器精度為±(0.03 m/s+5%測量值)；分辨率為0.01 m/s。

對于隧道及車站壁溫測量，采用紅外測溫儀，顯示精度為測量值的2%。對于車站和室外的空氣溫度，采用天建華儀溫濕度自記儀，分辨率0.1 ℃，每10 min記錄一組數(shù)據(jù)。

3.3 測點(diǎn)布置

通過測試進(jìn)出站人行通道處風(fēng)速評估進(jìn)入車站的熱壓風(fēng)和活塞風(fēng)大小。進(jìn)站通道和出站通道測試位置和測點(diǎn)分布相同，測點(diǎn)斷面位于通道中部，斷面共6個測點(diǎn)。測點(diǎn)分布如圖3、圖4所示。

圖3 進(jìn)站通道測點(diǎn)布置(單位：mm)

圖4 出站通道測點(diǎn)布置(單位：mm)

4 現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果及分析

4.1 進(jìn)出站通道風(fēng)速

測試階段列車為8輛編組運(yùn)行，區(qū)間隧道內(nèi)設(shè)計(jì)限速250 km/h。測試在試運(yùn)營期進(jìn)行，站內(nèi)部分設(shè)施未調(diào)試完，氣流通路上開口面積不同。測試條件見表1，條件1開啟站臺及地面進(jìn)出站所有門；條件2開啟出站口一扇門，關(guān)閉進(jìn)站過廳的門。圖5和圖6顯示了不同時刻的8組工況下列車經(jīng)過車站引起的站內(nèi)通道斷面最大風(fēng)速。

表1 不同測試條件下的開口面積 m2

圖5 條件1進(jìn)出站通道速度最大值

圖6 條件2進(jìn)出站通道速度最大值

相同開口面積下，由于列車越行時的車速不完全相同，不同工況的進(jìn)出站通道風(fēng)速峰值存在差異。

條件1進(jìn)站通道由于熱壓通風(fēng)引起的向外風(fēng)速為0.81 m/s，列車越行時活塞風(fēng)和熱壓共同作用引起的通道平均風(fēng)速在1.90～2.68 m/s，最大可達(dá)到2.68 m/s。出站通道由于熱壓通風(fēng)引起的向外風(fēng)速為0.90～1.20 m/s，列車越行引起的通道平均風(fēng)速在2.50～3.30 m/s，最大可達(dá)3.30 m/s。

條件2進(jìn)站通道由于熱壓通風(fēng)引起的向外風(fēng)速為0.50～0.70 m/s，列車越行時活塞風(fēng)和熱壓共同作用引起的通道平均風(fēng)速1.77 m/s。出站通道由于熱壓通風(fēng)引起的向外風(fēng)速為0.75～0.90 m/s，列車越行引起的通道內(nèi)平均風(fēng)速為1.83 m/s。

通過對進(jìn)出站通道的風(fēng)速對比可以看出，條件1開口面積大，進(jìn)站通道相比出站通道風(fēng)速略小，主要在于進(jìn)站通道斷面面積較小，雖然地面層進(jìn)站廳的開口面積較大，但進(jìn)站通道的流動路徑中，氣流流向?yàn)檎九_—通道—候車廳—進(jìn)站大廳，該路徑整體阻力較大。而出站通道的流動路徑中，氣流直接到達(dá)地面站房出站廳，氣流阻力大大減小，因此，出站通道風(fēng)速較大，更多的活塞風(fēng)從出站廳進(jìn)出。在條件2下，同時減小了地面站房進(jìn)出站廳的開口面積，進(jìn)站通道路徑由于阻力較大，風(fēng)速低于出站通道風(fēng)速。

通過對比條件1和條件2，條件1進(jìn)站通道和出站通道的風(fēng)速最大值整體大于條件2的風(fēng)速值。通過觀察發(fā)現(xiàn)條件1熱壓風(fēng)風(fēng)速略大于條件2，原因在于條件2同時減小了地面進(jìn)、出站廳的開口面積，各段的阻力均增大，導(dǎo)致疊加后的活塞風(fēng)流經(jīng)車站部分減少，進(jìn)出站通道最大風(fēng)速值減小。

4.2 最大風(fēng)速分析

對不同條件下各個工況通道內(nèi)風(fēng)速變化情況進(jìn)行分析，相同條件下各工況進(jìn)出站通道風(fēng)速變化規(guī)律基本一致。本節(jié)以條件1工況1數(shù)據(jù)和條件2工況8數(shù)據(jù)為例，分析不同條件下進(jìn)出站通道活塞風(fēng)變化的原因。列車由張家口方向開往北京方向，列車從靠近車站到駛出隧道，整個過程大約持續(xù)4 min，通道風(fēng)速變化如圖7所示。圖中縱坐標(biāo)正值表示空氣由車站流向室外，負(fù)值表示空氣由室外流向車站。

圖7 通道風(fēng)速變化曲線

由圖7可知，進(jìn)站通道和出站通道的速度變化規(guī)律基本一致。在圖7(a)中，通道速度峰值出現(xiàn)2次，分別為圖中點(diǎn)1和點(diǎn)2，出站通道速度峰值點(diǎn)1為2.62 m/s，點(diǎn)2速度略小于第一次速度，其值為2.59 m/s，兩次時間間隔約18 s，并且只有列車越行時會出現(xiàn)類似情況。在圖7(b)中，出站通道第一次速度為1.98 m/s，點(diǎn)2速度為1.65 m/s，略小于點(diǎn)1速度大小，兩次時間間隔約18 s，兩次峰值分別出現(xiàn)在列車到達(dá)站在一端的咽喉區(qū)和列車在另一端咽喉區(qū)附近。而后列車駛離車站區(qū)域，進(jìn)出站通道出現(xiàn)反向風(fēng)速。列車離開車站180 s后駛出隧道，出現(xiàn)第3次風(fēng)速較大值，該峰值是由于列車駛出隧道前，活塞風(fēng)影響較大，而列車駛出后活塞風(fēng)消失，熱壓風(fēng)占主導(dǎo)地位，且部分室外空氣從車輛離開的隧道洞口進(jìn)入隧道及車站，進(jìn)出站通道形成第3次風(fēng)速極大值。

前期課題組對八達(dá)嶺長城站站內(nèi)活塞風(fēng)進(jìn)行了一維數(shù)值模擬分析[1]，進(jìn)出站廳開口面積情況與條件1接近。由模擬結(jié)果可知，列車到達(dá)咽喉區(qū)時，進(jìn)出站通道最大風(fēng)速分別為3.0 m/s和2.8 m/s。而實(shí)測數(shù)據(jù)中，進(jìn)出站通道最大風(fēng)速為2.53 m/s和2.62 m/s，兩值均略小于模擬值。原因在于實(shí)際運(yùn)行時，進(jìn)站口和出站口門僅部分打開，導(dǎo)致各個通路阻力變大，因此，站內(nèi)實(shí)際風(fēng)速較小。

列車速度越大，列車前方壓力越高，所引起的車站內(nèi)活塞風(fēng)風(fēng)速也越大。列車到達(dá)咽喉區(qū)時，車站內(nèi)風(fēng)速出現(xiàn)最大值。為減小車站內(nèi)的風(fēng)速，可在列車到達(dá)咽喉區(qū)和車站隧道時適當(dāng)減速，可有效減小塞風(fēng)峰值對車站的影響。

4.3 地面站房進(jìn)出站口風(fēng)速

因試運(yùn)營初期正值冬季，客流較小，為保證室內(nèi)供暖效果，運(yùn)營按需開啟最少數(shù)量的門，與設(shè)計(jì)情況并不完全一致。因此，按運(yùn)營實(shí)際開門條件對地面站房進(jìn)出站口在不同工況下的風(fēng)速進(jìn)行測試。條件1有列車經(jīng)過時進(jìn)出站口流向站外和流向站內(nèi)的最大風(fēng)速結(jié)果如圖8所示，前8組為進(jìn)站口風(fēng)速，后8組為出站口風(fēng)速。條件2有列車經(jīng)過時出站口流向站外和流向站內(nèi)的最大風(fēng)速結(jié)果如圖9所示。圖8、圖9中的各個工況與圖5和圖6的各個工況對應(yīng)。

圖8 條件1進(jìn)出站口風(fēng)速最大值

圖9 條件2出站口風(fēng)速最大值

由圖8和圖9可以看出，當(dāng)有列車經(jīng)過車站時，站房進(jìn)出站門處會有較大的風(fēng)速變化，并經(jīng)過一段時間后會出現(xiàn)反向流動。由于熱壓的作用地面層進(jìn)出站口持續(xù)存在向外的風(fēng)速，導(dǎo)致向內(nèi)的風(fēng)速略小于向外流出的風(fēng)速。條件1進(jìn)出站口的最大平均風(fēng)速分別為6.22 m/s和6.20 m/s。條件2下，當(dāng)出站口僅開啟一扇門，導(dǎo)致瞬時風(fēng)速過大，最大可達(dá)到14.0 m/s。前期研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速11 m/s以上時乘客受影響大，行走困難，有摔倒風(fēng)險[1]。如正值旅客通行，活塞風(fēng)可能對乘客安全造成影響。通過不同工況的結(jié)果可以看出，盡量多地開啟出站站房門，增大氣流流通面積，可有效減小出站口的最大風(fēng)速。

4.4 溫度

通過對站臺層、通道層、站廳層各處壁面溫度和空氣溫度的測試，研究冬季由熱壓通風(fēng)導(dǎo)致的車站內(nèi)溫度分布。

測試發(fā)現(xiàn)，由于土壤的蓄熱、列車的運(yùn)行以及設(shè)備的產(chǎn)熱，站內(nèi)溫度較室外高，站臺層壁面溫度取四周壁面的平均值為7.4 ℃，而冬季1月3日室外日平均溫度為-1.0 ℃。熱空氣由于密度小將不斷上升，最終呈現(xiàn)出通道和出站廳溫度較高，隧道和站臺溫度較低的溫度場分布。由于候車廳和進(jìn)站廳采用地板輻射供暖，該區(qū)域空氣溫度較高，室外溫度較低，與室外溫差大，產(chǎn)生較強(qiáng)熱壓作用，空氣由室內(nèi)流向室外，車站溫度分布如圖10所示。

圖10 車站內(nèi)壁面溫度分布

車站內(nèi)的溫度分布將對候車廳和進(jìn)站廳的空調(diào)系統(tǒng)造成影響。當(dāng)列車越行時，進(jìn)站過廳和候車廳之間的玻璃門由于活塞風(fēng)作用被吹開，部分冷空氣從進(jìn)站過廳進(jìn)入候車廳和進(jìn)站廳。當(dāng)乘客進(jìn)站時，玻璃門依舊呈開啟狀態(tài)，部分冷空氣進(jìn)入候車廳，導(dǎo)致候車廳和進(jìn)站廳處的空調(diào)負(fù)荷變大、氣流組織受影響。為減少這種影響，可臨時開啟進(jìn)站過廳與室外直接相連通的門窗，直接將熱壓風(fēng)和活塞風(fēng)排出室外。

5 結(jié)論

通過在冬季運(yùn)營初期對京張高鐵八達(dá)嶺深埋地下車站進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，研究深埋地下高鐵站的特點(diǎn)及對熱壓風(fēng)的影響，同時研究了列車越行時活塞風(fēng)對車站的影響，分析站內(nèi)氣流大小和變化規(guī)律，以及站內(nèi)溫度分布規(guī)律，得出以下結(jié)論。

(1)八達(dá)嶺長城地下車站埋深較深，冬季隧道和車站壁面溫度高，站內(nèi)外空氣密度差異明顯，站內(nèi)氣流往上流動，形成較強(qiáng)的熱壓風(fēng)作用。當(dāng)有列車越行經(jīng)過車站時，車站內(nèi)的氣流受熱壓風(fēng)與活塞風(fēng)的疊加作用。

(2)當(dāng)列車越行地下車站時，由于兩側(cè)咽喉區(qū)的漸變結(jié)構(gòu)和熱壓風(fēng)的持續(xù)作用，進(jìn)出站通道風(fēng)速出現(xiàn)兩次峰值，第2次風(fēng)速極大值略小于第1次風(fēng)速最大值。出站廳開口面積小時，地面出站口最大風(fēng)速可達(dá)14.0 m/s，對乘客安全性造成影響。通過增開出站站房的門窗，增大流動面積，使熱壓風(fēng)和活塞風(fēng)直接流向室外，可有效減小出站口風(fēng)口。

(3)冬季站臺層壁面平均溫度為7.3 ℃，車站內(nèi)溫度隨著高度的提升而增加，室外空氣從隧道流經(jīng)站臺，到達(dá)進(jìn)出站通道，最后從地面站房進(jìn)出站口流出。進(jìn)站廳及候車廳采用供暖系統(tǒng)溫度較高，站內(nèi)外溫差大，加劇站內(nèi)熱壓風(fēng)的流動。

通過對高鐵地下車站站內(nèi)氣流產(chǎn)生的機(jī)理分析，可為深埋地下車站活塞風(fēng)控制和環(huán)控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。由于實(shí)測均在初期試運(yùn)營期間，車次少，無會車工況出現(xiàn)。后期正式運(yùn)營后，隨著車次增加，將出現(xiàn)隧道內(nèi)會車情況，在隧道內(nèi)不同位置會車時產(chǎn)生的活塞風(fēng)對車站影響將更大，熱壓風(fēng)與活塞風(fēng)疊加后，將對人員的通行安全造成影響，后續(xù)可繼續(xù)跟蹤研究。