市域鐵路列車高速越行時入口段隧道和車站屏蔽門壓力變化研究

朱淮東

（中鐵上海設計院集團有限公司 上海 200070）

0 引言

隨著新型城鎮化的快速發展，有快速方便、容量大優勢的市域鐵路成為一種新型客運軌道交通方式。城市圈不斷高速發展，地面用地緊張，越來越多的市域鐵路往地下發展，形成市域鐵路隧道和地下車站。當列車在隧道內運行速度超過100km/h時，高速運行的列車與空氣間相互作用產生的氣動效應會影響列車和隧道內設備安全[1,2]。在現有市域鐵路設計中，部分地下車站存在列車高速越行，此時列車運行產生的瞬態壓力波動還會對站臺屏蔽門產生一定影響。

國內外很多學者對隧道壓力波和站臺屏蔽門壓力進行了研究。有學者[3-5]采用數值模擬和模型試驗方法研究列車進入隧道時引起的壓力波動。王學英等[6]通過動模型實驗，研究高速列車通過隧道時壓力變化與列車速度和阻塞比的關系。趙晶[7]研究了高速列車單車通過隧道時阻塞比、隧道橫截面形狀、緩沖結構和橫通道對列車氣動特性的影響。馬福東等[8]采用數值計算軟件對某地下車站屏蔽門和安全門兩種模式下站臺的最大風速、最大瞬變壓力、壓縮波峰值等進行了計算分析。結果表明，列車高速過站時在屏蔽門上產生的氣動壓力最大達到937Pa，屏蔽門的存在會惡化車站越行線位置的氣動效應。

本文采用三維CFD 數值計算方法，以市域鐵路嘉閔線的入口段隧道和迎賓三路站為例，考慮迎賓三路站無列車?？亢陀辛熊囃？?，研究列車從隧道U 型槽敞口段以160 km/h 速度突入隧道并越行車站時區間隧道和車站屏蔽門的壓力變化規律，可為市域鐵路入口段隧道內設備和越行車站屏蔽門的承壓提供設計依據。

1 數值計算方法

1.1 數值計算模型建立

嘉閔線采用8 節編組的市域動車組，列車總長度200m。本研究重點關注隧道內壓力變化，參考文獻[9,10]，忽略列車轉向架、受電弓和設備艙對氣流流動的影響，對列車外形進行簡化，建立的列車數值計算模型如圖1 所示。

圖1 列車數值模型Fig.1 Numerical model of the Train

市域鐵路嘉閔線在通過市區時列車進入隧道運行，列車高速突入入口段隧道，在隧道內產生壓力波動，并往前傳播。當列車越行通過入口段附近的迎賓三路站，還會引起車站屏蔽門壓力變化。當有列車在迎賓三路?？繒r，車站軌行區斷面凈空面積減小，加劇屏蔽門上壓力波動。因此，本研究考慮有列車和無列車?？坑e三路站兩種工況。

基于嘉閔線入口段隧道和迎賓三路站結構尺寸建立模型，整個計算模型長度為2289m，如圖2所示。入口附近U 型槽敞口段長320m，入口至迎賓三路站區間隧道長1138m，車站長531m。列車通常是經過一定坡度的U 型槽進入隧道，本研究簡化將U 型槽隧道水平處理。

圖2 模型計算范圍Fig.2 Computational range of the model

建立的車站和隧道數值計算模型如圖3 所示。其中，區間隧道直徑為7.8m，對應的凈空面積為43m2，阻塞比為0.26，車站軌行區凈空面積為76m2，車站屏蔽門距越行線中心線的距離為6.75m，豎井面積為25m2。為了使流場充分發展，避免氣流繞流影響，需要擴大U 型槽外部的空氣計算域[11]，尺寸為320m×40m×65m。

圖3 車站及隧道數值計算模型Fig.3 Numerical model of station and tunnel

1.2 網格劃分和參數設置

本研究采用STAR-CCM+軟件建模并計算，列車運行的模擬采用重疊動網格技術，采用六面體網格對上述計算域進行網格劃分。車身表面網格大小為0.125m，表面設置4 層棱柱層網格，棱柱層內以拉升比1.2 逐層增長，并對列車周圍網格加密，車身附近區域、軌行區及列車穿行的隧道區域的網格大小為0.25m，其余區域網格大小為0.5m，總網格數為792 萬，列車表面和車身周圍網格劃分如圖4 所示。對列車通過隧道時車外復雜的流動區域進行分區，包含整個隧道流動空間的背景區域以及運動列車周圍的重疊區域。重疊區域跟隨列車進行運動，流場信息提供插值在重疊區邊界進行匹配和耦合。

圖4 列車表面及周圍網格Fig.4 Mesh of train surface and surrounding zone

對計算邊界條件的處理，隧道入口附近的計算域以及豎井出口均為壓力出口邊界，隧道出口為壓力遠場邊界，列車表面和隧道壁面為無滑移邊界。

隧道內列車運行產生的空氣流動屬于典型的三維、粘性、可壓縮、非定常的湍流流動。本研究采用RANS 方法和k-ε湍流模型對隧道內的空氣流動進行求解。

1.3 壓力測點布置

為監測列車在隧道中運行、車站越行、遇隧道突擴或突縮面時造成的壓力波動，在各隧道段分別取一些測點、同時在每個突擴突縮面的前后各5m處取2 個測點。區間隧道段部分測點布置如圖5 所示。

圖5 隧道壓力測點示意圖Fig.5 Schematic diagram of pressure measuring points in the tunnel

為了分析屏蔽門上壓力波動，根據車站實際設計，在22 扇屏蔽門上監測每扇門上的最大壓力值，屏蔽門具體位置如圖6 所示。

圖6 站臺屏蔽門分布圖Fig.6 Distribution of platform screen door

2 無車?？繒r列車越行過站的壓力變化

本文首先模擬列車以160km/h 速度勻速從入口段U 型槽外進入隧道，并越行通過無車?？康挠e三路站的過程中隧道內壓力變化。

2.1 車站前、后區間隧道的壓力變化

無列車?？繒r，迎賓三路站前的入口區間隧道不同位置處的壓力變化如圖7 所示。

圖7 無車?？繒r入口區間隧道內的壓力變化Fig.7 Pressure change in the entrance section tunnel without train stop

由圖7 可見，在2s 開始列車通過入口處的U型槽進入峒口，產生初始壓縮波。初始壓縮波依次到達隧道內各處測點，且由于摩擦效應，峰值越來越小，215m 測點處正壓最大，最大壓力值為1215Pa。由于入口附近隧道斷面是漸變的，斷面積較大，產生的初始壓縮波幅值并不高，且在傳播過程中由于隧道斷面突變處的影響，初始壓縮波有波動。

當車尾經過442m 測點時，測點壓力迅速下降，與膨脹波疊加后造成該測點處的最大負壓-1390Pa。當車尾離開測點后，壓力迅速回升。其他測點的變化類似。當車尾經過站前區間隧道后，各測點壓力變化慢慢減小，但仍然受到隧道內壓縮波和膨脹波的作用而有所波動。

迎賓三路站后區間隧道不同位置處的壓力變化如圖8 所示。由于車站左右兩個活塞風井的泄壓作用，初始壓縮波通過風井到達右側區間內測點后，峰值顯著下降，最大值僅360Pa。圖中可以發現40s 后又出現了一次壓縮波峰值，該壓縮波是由列車通過車站右端活塞風井時斷面突變而產生的，峰值最大達到1450Pa。由此可見，并不是隧道入口處初始壓縮波傳播至各測點形成最大壓力變化，列車通過風井時產生的壓縮波也可在測點處引起較大的壓力波動。

圖8 無車?？繒r車站后區間隧道的壓力變化Fig.8 Pressure change of section tunnel after the station without train stop

2.2 車站屏蔽門的壓力變化

無列車?？繒r，車站屏蔽門的最大壓力變化如圖9 所示。圖中door1-1 是指車站進站端所對應的第一扇屏蔽門。

圖9 無車?？繒r不同屏蔽門的最大壓力變化Fig.9 Maximum pressure change of different screen doors without train stop

由圖9 可見，由于左端活塞風井的泄壓，初始壓縮波傳到車站屏蔽門后的幅值并不大，最大正壓僅415Pa。而且該壓縮波傳播至屏蔽門時，與右端風井反射回來的膨脹波有疊加，峰值出現的時間較短。由于各扇屏蔽門間距并不大，兩端的端門最大間距在200m 內，各個點在30s 前的壓力變化基本是一致的。30s 開始，列車通過車站左端風井并在風井面積突變處產生新的壓縮波。該壓縮波依次經過屏蔽門上測點，而車同時也會經過測點，造成正壓的壓縮波和列車通過時的車身負壓的疊加，使各扇屏蔽門上壓力變化不同。屏蔽門左端的測點距離風井較近，疊加作用使得屏蔽門上最大正壓并不高，而右端的屏蔽門距離遠，疊加作用弱。壓縮波傳播到出站端屏蔽門上最大值可達440Pa。車尾通過測點時產生負壓，最大值為-470Pa。

3 有車?？繒r列車越行過站的壓力變化

當有車?？吭谲囌緯r，車站軌行區隧道斷面積減小，且有斷面突變，造成的壓力波動更大。進一步分析列車進入隧道并越行通過有車?？康挠e三路站的過程中隧道內壓力變化。

3.1 車站前、后區間隧道的壓力變化

有列車?？繒r，迎賓三路站前入口區間隧道不同位置處壓力變化如圖10 所示。同樣在2s 開始列車通過入口處U 型槽進入峒口產生初始壓縮波。初始壓縮波依次到達隧道內各處測點，215m 測點處正壓最大，為1215Pa，與無車?？抗r一致。即有無列車?？繉φ厩叭肟趨^間隧道內壓力變化規律與幅值幾乎沒有影響。當車尾經過442m 測點時，測點壓力瞬間迅速下降，該測點442m 處的最大負壓為-1350Pa，比無車?？抗r稍小，說明有車時該點反射回來的膨脹波要小一些。

圖10 有車?？繒r入口區間隧道內的壓力變化Fig.10 Pressure change in the entrance section tunnel with train stop

由圖11 可見，初始壓縮波通過風井到達車站右側區間內的測點后，峰值最大值僅為335Pa，比無車?？抗r稍小，主要是由于有列車?？繒r，對波的傳播有一定阻礙作用。40s 的壓縮波峰值最大達到1450Pa，與無車?？抗r一致，說明列車經過右端活塞風井產生的壓縮波在車站后區間隧道的傳播與是否有列車?？繜o關。

圖11 有車?？繒r車站后區間隧道的壓力變化Fig.11 Pressure change of section tunnel behind the station with train stop

3.2 車站屏蔽門的壓力變化

圖12、圖13 可見，由于活塞風井的泄壓，初始壓縮波傳到車站屏蔽門后最大正壓僅為440Pa，比無車?？繒r要大25Pa。說明有車?？繒r屏蔽門承壓會增加，但增加值不到10%。各個點在30s 前的壓力變化基本一致。30s 開始，列車通過左端活塞風井產生的壓縮波依次經過屏蔽門上測點。壓縮波傳播到屏蔽門上最大值可達486Pa，比無車?？繒r大46Pa，約增加10%。車尾通過測點時產生負壓，最大值為-509Pa，比無車?？抗r大39Pa，增加不到10%。

圖12 有車?？繒r不同屏蔽門上的最大壓力變化Fig.12 Maximum pressure change of different screen doors with train stop

圖13 有無列車?？繒r屏蔽門壓力變化對比圖Fig.13 Comparison of screen doors pressure changes with and without train stop

4 結論

本文研究了市域鐵路地下車站有無列車?？抗r下，高速列車突入隧道并越行過站時區間隧道和屏蔽門的壓力變化，得到以下結論：

（1）列車突入產生的初始壓縮波傳播到入口區間隧道時，最大正壓可達1215Pa；列車通過右端風井產生的壓縮波傳播到車站后的區間隧道時，引起的最大正壓可達1490Pa；列車經過屏蔽門時，屏蔽門上最大正負壓為486Pa-509Pa。

（2）有無列車?？繉囌厩暗膮^間隧道內壓力波幅值幾乎沒有影響，同時列車經過右端活塞風井產生的壓縮波在車站后區間隧道的傳播也不受列車?？坑绊?。

（3）由于有車?？繒r車站隧道凈空面積減小，增加了阻力，使屏蔽門壓力略有增加，壓縮波傳播到屏蔽門上最大值可達486Pa，比無車?？繒r大46Pa，車尾通過測點時產生負壓，最大值為-509Pa，比無車?？抗r大39Pa，但壓力波幅值增加在10%以內。