大型地下客站列車高速越站屏蔽門承壓分析

魯華偉

中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司

0 引言

在廣深港客運(yùn)專線福田大型地下客站設(shè)計(jì)中，為了縮短列車運(yùn)行時(shí)間，部分地鐵列車不減速，高速越站，通過站臺(tái)。列車高速越站必然會(huì)造成一系列空氣動(dòng)力學(xué)的問題[1]。在地下車站中，由于地鐵隧道、站臺(tái)的封閉性，高速列車空氣動(dòng)力學(xué)問題更突出，對(duì)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(yīng)和屏蔽門強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。相對(duì)于地上列車，地下車站屏蔽門壓力影響因素較多，且對(duì)列車高速越站時(shí)屏蔽門承壓研究尚未見到。本文結(jié)合福田大型地下站，主要研究高速越站的地鐵列車對(duì)于站臺(tái)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(shè)置位置。

1 計(jì)算條件

1.1 計(jì)算工況

福田站在設(shè)計(jì)階段中有兩種建筑方案，簡(jiǎn)稱不對(duì)稱方案和對(duì)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(dòng)車組，數(shù)值計(jì)算研究不同工況下屏蔽門承壓特性，計(jì)算工況如下。

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

2）列車越站情況：?jiǎn)诬嚕瑔瘟辛熊囋秸?，越站列車的相鄰軌道無其他車輛同時(shí)通過站臺(tái)或?？空九_(tái)；雙車，單列列車越站，越站列車的相鄰軌道有另一車輛同時(shí)?？空九_(tái)。

3）屏蔽門：不對(duì)稱方案中屏蔽門與站臺(tái)間距2000 mm；對(duì)稱方案中屏蔽門與站臺(tái)間距100 mm、300 mm、無屏蔽門。

4）通風(fēng)井設(shè)置：無通風(fēng)井；有通風(fēng)井，面積40 m2。

以對(duì)稱建筑方案為例對(duì)表1 中單車、雙車及通風(fēng)井設(shè)置情況進(jìn)行介紹，如圖2 所示。

表1 數(shù)值計(jì)算工況

圖2 對(duì)稱方案中單、雙車及通風(fēng)井設(shè)置示意圖

1.2 計(jì)算方法

考慮到數(shù)值計(jì)算中列車越站速度均小于0.2 Mach。列車在封閉環(huán)境中運(yùn)行，隧道斷面無突變，壓力波動(dòng)小。隧道較長(zhǎng)，Mach 波的傳播反射時(shí)間長(zhǎng)，壓力波疊加效應(yīng)較小，因此數(shù)值計(jì)算中空氣采用不可壓縮模型[2-3]。列車運(yùn)行時(shí)流態(tài)復(fù)雜且雷諾數(shù)高，周圍流場(chǎng)處于湍流狀態(tài)。因此本文采用數(shù)值模擬的方法對(duì)地下車站列車越站引起的空氣流動(dòng)可用三維、不可壓縮、瞬態(tài)紊流流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)模擬列車與隧道間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)[4]。

目前，對(duì)于列車空氣動(dòng)力學(xué)中的工程湍流問題，應(yīng)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(duì)列車越站引起的空氣動(dòng)力問題進(jìn)行模擬。

1.3 測(cè)點(diǎn)布置

以非對(duì)稱建筑方案為例對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置情況進(jìn)行介紹，如圖3、4 所示。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖

圖4 監(jiān)測(cè)線示意圖

屏蔽門點(diǎn)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在列車兩側(cè)的屏蔽門前端和中部位置，代表屏蔽門關(guān)鍵部位受到的壓力波動(dòng)情況。屏蔽門線壓力監(jiān)測(cè)設(shè)置在列車兩側(cè)的靠近屏蔽門位置，記錄監(jiān)測(cè)線上壓力的峰值的變化，即最大正負(fù)壓力，代表屏蔽門線壓力的區(qū)域壓力波動(dòng)情況。表2 為各測(cè)點(diǎn)位置。

表2 測(cè)點(diǎn)位置

2 模型試驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算合理性驗(yàn)證

建立福田站對(duì)稱建筑方案1:80 的簡(jiǎn)化模型，試驗(yàn)研究列車高速越站時(shí)車站壓力特性并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法的合理性。當(dāng)車站設(shè)置有屏蔽門系統(tǒng)時(shí)考慮到屏蔽門承壓是屏蔽門設(shè)計(jì)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(fù)壓力）對(duì)數(shù)值計(jì)算合理性進(jìn)行驗(yàn)證。

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

圖5 福田站1:80 簡(jiǎn)化模型

圖6 試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D

2.1 無屏蔽門及豎井

無屏蔽門及豎井時(shí)數(shù)值計(jì)算得到列車速度160 km/h 工況與模型試驗(yàn)速度為94 km/h、138 km/h、225 km/h、240 km/h 時(shí)結(jié)果對(duì)比如圖7 所示，圖中“實(shí)測(cè)”代表模型實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果，“計(jì)算”則代表數(shù)值計(jì)算的結(jié)果。

圖7 無屏蔽門及豎井最大正負(fù)壓差

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

采用線性插值的方法得到模型試驗(yàn)在160 km/h時(shí)最大正負(fù)壓差。模型實(shí)驗(yàn)得到160 km/h 工況下最大正負(fù)壓差為1.21 kPa，數(shù)值計(jì)算得到最大正負(fù)壓差1.28 kPa，二者相差5%。

2.2 設(shè)置屏蔽門，無豎井

設(shè)置屏蔽門，無豎井時(shí)數(shù)值計(jì)算得到列車速度120 km/h 和160 km/h 工況與模型試驗(yàn)速度為94 km/h、138 km/h、225 km/h、240 km/h 時(shí)結(jié)果對(duì)比如圖8 所示，圖中“實(shí)測(cè)”代表模型實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果，“計(jì)算”代表數(shù)值計(jì)算結(jié)果。

圖8 設(shè)置屏蔽門，無豎井最大正負(fù)壓差比較

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

采用線性插值的方法得到模型試驗(yàn)在120 km/h和160 km/h 時(shí)最大正負(fù)壓差。模型實(shí)驗(yàn)得到120 km/h工況下最大正負(fù)壓差為0.91 kPa，數(shù)值計(jì)算得到最大正負(fù)壓差1.02 kPa，二者相差10.8%。模型實(shí)驗(yàn)得到160 km/h 工況下最大正負(fù)壓差為1.68 kPa，數(shù)值計(jì)算得到最大正負(fù)壓差1.64 kPa，二者相差2.4%。

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

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

數(shù)值模擬得到計(jì)算結(jié)果如表3 所示。

表3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

對(duì)工況1～10 進(jìn)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(tái)間距100 mm，無通風(fēng)井且單車工況下，越站速度120 km/h 時(shí)屏蔽門壓力鋒對(duì)峰值1300 Pa，越站速度160 km/h 時(shí)屏蔽門壓力鋒對(duì)峰值增加80%，達(dá)到2334 Pa。設(shè)置通風(fēng)井可減小屏蔽門承壓值，越站速度160 km/h，屏蔽門與站臺(tái)間距100 mm，單車工況下設(shè)置通風(fēng)井可將屏蔽門承壓峰對(duì)峰值減小11%；屏蔽門與站臺(tái)間距100 mm、300 mm、500 mm、1000 mm 時(shí)屏蔽門承壓峰對(duì)峰值分別為2334 Pa、1959 Pa、1700 Pa、1300 Pa。

目前對(duì)屏蔽門耐壓限值研究主要有深圳地鐵列車運(yùn)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(shí)屏蔽門最大正壓為2540 Pa，最大負(fù)壓2280 Pa。2）列車速度為80 km/h 時(shí)屏蔽門最大正壓為950 Pa，最大負(fù)壓680 Pa。本文對(duì)屏蔽門承壓相關(guān)研究中列車越站速度較大，屏蔽門承壓標(biāo)準(zhǔn)采用“京滬高速鐵路的壓力波動(dòng)臨界控制標(biāo)準(zhǔn)”，屏蔽門承壓限值取為3 kPa/3s。對(duì)工況11 和12 進(jìn)行分析可以看出，采用非對(duì)稱建筑方案設(shè)置通風(fēng)井且越站速度200 km/h，屏蔽門與站臺(tái)間距1000 mm 超出屏蔽門承壓限值，屏蔽門與站臺(tái)間距應(yīng)在2000 mm 以上。

4 結(jié)論

本文使用模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法，通過對(duì)福田站設(shè)計(jì)階段兩種建筑方案列車高速越站屏蔽門承壓特性進(jìn)行分析得到主要結(jié)論如下：

1）無屏蔽門無豎井情況下試驗(yàn)速度94 km/h 時(shí)最大正負(fù)壓差0.35 kPa，240 km/h 時(shí)最大正負(fù)壓差2.45 kPa 左右。

2）設(shè)置屏蔽門無豎井情況下試驗(yàn)速度94 km/h 時(shí)最大正負(fù)壓差0.4 kPa，240 km/h 時(shí)最大正負(fù)壓差3.8 kPa 左右。

3）采用非對(duì)稱建筑方案設(shè)置通風(fēng)井且越站速度200 km/h 時(shí)，屏蔽門與站臺(tái)間距應(yīng)在2000mm 以上。