市域鐵路列車高速越行時(shí)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(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 上海 200070）

0 引言

隨著新型城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，有快速方便、容量大優(yōu)勢(shì)的市域鐵路成為一種新型客運(yùn)軌道交通方式。城市圈不斷高速發(fā)展，地面用地緊張，越來(lái)越多的市域鐵路往地下發(fā)展，形成市域鐵路隧道和地下車站。當(dāng)列車在隧道內(nèi)運(yùn)行速度超過100km/h時(shí)，高速運(yùn)行的列車與空氣間相互作用產(chǎn)生的氣動(dòng)效應(yīng)會(huì)影響列車和隧道內(nèi)設(shè)備安全[1,2]。在現(xiàn)有市域鐵路設(shè)計(jì)中，部分地下車站存在列車高速越行，此時(shí)列車運(yùn)行產(chǎn)生的瞬態(tài)壓力波動(dòng)還會(huì)對(duì)站臺(tái)屏蔽門產(chǎn)生一定影響。

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)隧道壓力波和站臺(tái)屏蔽門壓力進(jìn)行了研究。有學(xué)者[3-5]采用數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)方法研究列車進(jìn)入隧道時(shí)引起的壓力波動(dòng)。王學(xué)英等[6]通過動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)，研究高速列車通過隧道時(shí)壓力變化與列車速度和阻塞比的關(guān)系。趙晶[7]研究了高速列車單車通過隧道時(shí)阻塞比、隧道橫截面形狀、緩沖結(jié)構(gòu)和橫通道對(duì)列車氣動(dòng)特性的影響。馬福東等[8]采用數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)某地下車站屏蔽門和安全門兩種模式下站臺(tái)的最大風(fēng)速、最大瞬變壓力、壓縮波峰值等進(jìn)行了計(jì)算分析。結(jié)果表明，列車高速過站時(shí)在屏蔽門上產(chǎn)生的氣動(dòng)壓力最大達(dá)到937Pa，屏蔽門的存在會(huì)惡化車站越行線位置的氣動(dòng)效應(yīng)。

本文采用三維CFD 數(shù)值計(jì)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(wú)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(shí)區(qū)間隧道和車站屏蔽門的壓力變化規(guī)律，可為市域鐵路入口段隧道內(nèi)設(shè)備和越行車站屏蔽門的承壓提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 數(shù)值計(jì)算方法

1.1 數(shù)值計(jì)算模型建立

嘉閔線采用8 節(jié)編組的市域動(dòng)車組，列車總長(zhǎng)度200m。本研究重點(diǎn)關(guān)注隧道內(nèi)壓力變化，參考文獻(xiàn)[9,10]，忽略列車轉(zhuǎn)向架、受電弓和設(shè)備艙對(duì)氣流流動(dòng)的影響，對(duì)列車外形進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立的列車數(shù)值計(jì)算模型如圖1 所示。

圖1 列車數(shù)值模型Fig.1 Numerical model of the Train

市域鐵路嘉閔線在通過市區(qū)時(shí)列車進(jìn)入隧道運(yùn)行，列車高速突入入口段隧道，在隧道內(nèi)產(chǎn)生壓力波動(dòng)，并往前傳播。當(dāng)列車越行通過入口段附近的迎賓三路站，還會(huì)引起車站屏蔽門壓力變化。當(dāng)有列車在迎賓三路?？繒r(shí)，車站軌行區(qū)斷面凈空面積減小，加劇屏蔽門上壓力波動(dòng)。因此，本研究考慮有列車和無(wú)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(jié)構(gòu)尺寸建立模型，整個(gè)計(jì)算模型長(zhǎng)度為2289m，如圖2所示。入口附近U 型槽敞口段長(zhǎng)320m，入口至迎賓三路站區(qū)間隧道長(zhǎng)1138m，車站長(zhǎng)531m。列車通常是經(jīng)過一定坡度的U 型槽進(jìn)入隧道，本研究簡(jiǎn)化將U 型槽隧道水平處理。

圖2 模型計(jì)算范圍Fig.2 Computational range of the model

建立的車站和隧道數(shù)值計(jì)算模型如圖3 所示。其中，區(qū)間隧道直徑為7.8m，對(duì)應(yīng)的凈空面積為43m2，阻塞比為0.26，車站軌行區(qū)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(chǎng)充分發(fā)展，避免氣流繞流影響，需要擴(kuò)大U 型槽外部的空氣計(jì)算域[11]，尺寸為320m×40m×65m。

圖3 車站及隧道數(shù)值計(jì)算模型Fig.3 Numerical model of station and tunnel

1.2 網(wǎng)格劃分和參數(shù)設(shè)置

本研究采用STAR-CCM+軟件建模并計(jì)算，列車運(yùn)行的模擬采用重疊動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，采用六面體網(wǎng)格對(duì)上述計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。車身表面網(wǎng)格大小為0.125m，表面設(shè)置4 層棱柱層網(wǎng)格，棱柱層內(nèi)以拉升比1.2 逐層增長(zhǎng)，并對(duì)列車周圍網(wǎng)格加密，車身附近區(qū)域、軌行區(qū)及列車穿行的隧道區(qū)域的網(wǎng)格大小為0.25m，其余區(qū)域網(wǎng)格大小為0.5m，總網(wǎng)格數(shù)為792 萬(wàn)，列車表面和車身周圍網(wǎng)格劃分如圖4 所示。對(duì)列車通過隧道時(shí)車外復(fù)雜的流動(dòng)區(qū)域進(jìn)行分區(qū)，包含整個(gè)隧道流動(dòng)空間的背景區(qū)域以及運(yùn)動(dòng)列車周圍的重疊區(qū)域。重疊區(qū)域跟隨列車進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，流場(chǎng)信息提供插值在重疊區(qū)邊界進(jìn)行匹配和耦合。

圖4 列車表面及周圍網(wǎng)格Fig.4 Mesh of train surface and surrounding zone

對(duì)計(jì)算邊界條件的處理，隧道入口附近的計(jì)算域以及豎井出口均為壓力出口邊界，隧道出口為壓力遠(yuǎn)場(chǎng)邊界，列車表面和隧道壁面為無(wú)滑移邊界。

隧道內(nèi)列車運(yùn)行產(chǎn)生的空氣流動(dòng)屬于典型的三維、粘性、可壓縮、非定常的湍流流動(dòng)。本研究采用RANS 方法和k-ε湍流模型對(duì)隧道內(nèi)的空氣流動(dòng)進(jìn)行求解。

1.3 壓力測(cè)點(diǎn)布置

為監(jiān)測(cè)列車在隧道中運(yùn)行、車站越行、遇隧道突擴(kuò)或突縮面時(shí)造成的壓力波動(dòng)，在各隧道段分別取一些測(cè)點(diǎn)、同時(shí)在每個(gè)突擴(kuò)突縮面的前后各5m處取2 個(gè)測(cè)點(diǎn)。區(qū)間隧道段部分測(cè)點(diǎn)布置如圖5 所示。

圖5 隧道壓力測(cè)點(diǎn)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(dòng)，根據(jù)車站實(shí)際設(shè)計(jì)，在22 扇屏蔽門上監(jiān)測(cè)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(tái)屏蔽門分布圖Fig.6 Distribution of platform screen door

2 無(wú)車?？繒r(shí)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?gòu)娜肟诙蜺 型槽外進(jìn)入隧道，并越行通過無(wú)車?？康挠e三路站的過程中隧道內(nèi)壓力變化。

2.1 車站前、后區(qū)間隧道的壓力變化

無(wú)列車?？繒r(shí)，迎賓三路站前的入口區(qū)間隧道不同位置處的壓力變化如圖7 所示。

圖7 無(wú)車停靠時(shí)入口區(qū)間隧道內(nèi)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(jìn)入峒口，產(chǎn)生初始?jí)嚎s波。初始?jí)嚎s波依次到達(dá)隧道內(nèi)各處測(cè)點(diǎn)，且由于摩擦效應(yīng)，峰值越來(lái)越小，215m 測(cè)點(diǎn)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(chǎn)生的初始?jí)嚎s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?jí)嚎s波有波動(dòng)。

當(dāng)車尾經(jīng)過442m 測(cè)點(diǎn)時(shí)，測(cè)點(diǎn)壓力迅速下降，與膨脹波疊加后造成該測(cè)點(diǎn)處的最大負(fù)壓-1390Pa。當(dāng)車尾離開測(cè)點(diǎn)后，壓力迅速回升。其他測(cè)點(diǎn)的變化類似。當(dāng)車尾經(jīng)過站前區(qū)間隧道后，各測(cè)點(diǎn)壓力變化慢慢減小，但仍然受到隧道內(nèi)壓縮波和膨脹波的作用而有所波動(dòng)。

迎賓三路站后區(qū)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(gè)活塞風(fēng)井的泄壓作用，初始?jí)嚎s波通過風(fēng)井到達(dá)右側(cè)區(qū)間內(nèi)測(cè)點(diǎn)后，峰值顯著下降，最大值僅360Pa。圖中可以發(fā)現(xiàn)40s 后又出現(xiàn)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(fēng)井時(shí)斷面突變而產(chǎn)生的，峰值最大達(dá)到1450Pa。由此可見，并不是隧道入口處初始?jí)嚎s波傳播至各測(cè)點(diǎn)形成最大壓力變化，列車通過風(fēng)井時(shí)產(chǎn)生的壓縮波也可在測(cè)點(diǎn)處引起較大的壓力波動(dòng)。

圖8 無(wú)車?？繒r(shí)車站后區(qū)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(wú)列車?？繒r(shí)，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(jìn)站端所對(duì)應(yīng)的第一扇屏蔽門。

圖9 無(wú)車?？繒r(shí)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(fēng)井的泄壓，初始?jí)嚎s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(shí)，與右端風(fēng)井反射回來(lái)的膨脹波有疊加，峰值出現(xiàn)的時(shí)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(nèi)，各個(gè)點(diǎn)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(fēng)井并在風(fēng)井面積突變處產(chǎn)生新的壓縮波。該壓縮波依次經(jīng)過屏蔽門上測(cè)點(diǎn)，而車同時(shí)也會(huì)經(jīng)過測(cè)點(diǎn)，造成正壓的壓縮波和列車通過時(shí)的車身負(fù)壓的疊加，使各扇屏蔽門上壓力變化不同。屏蔽門左端的測(cè)點(diǎn)距離風(fēng)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(yuǎn)，疊加作用弱。壓縮波傳播到出站端屏蔽門上最大值可達(dá)440Pa。車尾通過測(cè)點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生負(fù)壓，最大值為-470Pa。

3 有車停靠時(shí)列車越行過站的壓力變化

當(dāng)有車?？吭谲囌緯r(shí)，車站軌行區(qū)隧道斷面積減小，且有斷面突變，造成的壓力波動(dòng)更大。進(jìn)一步分析列車進(jìn)入隧道并越行通過有車?？康挠e三路站的過程中隧道內(nèi)壓力變化。

3.1 車站前、后區(qū)間隧道的壓力變化

有列車?？繒r(shí)，迎賓三路站前入口區(qū)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(jìn)入峒口產(chǎn)生初始?jí)嚎s波。初始?jí)嚎s波依次到達(dá)隧道內(nèi)各處測(cè)點(diǎn)，215m 測(cè)點(diǎn)處正壓最大，為1215Pa，與無(wú)車?？抗r一致。即有無(wú)列車?？繉?duì)站前入口區(qū)間隧道內(nèi)壓力變化規(guī)律與幅值幾乎沒有影響。當(dāng)車尾經(jīng)過442m 測(cè)點(diǎn)時(shí)，測(cè)點(diǎn)壓力瞬間迅速下降，該測(cè)點(diǎn)442m 處的最大負(fù)壓為-1350Pa，比無(wú)車?？抗r稍小，說明有車時(shí)該點(diǎn)反射回來(lái)的膨脹波要小一些。

圖10 有車?？繒r(shí)入口區(qū)間隧道內(nèi)的壓力變化Fig.10 Pressure change in the entrance section tunnel with train stop

由圖11 可見，初始?jí)嚎s波通過風(fēng)井到達(dá)車站右側(cè)區(qū)間內(nèi)的測(cè)點(diǎn)后，峰值最大值僅為335Pa，比無(wú)車?？抗r稍小，主要是由于有列車?？繒r(shí)，對(duì)波的傳播有一定阻礙作用。40s 的壓縮波峰值最大達(dá)到1450Pa，與無(wú)車?？抗r一致，說明列車經(jīng)過右端活塞風(fēng)井產(chǎn)生的壓縮波在車站后區(qū)間隧道的傳播與是否有列車?？繜o(wú)關(guān)。

圖11 有車?？繒r(shí)車站后區(qū)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(fēng)井的泄壓，初始?jí)嚎s波傳到車站屏蔽門后最大正壓僅為440Pa，比無(wú)車停靠時(shí)要大25Pa。說明有車?？繒r(shí)屏蔽門承壓會(huì)增加，但增加值不到10%。各個(gè)點(diǎn)在30s 前的壓力變化基本一致。30s 開始，列車通過左端活塞風(fēng)井產(chǎn)生的壓縮波依次經(jīng)過屏蔽門上測(cè)點(diǎn)。壓縮波傳播到屏蔽門上最大值可達(dá)486Pa，比無(wú)車?？繒r(shí)大46Pa，約增加10%。車尾通過測(cè)點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生負(fù)壓，最大值為-509Pa，比無(wú)車?？抗r大39Pa，增加不到10%。

圖12 有車?？繒r(shí)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(wú)列車停靠時(shí)屏蔽門壓力變化對(duì)比圖Fig.13 Comparison of screen doors pressure changes with and without train stop

4 結(jié)論

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

（1）列車突入產(chǎn)生的初始?jí)嚎s波傳播到入口區(qū)間隧道時(shí)，最大正壓可達(dá)1215Pa；列車通過右端風(fēng)井產(chǎn)生的壓縮波傳播到車站后的區(qū)間隧道時(shí)，引起的最大正壓可達(dá)1490Pa；列車經(jīng)過屏蔽門時(shí)，屏蔽門上最大正負(fù)壓為486Pa-509Pa。

（2）有無(wú)列車停靠對(duì)車站前的區(qū)間隧道內(nèi)壓力波幅值幾乎沒有影響，同時(shí)列車經(jīng)過右端活塞風(fēng)井產(chǎn)生的壓縮波在車站后區(qū)間隧道的傳播也不受列車?？坑绊憽?/p>

（3）由于有車?？繒r(shí)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(dá)486Pa，比無(wú)車?？繒r(shí)大46Pa，車尾通過測(cè)點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生負(fù)壓，最大值為-509Pa，比無(wú)車?？抗r大39Pa，但壓力波幅值增加在10%以內(nèi)。