复杂深埋地下高铁车站站台及通道空气动力学效应模拟及设计对策选定

马福东，王 婷，彭 斌，刘建友

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 概述

近年来，我国高速铁路建设的发展势头迅猛，截至2018年底，中国高铁营业里程达到2.9万km以上，超过世界高铁总里程的2/3。由于地理条件的限制，高速铁路设计中出现越来越多的地下隧道和地下车站。列车在隧道中高速运行时会产生明显的空气动力学效应，如隧道压力波、洞口微气压波、气动噪声、列车活塞风等，影响列车行车安全。尤其是高速铁路车站位于地下封闭空间，列车产生的空气动力学效应更加明显，对车站运营环境影响更大[1]。

在高速铁路隧道空气动力学方面，国内外学者采用理论分析、模型实验和数值模拟的方法对隧道内压力波和洞口微压波的产生与传播[2-4]、最大压力幅值[5-7]、洞口缓冲结构和竖井泄压作用[8-10]等内容进行了研究。在高速铁路地下车站方面，目前国外还没有专门为高速铁路建设的地下火车站，世界首个列车高速驶过地下车站的案例出现在我国台湾高铁上[11]，此外我国海口的美兰机场站、广深港客运专线福田站[12]也属于高铁地下车站，其气动效应也受到广泛关注。西南交大的韩华轩[13]和党明芳[14]分别对美兰机场的隧道长度和站台屏蔽门的设置对站内气动效应的影响规律进行了研究。这些地下车站的空气动力学效应研究更多地集中在隧道压力波、隧道活塞风和表面受力，对安全门模式下的站台压力及车站内的乘客安全风速缺乏相关研究。

不同结构形式的地下车站，列车产生的气动效应也各不相同。城市轨道交通地下车站中多设置屏蔽门[15-16]，八达岭地下车站设计中同样考虑设置屏蔽门模式和安全门模式。本文拟针对京张高铁八达岭隧道及地下车站，采用数值模拟方法，对车站不同站台门模式时高速列车经过产生的气动效应进行研究，为高速铁路隧道及地下车站的合理设计提供技术和数据支持。

2 计算模型和计算条件

2.1 工程概况

京张高铁东起北京北站西至张家口南站，新八达岭隧道是京张高铁全线控制性工程，全长12.01 km，为双线隧道，列车设计速度250 km/h，是全线最长、环保要求最严格、工期最紧张的隧道。八达岭长城站是新八达岭隧道内的地下车站，车站总长470 m，总宽80 m，地下建筑面积3.6万m2，轨面埋深102 m，车站两端渡线段单洞开挖跨度达32.7 m。车站为三层三纵地下结构，自下而上分别为站台层、进站层及出站层；站台层采用3个分离的平行洞室，中间为正线，两侧分别为左、右到发线。车站每个侧站台设2个进站口到达进站通道层，2个出站口到达出站通道层。八达岭地下车站示意如图1所示。

图1 八达岭地下站示意

2.2 三维数值计算模型

根据八达岭隧道和地下车站设计方案，建立三维CFD数值计算模型。为节省计算资源，对模型进行合理简化，简化后的三维模型的隧道总长度2 376 m，中间车站长796 m，站台长250 m，两边隧道各长500 m，区间隧道面积92 m2。数值模型平面示意见图2，其中1-1断面为区间隧道横断面，宽12.2 m、高7.54 m。2-2断面为车站中部横断面，其尺寸如图3所示。区间隧道至车站隧道由大断面的咽喉区相连。

图2 八达岭地下车站计算模型 (单位：m)

图3 车站中部2-2横断面 (单位：cm)

图4 地下车站的数值模型

建立的八达岭隧道三维CFD数值模型如图4所示，模型网格总数为250万个，网格最小尺寸为2.8×10-4m3。京张高铁设计使用车型为国产的CRH3型列车，编组长度200.67 m，列车模型长度取100 m，建立的车头及列车模型如图5所示。列车横断面积12.19 m2，列车与隧道的阻塞比为0.132 5，列车运行速度250 km/h。

图5 CRH3列车车头及车体模型

2.3 数值计算条件

采用Fluent软件对建立的三维模型进行模拟计算。首先对未设置站台门时，通过对多种列车运行方案的研究，得到站台气动效应最不利工况；然后针对最不利的列车运行方式，研究有屏蔽门时的站内气动效应；最后对安全门模式进行计算，分析到发线列车越行时的站台气动效应。

边界条件的设置：隧道进出口连接一段空气域，采用压力远场边界条件；隧道壁面边界采用无滑移边界条件；列车壁面使用滑移壁面，列车的运动采用动网格模型[17]。

3 结果分析

3.1 无站台门时车站气动效应

通过分析，选择3种典型或不利列车运行方案，包括单车通过、站内会车和咽喉区会车，详细信息见表1。在两侧站台中部靠近隧道边缘线位置各布置一个测点(图2)。3种工况下各测点压缩波峰值、最大瞬变压力以及站台最大风速列入表2进行对比分析。

压力峰值如表2所示，工况2下站台压力峰值最大，是工况1最大压力峰值的近2倍，而工况1与工况3站台压力峰值相差不大。车1进入隧道产生的压缩波(P1)波峰传播至站台位置时，车2还未到达隧道入口，并未产生压缩波，因此对站台压力并无影响。

表1 无站台门时站内气动效应研究工况

表2 无站台门时站台气动效应统计

表2中工况2下站台的瞬变压力最大，约为工况1下站台瞬变压力最大值的1倍，比工况3下站台的瞬变压力大40%。此外，计算结果表明，工况2站台的最大风速值最大，约为工况1站台最大风速值的2.5倍，约为工况3站台最大风速值的1.6倍。可见工况2的站内会车气动效应影响最大。

3.2 屏蔽门时车站内气动效应

在3.1节模型基础上，全站台纵向沿站台边缘靠近到发线一侧布置长度250 m的屏蔽门，其平面布置图如图6所示。到发线停靠列车按照8节列车考虑，设置8处屏蔽门活动部分，其高度2.5 m、宽度3 m。模拟的屏蔽门工作状态包括以下3种。

工况4：两侧到发线均未停靠列车，双侧屏蔽门同时关闭。

工况5：两侧到发线均停靠列车，双侧屏蔽门同时打开。

工况6：线路一侧到发线停靠有列车，另一侧到发线未停靠列车，则线路一侧屏蔽门打开另一侧屏蔽门关闭。

图6 站台屏蔽门平面布置示意(单位：m)

为了掌握列车高速过站时产生的气动效应对屏蔽门和站台的影响，在车站两侧站台中心位置布置测点1和测点2，中间越行线布置测点3，两侧屏蔽门布置测点4和测点5。

表3 各种工况下各测点压力峰值 Pa

表4 各种工况下各测点瞬变压力最大值 kPa/3 s

表5 各种工况下各测点最大风速值 m/s

从表3～表5可知，工况4中到发线无列车停靠，屏蔽门关闭，此时站台气动压力、风速等均为零，说明当屏蔽门完全关闭的时候，站台位置是不受列车高速过站所产生的气动效应影响。

对于3种屏蔽门开关工况，工况4中两侧屏蔽门完全关闭时，车站越行线上的压力值和瞬变压力都最大，相较于不设置站台门时，其压缩波峰值和瞬变压力都更大。屏蔽门会恶化车站快速通道上的气动效应。同时，工况4中屏蔽门上所受的气动压力达到0.9 kPa。

计算结果表明，当屏蔽门同时打开时的压力峰值、瞬变压力峰值、最大风速值均小于单侧打开对应的值，表明单侧打开屏蔽门气动效应的影响比同时打开的气动效应大。

对比工况5与无屏蔽门工况，发现屏蔽门双侧同时打开时站台气动效应相较于不设屏蔽门时的要弱，其压缩波峰值、瞬变压力值和速度峰值都要小一些。屏蔽门完全打开时只是指屏蔽门的活动门部分打开，屏蔽门系统的其他部分仍旧能够缓解站台位置的气动效应。

3.3 采用安全门时车站气动效应

采用屏蔽门时，列车在车站中部会车屏蔽门上会产生约937 Pa的气动力作用，对屏蔽门的结构会产生较大影响，且在屏蔽门开口处风速可达近10 m/s，对站台乘客安全影响极大。在保护站台乘客安全的基础上，本节进一步讨论在站台上设置1.5 m高的安全门系统，使到发线与站台连通，对站台进行泄压和减缓列车风对站台的作用。设置安全门后的气动效应介于完全无站台门和设置屏蔽门之间。

采用安全门时的计算工况，由于列车在中间线单车通过、站内会车和咽喉区会车时的站台压力和列车风结果应比无站台门时的结果(表2)会稍小，可参考该结果。本节仅考虑列车单车在到发线以120 km/h的速度越行时对站台气动作用结果。在3.2节模型基础上，分析无安全门模型和全站台设置1.5 m高安全门模型。取到发线上距安全门0.7 m的测点Ⅰ和站台内距安全门0.7 m的测点Ⅱ进行分析，结果见表6。

从表6的结果来看，不管是否设置安全门，站内的测点压力峰值都是一样的，但是瞬变压力的峰值有一定程度的减小，说明安全门对降低站内压力效果不明显。但与设置屏蔽门相比，设置安全门后的泄压作用非常明显，站台压力值明显低于屏蔽门时最大值。设置安全门后，安全门外测点Ⅰ的风速有所增加，而安全门内站台测点Ⅱ的风速降低，低于5 m/s，与屏蔽门时最大风速近10 m/s相比低很多。主要是因为设置安全门后，靠近列车的测点Ⅰ周围的流场空间受到安全门的影响，减小了自由空间，导致风速增大；而受到安全门的屏蔽作用，测点Ⅱ受到流场作用减小，所以风速减小。在站台泄压和降低站台风速方面，安全门系统明显优于屏蔽门系统。

3.4 安全门时车站人行通道风速

设置安全门后，车站站台与隧道相连通，隧道内列车运行产生的活塞风会进一步作用到车站内部区域，进出站人行通道和站内净流通面积小的门位置处会受到列车风的影响而产生高风速。

对于本线采用安全门系统时的隧道和车站公共区列车风作用，前期采用了一维数值模拟计算方法，建立了全线隧道和地下车站公共区的模型，分别对单车越行全线隧道、车站中部会车和咽喉区会车进行了分析，模拟计算结果如表7所示。

从结果来看，采用安全门时对于最不利的车站中部会车工况，进出站通道最大风速可达7.6 m/s，低于采用屏蔽门时屏蔽门门口位置的风速。目前并没有针对高铁地下车站站台与站厅连接处的人行通道安全风速标准，仅有地铁、国铁的隧道和站台公共区的气动荷载标准、风速标准或安全距离等[18-20]。通过参考距离列车一定距离外的人员安全风速和敞开区域中人员安全风速，基本可以认为在6 m/s以下对乘客而言是舒适的，行动不会受到影响；6～9 m/s时部分人员会感觉稍不舒适，出现摁衣裙等反应；9～11 m/s时部分人员行动可能受到影响，摔倒可能性小；11 m/s以上乘客受影响大，行走困难，有一定摔倒风险。采用安全门时计算得到的人行通道最大风速7.6 m/s在安全允许范围内，仅部分人员感觉稍不舒适。

4 空气动力学效应引起的问题及设计对策

八达岭长城站设置在12 km长的新八达岭隧道内，正线设计时速250 km，过站列车高速通过地下车站时的空气动力学效应将引起较大的活塞风速、峰值压力和瞬变压力，这将对站台的乘客和机械设备产生不利影响。为了降低空气动力学效应的不利影响，八达岭长城站采取了如下设计对策。

(1)采用了三层三纵的分离式群洞结构，过站列车和到发线列车分别设置在站台层3个分离的隧道中，利用中隔墙的隔离作用减小过站列车气动效应对到发线站台乘客的影响。

(2)利用车站旅客进出口、防灾救援进出口、隧道进出口等洞口泄压，降低车站列车的气动效应。

(3)车站两端的站隧过渡段设置大断面隧道，有效净空面积达到335 m2，大幅度降低过站列车在3洞分离口处的气动效应。

(4)站台门选用半高安全门，未采用全高屏蔽门，进一步减小活塞风速和气动压力，并消除了列车越行时屏蔽门开启时的高风速影响。

5 结论

采用数值模拟的方法对八达岭地下车站采用屏蔽门和安全门模式时车站气动效应进行研究，得到以下结论。

(1)不设置站台门时，站内气动效应最不利的工况为列车在车站中部会车，此时，两辆列车产生的首波波峰与波峰叠加，致使站内气动效应最为不利，站内压力最大峰值可达508 Pa。

(2)设置屏蔽门时，列车以中部会车的最不利方式运行，车站中间越行线位置的气动效应恶化；列车高速过站时，在屏蔽门上产生的气动压力最大达到937 Pa，屏蔽门门口位置的风速值最大达到了9.88 m/s，乘客明显感到不舒适，对人员安全存在一定影响。

(3)设置安全门时，到发线越行对站台风压作用小，最大压力低于300 Pa，站台风速在5 m/s以下，站内人行通道风速可达7.5 m/s左右，但仍在安全范围内。

由此可见，京张高铁八达岭地下车站采用分离群洞布置，采用安全门系统消除了人行位置的最不利风速，站台风压和站内风速均控制在安全范围内，是合理的气动布局方案。