京張高鐵八達(dá)嶺隧道及地下站活塞風(fēng)效應(yīng)研究

閆樹龍,葉 雷,楊啟凡,余 濤

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

1 概述

近年來，我國高速鐵路迅猛發(fā)展，截至2018年底，中國高鐵營業(yè)里程達(dá)到2.9萬km以上，高速鐵路營業(yè)里程居全球第一，超過世界高鐵總里程的2/3。由于地理?xiàng)l件和城市空間的限制，地下隧道和地下車站在高鐵建設(shè)中也越來越普遍。列車在隧道中高速行駛時會產(chǎn)生明顯的活塞風(fēng)效應(yīng)，隧道內(nèi)的活塞風(fēng)過大會影響列車運(yùn)行和設(shè)備的安全性[1]。地下車站采用安全門時，車站軌行區(qū)與站臺、站廳公共區(qū)直接相連，列車高速運(yùn)行的活塞風(fēng)會進(jìn)入站臺和車站內(nèi)公共區(qū)，影響公共區(qū)空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷及人行通道內(nèi)人員的舒適性和安全性。目前多數(shù)學(xué)者對地鐵[2-6]、城際鐵路[7-9]和高速鐵路[10-12]隧道內(nèi)的速度場、活塞風(fēng)特性及影響因素進(jìn)行了分析，并對明線列車風(fēng)對車站流場和安全舒適性的影響等[13-14]進(jìn)行了研究，但關(guān)于高鐵地下車站通風(fēng)方面的研究極少。特別是采用半高安全門時，連接車站站臺與站廳、站廳與出入口的車站人行通道，其面積通常較小，通道內(nèi)風(fēng)速高，對該風(fēng)速缺乏相關(guān)研究。

針對京張高速鐵路八達(dá)嶺隧道及地下車站，建立一維通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型，對高速列車正常運(yùn)行時產(chǎn)生的活塞風(fēng)效應(yīng)進(jìn)行模擬計算，研究車站人行通道內(nèi)的活塞風(fēng)特性，評估通道內(nèi)人員的安全性，為類似高速鐵路地下車站的環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計提供技術(shù)參考和數(shù)據(jù)支持。

2 計算模型和計算方法

2.1 工程概況

京張高鐵八達(dá)嶺區(qū)間隧道長12.01 km，車站中心處線路埋深約102.6 m，距離北京方向的出口8.8 km，距離張家口方向的出口3.2 km。站內(nèi)設(shè)置了4條線路，分別為2條正線和2條到發(fā)線，到發(fā)線有效長度650 m。車站有效站臺長450 m，站臺邊裝有1.5 m高安全門，車站總長470 m。在有效站臺范圍內(nèi)，正線采用隔墻與站臺隔開。車站每側(cè)站臺設(shè)2個進(jìn)站口到達(dá)進(jìn)站通道層，2個出站口到達(dá)出站通道層，如圖1所示。進(jìn)站通道層與地面站房地下一層相接，出站通道層與地面站房地面層相接，進(jìn)出站通道層設(shè)置自動扶梯、斜行電梯用于客流通行。因車站并未設(shè)置列車活塞風(fēng)泄壓通道，地下站連接地面站房的進(jìn)出站斜行通道自然成為泄壓通路。此外，救援通道也用于泄壓通風(fēng)。

圖1 八達(dá)嶺地下站示意

2.2 一維數(shù)值計算方法及驗(yàn)證

一維數(shù)值模擬計算方法在常規(guī)地鐵環(huán)控系統(tǒng)模擬中普遍使用，其準(zhǔn)確性也得到了其他模擬方法和實(shí)測的驗(yàn)證。八達(dá)嶺隧道的形式較常規(guī)地鐵隧道有所差別，特別是在大小里程端單洞雙線區(qū)間結(jié)束段與車站隧道連接的咽喉區(qū)段，該區(qū)段大斷面多且斷面面積不斷變化，斷面壓力分布不均且氣流流動復(fù)雜。這種一變?nèi)乃淼罃嗝婺Ｊ?，咽喉區(qū)的氣流流量分配關(guān)系到車站2條到發(fā)線和中間正線的活塞風(fēng)量大小，而到發(fā)線又與站臺連通，因此咽喉區(qū)的空氣流動直接影響到進(jìn)出站斜行通道內(nèi)的風(fēng)速和人員安全。

為了驗(yàn)證一維數(shù)值計算方法在預(yù)測隧道一變?nèi)龝r氣流分配的準(zhǔn)確性，首先建立了車站和前后區(qū)間隧道的一維和三維數(shù)值計算模型，并對隧道內(nèi)列車運(yùn)行時的氣流分布進(jìn)行了對比分析。三維數(shù)值模擬需要較長的計算時間，只建立了車站軌行區(qū)、咽喉區(qū)和前后部分區(qū)間隧道的模型，模型的基本尺寸如圖2所示。建模時雖然車站兩端的區(qū)間隧道長度小于實(shí)際工程，但該三維計算模型僅用于驗(yàn)證一維數(shù)值方法預(yù)測咽喉區(qū)氣流分布和通道風(fēng)速的準(zhǔn)確性，驗(yàn)證后的一維數(shù)值方法將用于實(shí)際工程全線通風(fēng)模型的計算，因此簡化的三維模型對后面的模擬結(jié)論無影響。模型中，正線隧道總長2 365 m，面積91 m2，車站軌行區(qū)隧道面積98 m2，通道面積56 m2。采用三維數(shù)值模擬軟件STAR-CCM+建模計算，模型如圖3、圖4所示，對應(yīng)建立的一維模型如圖5所示。

圖2 模型基本尺寸(單位：m)

圖3 三維數(shù)值模型

圖4 三維列車模型

采用STAR-CCM+的動網(wǎng)格模型進(jìn)行計算，列車在車尾離隧道入口50 m處以60 m/s的速度從正線越行。一維和三維數(shù)值模擬計算結(jié)果的對比見圖6和圖7，兩種方法計算得出的各位置風(fēng)速變化趨勢基本一致。圖6中，在車進(jìn)入車站前，一維數(shù)值計算方法得出的風(fēng)速值偏大一些，主要由于三維數(shù)值計算中列車以較高初速度開始運(yùn)行時三維效應(yīng)不可忽略，但隨著列車離站越來越近，通道內(nèi)風(fēng)速隨之升高，一維和三維方法的誤差也在減小。在15 s時，列車進(jìn)入到咽喉區(qū)位置，此時一維和三維方法都出現(xiàn)最大值，三維計算出的通道內(nèi)最大風(fēng)速可達(dá)1.74 m/s，而采用一維方法計算出的最大風(fēng)速為1.83 m/s，兩者相對誤差不到10%。15～20 s，三維計算的風(fēng)速突然下降，主要是因?yàn)榱熊囋谘屎韰^(qū)運(yùn)行時復(fù)雜的三維效應(yīng)。20 s后，列車離開咽喉區(qū)開始在車站正線越行，此時一維和三維方法計算得出的風(fēng)速基本一致。圖7的站臺風(fēng)速有類似規(guī)律。從列車運(yùn)行時一維和三維數(shù)值模擬計算結(jié)果的對比來看，一維數(shù)值模擬方法能有效預(yù)測通道內(nèi)風(fēng)速變化。

圖5 一維通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型

圖6 一維和三維通道內(nèi)風(fēng)速對比

圖7 一維和三維站臺風(fēng)速對比

2.3 一維數(shù)值計算模型和計算條件

針對京張高鐵八達(dá)嶺區(qū)間隧道和地下車站的物理模型，采用驗(yàn)證后的一維數(shù)值模擬方法研究地下車站通道內(nèi)的活塞風(fēng)效應(yīng)，建立的一維通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型的節(jié)點(diǎn)如圖8所示。

隧道通風(fēng)室外空氣計算溫度采用夏季近20年最熱月月平均溫度的平均值，本文取室外空氣計算溫度29.9 ℃。根據(jù)設(shè)計方案，該線路設(shè)計以跑行標(biāo)準(zhǔn)動車組為主，考慮8輛和16輛編組混跑，列車總長為8輛編組201 m、16輛編組402 m，列車車身截面積11.2 m2。列車在隧道外最高運(yùn)行速度350 km/h，隧道內(nèi)越站最高運(yùn)行速度250 km/h。考慮隧道內(nèi)列車限速，北京方向的大里程端限速200 km/h，張家口方向的小里程端限速250 km/h。

圖8 一維通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

3 計算結(jié)果及分析

本次模擬計算全線按八達(dá)嶺地下站客流量預(yù)測數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)期晚高峰小時的長城站客流量，發(fā)車按每小時12對列車考慮，對八達(dá)嶺區(qū)間隧道及地下車站的溫度、風(fēng)量、人行通道風(fēng)速等進(jìn)行了模擬計算分析。重點(diǎn)分析人行通道內(nèi)的風(fēng)速結(jié)果，并對人員安全進(jìn)行評估。

3.1 人行通道瞬時風(fēng)速

站臺半高安全門制式下，按開啟所有通道進(jìn)行通風(fēng)泄壓計算，對計算數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，取1 800 s內(nèi)的出站通道逐時風(fēng)速數(shù)據(jù)，并重點(diǎn)分析速度最大正值和最大負(fù)值出現(xiàn)的原因。圖9給出了2種工況下的逐時速度變化，正值和負(fù)值交替出現(xiàn)。8對16輛編組(2對越行)、4對8輛編組混跑時，進(jìn)站通道最高瞬時風(fēng)速7.9 m/s，出站通道最高瞬時風(fēng)速8.3 m/s；12對全部由16輛編組(2對越行)運(yùn)行時，進(jìn)站通道最高瞬時風(fēng)速7.9 m/s，出站通道最高瞬時風(fēng)速8.3 m/s。

圖9 逐時速度變化曲線

對圖9中的每個風(fēng)速較大值出現(xiàn)時刻的列車運(yùn)行狀況進(jìn)行分析，并以每個點(diǎn)高于5 m/s的風(fēng)速的時間來計量高風(fēng)速的持續(xù)時間，分析結(jié)果如下。

(1)在風(fēng)速1點(diǎn)時，隧道內(nèi)有4列車，大里程端內(nèi)1列車以全速200 km/h進(jìn)站，1列車以全速200 km/h出站；小里程端內(nèi)1列車減速進(jìn)站，另1列車全速出站，4車綜合作用在車站形成為負(fù)壓，使得出站通道內(nèi)的速度呈現(xiàn)負(fù)值，最大負(fù)值為5.5 m/s。從計算結(jié)果來看兩個區(qū)間內(nèi)都有列車會車，這時的活塞風(fēng)壓是減弱的，全16輛運(yùn)行時速度偏小，主要是負(fù)壓相對較小。該風(fēng)速大于5 m/s的持續(xù)時間約10 s。

(2)在風(fēng)速2點(diǎn)時，隧道內(nèi)有2列車，一列在大里程端內(nèi)以全速200 km/h向車站運(yùn)行，另一列在車站停車，2車在車站引起正壓，此時的通道內(nèi)風(fēng)速并不大，最大值僅為2.4 m/s。

(3)在風(fēng)速3點(diǎn)時，隧道內(nèi)有2列車，在大里程端內(nèi)的一列車以全速200 km/h離開車站，車頭位置在洞口附近，在小里程端內(nèi)的另一列車以全速250 km/h離開車站，車頭同樣在洞口附近位置，這時使得出站內(nèi)出現(xiàn)最大負(fù)壓，通道內(nèi)的速度呈現(xiàn)最大負(fù)值，為-8.3 m/s。該風(fēng)速大于5 m/s的持續(xù)時間約70 s。

(4)在風(fēng)速4點(diǎn)時，隧道內(nèi)有2列車，一列在大里程端內(nèi)以全速200 km/h往車站內(nèi)運(yùn)行，另一列在小里程端內(nèi)減速進(jìn)站，兩車相互作用在車站形成正壓，使得出站通道內(nèi)速度呈現(xiàn)較大正值4.5 m/s。

(5)在風(fēng)速5點(diǎn)時，與1點(diǎn)的情況完全類似，隧道內(nèi)有4列車，大里程端內(nèi)一列車以全速200 km/h進(jìn)站，一列車以全速200 km/h出站；小里程端內(nèi)一列車減速進(jìn)站，另一列車全速出站，4車綜合作用在車站形成為負(fù)壓，使得出站通道內(nèi)的速度呈現(xiàn)負(fù)值5.4 m/s。同樣，該風(fēng)速大于5 m/s的持續(xù)時間是10 s左右。

從以上瞬時風(fēng)速與列車運(yùn)行位置的分析來看，出站通道內(nèi)的瞬時風(fēng)速大小與列車運(yùn)行位置和方向密切相關(guān)，在大小里程隧道內(nèi)均有列車時容易出現(xiàn)峰值，在兩區(qū)間隧道內(nèi)列車向相反方向運(yùn)行(均出站)時產(chǎn)生負(fù)壓作用，引起風(fēng)速較大負(fù)值；在兩區(qū)間隧道內(nèi)列車向相同方向運(yùn)行(均進(jìn)站)時產(chǎn)生正壓作用，引起風(fēng)速較大正值；當(dāng)車站內(nèi)有列車停靠時，風(fēng)速可能會進(jìn)一步加大。最大負(fù)壓的工況已經(jīng)出現(xiàn)，最大正壓的最不利工況在后面的會車工況中需要進(jìn)一步分析。

3.2 單車越行與隧道會車工況

進(jìn)一步對八達(dá)嶺隧道單車越行和兩車會車工況進(jìn)行模擬分析。

3.2.1 單車越行

根據(jù)行車數(shù)據(jù)，北京方向的大里程端限速200 km/h，張家口方向小里程端限速250 km/h。按發(fā)車密度6對/h計，可實(shí)現(xiàn)整個隧道內(nèi)只有單車越行，考慮列車分別從北京和張家口方向越行，模擬結(jié)果見表1。由表1可知，單車越行時進(jìn)出站通道風(fēng)速并不高，最大值僅4.6 m/s，出現(xiàn)在16輛編組車越行時。從逐時數(shù)據(jù)來看，單車越行風(fēng)速最大正值出現(xiàn)在列車到達(dá)車站咽喉區(qū)位置時，最大負(fù)值出現(xiàn)在離站到達(dá)另一端隧道出口時。

表1 單車越行最大風(fēng)速模擬計算結(jié)果 m/s

3.2.2 車站中部會車

考慮列車均進(jìn)入隧道并在車站中間位置會車，通道內(nèi)風(fēng)速模擬結(jié)果見表2。通道內(nèi)風(fēng)速相比于單車越行工況，有明顯增大，最大值可達(dá)7.6 m/s。對列車運(yùn)行位置和逐時風(fēng)速進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)對于中部會車工況，進(jìn)隧道時一車先進(jìn)，出隧道時一車先出；最大正值在會車前兩車正好到達(dá)兩端的咽喉區(qū)位置時產(chǎn)生，最大負(fù)值在一車將出隧道洞口，另一車在另一區(qū)間中部時產(chǎn)生。

表2 車站中部會車最大風(fēng)速模擬計算結(jié)果 m/s

3.2.3 距車站1.5 km會車

進(jìn)一步考慮列車均進(jìn)入隧道在大里程端距車站1.5 km位置處會車，通道內(nèi)風(fēng)速模擬結(jié)果見表3。通道內(nèi)風(fēng)速稍小于車站中部會車工況，最大值可達(dá)7.3 m/s。

表3 距車站1.5 km會車最大風(fēng)速模擬計算結(jié)果 m/s

3.2.4 咽喉區(qū)會車

進(jìn)一步考慮列車在車站起點(diǎn)的咽喉區(qū)位置處會車，通道內(nèi)風(fēng)速模擬結(jié)果見表4。

表4 咽喉區(qū)會車最大風(fēng)速模擬計算結(jié)果 m/s

通道內(nèi)風(fēng)速與車站中部會車工況基本相同，最大值可達(dá)7.5 m/s。對逐時風(fēng)速進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)對于咽喉區(qū)會車工況最大正值在兩車剛好靠近兩端咽喉區(qū)位置時產(chǎn)生，最大負(fù)值在一車將出隧道洞口，另一車在另一區(qū)間中部時產(chǎn)生。

3.3 人員安全性評估

評估列車運(yùn)行產(chǎn)生的活塞風(fēng)對人員安全的影響，需要先確定風(fēng)速控制標(biāo)準(zhǔn)。目前國內(nèi)外并沒有統(tǒng)一的風(fēng)速控制標(biāo)準(zhǔn)，只有針對鐵路隧道和站臺公共區(qū)的氣動荷載標(biāo)準(zhǔn)、風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)或安全距離標(biāo)準(zhǔn)，以及敞開區(qū)域人員安全風(fēng)速的研究[15-20]。通過對各類標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前并沒有針對站臺與站廳連接的人行通道安全風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)，但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以下對乘客而言是舒適的，行動不會受到影響；6～9 m/s內(nèi)部分人員會表現(xiàn)出不舒適，出現(xiàn)按衣裙以防“吹裙”等反應(yīng)；9～11 m/s內(nèi)部分人員行動可能受到影響，但不會摔倒；11 m/s以上乘客受影響大，可能行走困難，有一定摔倒風(fēng)險。

本模擬計算得出的通道內(nèi)最大風(fēng)速8.3 m/s，在安全范圍內(nèi)，只是部分人員會感覺不舒適。

4 結(jié)論

通過對京張高鐵八達(dá)嶺隧道及地下車站內(nèi)的活塞風(fēng)進(jìn)行一維數(shù)值模擬計算分析，得到如下結(jié)論。

(1)站臺采用半高安全門時，由于隧道與站臺、站廳及人行通道直接相通，列車運(yùn)行時產(chǎn)生的活塞效應(yīng)直接影響公共區(qū)氣流，遠(yuǎn)期正常運(yùn)行在隧道內(nèi)有會車時進(jìn)出站通道內(nèi)風(fēng)速最高可達(dá)8.3 m/s，類似設(shè)計車站應(yīng)充分考慮此種影響。

(2)人行通道內(nèi)風(fēng)速最大負(fù)值出現(xiàn)在兩個區(qū)間分別有列車往隧道外以最大速度行駛且兩車位置位于洞口時，風(fēng)速最大正值出現(xiàn)在兩個區(qū)間分別有列車往車站內(nèi)以較大速度行駛且在車站附近會車時。

(3)單車越行時，通道內(nèi)風(fēng)速并不高，16輛編組的車產(chǎn)生最大風(fēng)速值4.6 m/s，在完全可接受的范圍內(nèi)；在隧道內(nèi)不同位置會車時出現(xiàn)較大風(fēng)速，最大7.6 m/s出現(xiàn)在中部會車時。

(4)從已有的風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)和研究成果來看，風(fēng)速在9 m/s以內(nèi)基本可以認(rèn)為是安全的，本模擬計算得出的人行通道內(nèi)最大風(fēng)速8.3 m/s，進(jìn)出站人員短暫通行是安全的。