大型地下客站列车高速越站屏蔽门承压分析

鲁华伟

中铁第四勘察设计院集团有限公司

0 引言

在广深港客运专线福田大型地下客站设计中，为了缩短列车运行时间，部分地铁列车不减速，高速越站，通过站台。列车高速越站必然会造成一系列空气动力学的问题[1]。在地下车站中，由于地铁隧道、站台的封闭性，高速列车空气动力学问题更突出，对车站环境影响更大。

屏蔽门压力大小是影响屏蔽门的疲劳效应和屏蔽门强度的关键因素。相对于地上列车，地下车站屏蔽门压力影响因素较多，且对列车高速越站时屏蔽门承压研究尚未见到。本文结合福田大型地下站，主要研究高速越站的地铁列车对于站台环境的影响及屏蔽门承压特性，得到满足屏蔽门压力限值的屏蔽门设置位置。

1 计算条件

1.1 计算工况

福田站在设计阶段中有两种建筑方案，简称不对称方案和对称方案，两种建筑方案如图1 所示。

图1 福田站建筑方案示意图

分别建立两种建筑方案模型，车型选用CRH1 动车组，数值计算研究不同工况下屏蔽门承压特性，计算工况如下。

1）列车越站速度：不对称方案200 km/h；对称方案160 km/h；140 km/h；120 km/h。

2）列车越站情况：单车，单列列车越站，越站列车的相邻轨道无其他车辆同时通过站台或停靠站台；双车，单列列车越站，越站列车的相邻轨道有另一车辆同时停靠站台。

3）屏蔽门：不对称方案中屏蔽门与站台间距2000 mm；对称方案中屏蔽门与站台间距100 mm、300 mm、无屏蔽门。

4）通风井设置：无通风井；有通风井，面积40 m2。

以对称建筑方案为例对表1 中单车、双车及通风井设置情况进行介绍，如图2 所示。

表1 数值计算工况

图2 对称方案中单、双车及通风井设置示意图

1.2 计算方法

考虑到数值计算中列车越站速度均小于0.2 Mach。列车在封闭环境中运行，隧道断面无突变，压力波动小。隧道较长，Mach 波的传播反射时间长，压力波叠加效应较小，因此数值计算中空气采用不可压缩模型[2-3]。列车运行时流态复杂且雷诺数高，周围流场处于湍流状态。因此本文采用数值模拟的方法对地下车站列车越站引起的空气流动可用三维、不可压缩、瞬态紊流流动进行数值计算，采用动网格技术模拟列车与隧道间的相对运动[4]。

目前，对于列车空气动力学中的工程湍流问题，应用最广泛的是两方程湍流模型，因此本次研究采用其中的RNG 湍流模型对列车越站引起的空气动力问题进行模拟。

1.3 测点布置

以非对称建筑方案为例对监测点布置情况进行介绍，如图3、4 所示。

图3 监测点示意图

图4 监测线示意图

屏蔽门点压力监测点设置在列车两侧的屏蔽门前端和中部位置，代表屏蔽门关键部位受到的压力波动情况。屏蔽门线压力监测设置在列车两侧的靠近屏蔽门位置，记录监测线上压力的峰值的变化，即最大正负压力，代表屏蔽门线压力的区域压力波动情况。表2 为各测点位置。

表2 测点位置

2 模型试验及数值计算合理性验证

建立福田站对称建筑方案1:80 的简化模型，试验研究列车高速越站时车站压力特性并将试验数据与数值计算结果对比验证数值计算方法的合理性。当车站设置有屏蔽门系统时考虑到屏蔽门承压是屏蔽门设计主要参考依据，因此采屏蔽门处最大压差（最大正压力-最大负压力）对数值计算合理性进行验证。

模型试验台如图5、6 所示，模型中屏蔽门及竖井可拆装，试验研究列车模型以不同速度穿过车站时站内压力变化情况。

图5 福田站1:80 简化模型

图6 试验模型示意图

2.1 无屏蔽门及竖井

无屏蔽门及竖井时数值计算得到列车速度160 km/h 工况与模型试验速度为94 km/h、138 km/h、225 km/h、240 km/h 时结果对比如图7 所示，图中“实测”代表模型实验检测结果，“计算”则代表数值计算的结果。

图7 无屏蔽门及竖井最大正负压差

从图7 可以看出，无屏蔽门及竖井时在模型试验速度范围内，车站最大正负压差与列车越站速度之间近似呈线性关系，且越站速度越大最大正负压差越高。试验速度94 km/h 时最大正负压差0.35 kPa，240 km/h时最大正负压差2.45 kPa 左右。

采用线性插值的方法得到模型试验在160 km/h时最大正负压差。模型实验得到160 km/h 工况下最大正负压差为1.21 kPa，数值计算得到最大正负压差1.28 kPa，二者相差5%。

2.2 设置屏蔽门，无竖井

设置屏蔽门，无竖井时数值计算得到列车速度120 km/h 和160 km/h 工况与模型试验速度为94 km/h、138 km/h、225 km/h、240 km/h 时结果对比如图8 所示，图中“实测”代表模型实验检测结果，“计算”代表数值计算结果。

图8 设置屏蔽门，无竖井最大正负压差比较

从图8 可以看出，设置屏蔽门，无竖井时在模型试验速度范围内，车站最大正负压差随列车越站速度增加而逐渐升高。试验速度94 km/h 时最大正负压差0.4 kPa，240 km/h 时最大正负压差3.8 kPa 左右。

采用线性插值的方法得到模型试验在120 km/h和160 km/h 时最大正负压差。模型实验得到120 km/h工况下最大正负压差为0.91 kPa，数值计算得到最大正负压差1.02 kPa，二者相差10.8%。模型实验得到160 km/h 工况下最大正负压差为1.68 kPa，数值计算得到最大正负压差1.64 kPa，二者相差2.4%。

从以上分析可以看出数值计算结果与模型试验结果两者相差最大为10.8%，表明本文所采用数值计算方法满足工程计算精度要求。

3 数值计算结果与分析

数值模拟得到计算结果如表3 所示。

表3 数值计算结果

对工况1～10 进行分析可知，列车越站速度越大屏蔽门压力越高，屏蔽门与站台间距100 mm，无通风井且单车工况下，越站速度120 km/h 时屏蔽门压力锋对峰值1300 Pa，越站速度160 km/h 时屏蔽门压力锋对峰值增加80%，达到2334 Pa。设置通风井可减小屏蔽门承压值，越站速度160 km/h，屏蔽门与站台间距100 mm，单车工况下设置通风井可将屏蔽门承压峰对峰值减小11%；屏蔽门与站台间距100 mm、300 mm、500 mm、1000 mm 时屏蔽门承压峰对峰值分别为2334 Pa、1959 Pa、1700 Pa、1300 Pa。

目前对屏蔽门耐压限值研究主要有深圳地铁列车运行速度75 km/h 条件下，屏蔽门承受最大压力为±900 Pa。西屋（Westing house）公司研究得到：1）列车速度为115 km/h 时屏蔽门最大正压为2540 Pa，最大负压2280 Pa。2）列车速度为80 km/h 时屏蔽门最大正压为950 Pa，最大负压680 Pa。本文对屏蔽门承压相关研究中列车越站速度较大，屏蔽门承压标准采用“京沪高速铁路的压力波动临界控制标准”，屏蔽门承压限值取为3 kPa/3s。对工况11 和12 进行分析可以看出，采用非对称建筑方案设置通风井且越站速度200 km/h，屏蔽门与站台间距1000 mm 超出屏蔽门承压限值，屏蔽门与站台间距应在2000 mm 以上。

4 结论

本文使用模型试验和数值计算相结合的方法，通过对福田站设计阶段两种建筑方案列车高速越站屏蔽门承压特性进行分析得到主要结论如下：

1）无屏蔽门无竖井情况下试验速度94 km/h 时最大正负压差0.35 kPa，240 km/h 时最大正负压差2.45 kPa 左右。

2）设置屏蔽门无竖井情况下试验速度94 km/h 时最大正负压差0.4 kPa，240 km/h 时最大正负压差3.8 kPa 左右。

3）采用非对称建筑方案设置通风井且越站速度200 km/h 时，屏蔽门与站台间距应在2000mm 以上。