京张高铁八达岭长城地下站站内气流实测与分析

李 坤,余 涛,闫树龙

(1.西南交通大学机械工程学院,成都 610031； 2.中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 概述

截至2020年年底，全国高铁运营里程达到3.79万km。某些地区由于地理和空间条件限制，高速铁路设计中出现越来越多的地下隧道和地下车站。列车在隧道中越行经过地下车站，特别是站台无屏蔽门时，所引起的活塞风将影响站台的气流组织及相连接进出站通道风速[1-3]，甚至影响车站内设备运行以及人员的安全性和舒适性[4-6]。

目前，很多学者对隧道内活塞风效应[7-9]、活塞风对车站内风环境和热环境的影响[10-12]以及压力波进行了实测和数值模拟研究[13-15]，大多集中在地铁隧道和地铁车站的活塞风研究[16-18]，对于高铁地下站气流流动的研究较少。高铁列车越行时，引起的活塞风更大，车站内局部空气流通面积较小位置风速过高，但对该风速缺乏相应研究。也有学者分析了热压作用对隧道温度场的影响[19-21]，但缺少对热压风和活塞风共同作用下车站内风速和温度的研究。

通过对冬季初期运营阶段的京张高铁八达岭长城地下车站内不同位置的风速和车站内外各处温度进行实测，对车站内活塞风速度变化过程进行分析，为高铁地下车站和类似工程站内风速控制提供优化建议。

2 八达岭长城站气流流动形成过程

2.1 八达岭长城站概况

八达岭长城站位于京张高铁八达岭隧道内，车站距北京方向隧道出口8 km，距张家口方向隧道出口4 km，车站总长470 m，总宽80 m，轨面埋深102 m，是目前国内埋深最深的高铁地下站。站台层岩墙中间两条线为正线，两侧分别为左、右到发线。车站每侧站台设2个进站口、2个出站口到达进、出站通道层。受限于实际规划，车站未设置专门用于列车活塞风泄压的风井。车站站台设置1.5 m高安全门，区间隧道、轨行区、站台、进出站通道、地面进出站口形成自然的气流流动通路，八达岭长城站车站及隧道简化示意如图1所示。

图1 京张高铁八达岭隧道及长城站简化示意

2.2 八达岭长城站气流流动形成机理

八达岭长城站埋深较深，且冬季站内外温差大，由热压作用引起的气流流动贯穿整个车站，影响车站内速度和温度分布。无列车经过时，热压通风是站内空气流动的主要影响因素；有列车经过时，列车引起的活塞风和热压风共同影响车站内速度分布。

2.2.1 活塞风的形成

列车运动引起的活塞风分为以下3个阶段。

(1)列车从隧道外驶入隧道，在进入车站前，列车前方空气受挤压使压力升高，部分空气通过咽喉区进入站台，再通过站台层的进出站口流入进出站通道，最后到达地面层进出站口流出车站，另一部分由列车与隧道的环状空间流向车尾。列车尾部呈负压状态，使室外空气流入隧道。

(2)列车车头经过咽喉区的瞬间，风压作用最强，车站内活塞风风速出现最大值。列车在经过咽喉区和车站中部隧道时，引起的活塞风持续对车站产生影响。

(3)列车驶离车站，列车前方空气由于正压作用，将部分空气压出隧道外，另一部分通过环状空间流入车尾；而列车后方空气由于负压作用，部分空气从室外通过地面站房出入口流入车站，并最终流入隧道，完成一次单车越行地下车站的全过程。

2.2.2 热压通风的形成

八达岭长城站属于深埋地下站，车站大部分结构均在地下。车站和隧道壁面温度受土壤热库影响大，且车站冬季有地板供暖系统作用，隧道和车站壁面温度均高于室外空气温度。站内空气密度低，受浮升力作用空气往上流动，由此形成站内热压通风。室外空气由隧道洞口进入，流经隧道和车站不断升温，空气温度随所在高度而升高。车站埋深较深，高差达到102 m，产生的热压风作用更显著。进出站厅直接与室外空气相连，空气从候车厅和出站厅流向室外，站内气流流动示意如图2所示。

图2 八达岭长城站热压通风简化示意

3 测试方案

3.1 测试内容

本测试在冬季一月京张高铁正式运营初期进行。在不同开口面积下，测试高铁列车进站和出站过程中进出站通道、地面进出站口的活塞风风速，以及无列车通过时由热压引起的通道风速和车站的温度分布，用以研究活塞风的气流流动特性。

3.2 测试仪器

进出站通道风速测试主要采用testo 405i无线热线式风速仪，每2 s记录一个数据。不同风速下风速仪精度有所差异，风速测量值在0～2 m/s时，精度为±(0.1+5%测量值) m/s；风速测量值在2～15 m/s时，精度为±(0.3+5%测量值) m/s；风速仪分辨率为0.01 m/s。使用前将每台风速仪放入小型风洞实验台进行校正，以保证其测量精度。

对于地面站房进出站口的风速，采用testo 425手持式风速仪进行测试，仪器精度为±(0.03 m/s+5%测量值)；分辨率为0.01 m/s。

对于隧道及车站壁温测量，采用红外测温仪，显示精度为测量值的2%。对于车站和室外的空气温度，采用天建华仪温湿度自记仪，分辨率0.1 ℃，每10 min记录一组数据。

3.3 测点布置

通过测试进出站人行通道处风速评估进入车站的热压风和活塞风大小。进站通道和出站通道测试位置和测点分布相同，测点断面位于通道中部，断面共6个测点。测点分布如图3、图4所示。

图3 进站通道测点布置(单位：mm)

图4 出站通道测点布置(单位：mm)

4 现场实测结果及分析

4.1 进出站通道风速

测试阶段列车为8辆编组运行，区间隧道内设计限速250 km/h。测试在试运营期进行，站内部分设施未调试完，气流通路上开口面积不同。测试条件见表1，条件1开启站台及地面进出站所有门；条件2开启出站口一扇门，关闭进站过厅的门。图5和图6显示了不同时刻的8组工况下列车经过车站引起的站内通道断面最大风速。

表1 不同测试条件下的开口面积 m2

图5 条件1进出站通道速度最大值

图6 条件2进出站通道速度最大值

相同开口面积下，由于列车越行时的车速不完全相同，不同工况的进出站通道风速峰值存在差异。

条件1进站通道由于热压通风引起的向外风速为0.81 m/s，列车越行时活塞风和热压共同作用引起的通道平均风速在1.90～2.68 m/s，最大可达到2.68 m/s。出站通道由于热压通风引起的向外风速为0.90～1.20 m/s，列车越行引起的通道平均风速在2.50～3.30 m/s，最大可达3.30 m/s。

条件2进站通道由于热压通风引起的向外风速为0.50～0.70 m/s，列车越行时活塞风和热压共同作用引起的通道平均风速1.77 m/s。出站通道由于热压通风引起的向外风速为0.75～0.90 m/s，列车越行引起的通道内平均风速为1.83 m/s。

通过对进出站通道的风速对比可以看出，条件1开口面积大，进站通道相比出站通道风速略小，主要在于进站通道断面面积较小，虽然地面层进站厅的开口面积较大，但进站通道的流动路径中，气流流向为站台—通道—候车厅—进站大厅，该路径整体阻力较大。而出站通道的流动路径中，气流直接到达地面站房出站厅，气流阻力大大减小，因此，出站通道风速较大，更多的活塞风从出站厅进出。在条件2下，同时减小了地面站房进出站厅的开口面积，进站通道路径由于阻力较大，风速低于出站通道风速。

通过对比条件1和条件2，条件1进站通道和出站通道的风速最大值整体大于条件2的风速值。通过观察发现条件1热压风风速略大于条件2，原因在于条件2同时减小了地面进、出站厅的开口面积，各段的阻力均增大，导致叠加后的活塞风流经车站部分减少，进出站通道最大风速值减小。

4.2 最大风速分析

对不同条件下各个工况通道内风速变化情况进行分析，相同条件下各工况进出站通道风速变化规律基本一致。本节以条件1工况1数据和条件2工况8数据为例，分析不同条件下进出站通道活塞风变化的原因。列车由张家口方向开往北京方向，列车从靠近车站到驶出隧道，整个过程大约持续4 min，通道风速变化如图7所示。图中纵坐标正值表示空气由车站流向室外，负值表示空气由室外流向车站。

图7 通道风速变化曲线

由图7可知，进站通道和出站通道的速度变化规律基本一致。在图7(a)中，通道速度峰值出现2次，分别为图中点1和点2，出站通道速度峰值点1为2.62 m/s，点2速度略小于第一次速度，其值为2.59 m/s，两次时间间隔约18 s，并且只有列车越行时会出现类似情况。在图7(b)中，出站通道第一次速度为1.98 m/s，点2速度为1.65 m/s，略小于点1速度大小，两次时间间隔约18 s，两次峰值分别出现在列车到达站在一端的咽喉区和列车在另一端咽喉区附近。而后列车驶离车站区域，进出站通道出现反向风速。列车离开车站180 s后驶出隧道，出现第3次风速较大值，该峰值是由于列车驶出隧道前，活塞风影响较大，而列车驶出后活塞风消失，热压风占主导地位，且部分室外空气从车辆离开的隧道洞口进入隧道及车站，进出站通道形成第3次风速极大值。

前期课题组对八达岭长城站站内活塞风进行了一维数值模拟分析[1]，进出站厅开口面积情况与条件1接近。由模拟结果可知，列车到达咽喉区时，进出站通道最大风速分别为3.0 m/s和2.8 m/s。而实测数据中，进出站通道最大风速为2.53 m/s和2.62 m/s，两值均略小于模拟值。原因在于实际运行时，进站口和出站口门仅部分打开，导致各个通路阻力变大，因此，站内实际风速较小。

列车速度越大，列车前方压力越高，所引起的车站内活塞风风速也越大。列车到达咽喉区时，车站内风速出现最大值。为减小车站内的风速，可在列车到达咽喉区和车站隧道时适当减速，可有效减小塞风峰值对车站的影响。

4.3 地面站房进出站口风速

因试运营初期正值冬季，客流较小，为保证室内供暖效果，运营按需开启最少数量的门，与设计情况并不完全一致。因此，按运营实际开门条件对地面站房进出站口在不同工况下的风速进行测试。条件1有列车经过时进出站口流向站外和流向站内的最大风速结果如图8所示，前8组为进站口风速，后8组为出站口风速。条件2有列车经过时出站口流向站外和流向站内的最大风速结果如图9所示。图8、图9中的各个工况与图5和图6的各个工况对应。

图8 条件1进出站口风速最大值

图9 条件2出站口风速最大值

由图8和图9可以看出，当有列车经过车站时，站房进出站门处会有较大的风速变化，并经过一段时间后会出现反向流动。由于热压的作用地面层进出站口持续存在向外的风速，导致向内的风速略小于向外流出的风速。条件1进出站口的最大平均风速分别为6.22 m/s和6.20 m/s。条件2下，当出站口仅开启一扇门，导致瞬时风速过大，最大可达到14.0 m/s。前期研究发现，风速11 m/s以上时乘客受影响大，行走困难，有摔倒风险[1]。如正值旅客通行，活塞风可能对乘客安全造成影响。通过不同工况的结果可以看出，尽量多地开启出站站房门，增大气流流通面积，可有效减小出站口的最大风速。

4.4 温度

通过对站台层、通道层、站厅层各处壁面温度和空气温度的测试，研究冬季由热压通风导致的车站内温度分布。

测试发现，由于土壤的蓄热、列车的运行以及设备的产热，站内温度较室外高，站台层壁面温度取四周壁面的平均值为7.4 ℃，而冬季1月3日室外日平均温度为-1.0 ℃。热空气由于密度小将不断上升，最终呈现出通道和出站厅温度较高，隧道和站台温度较低的温度场分布。由于候车厅和进站厅采用地板辐射供暖，该区域空气温度较高，室外温度较低，与室外温差大，产生较强热压作用，空气由室内流向室外，车站温度分布如图10所示。

图10 车站内壁面温度分布

车站内的温度分布将对候车厅和进站厅的空调系统造成影响。当列车越行时，进站过厅和候车厅之间的玻璃门由于活塞风作用被吹开，部分冷空气从进站过厅进入候车厅和进站厅。当乘客进站时，玻璃门依旧呈开启状态，部分冷空气进入候车厅，导致候车厅和进站厅处的空调负荷变大、气流组织受影响。为减少这种影响，可临时开启进站过厅与室外直接相连通的门窗，直接将热压风和活塞风排出室外。

5 结论

通过在冬季运营初期对京张高铁八达岭深埋地下车站进行现场实测，研究深埋地下高铁站的特点及对热压风的影响，同时研究了列车越行时活塞风对车站的影响，分析站内气流大小和变化规律，以及站内温度分布规律，得出以下结论。

(1)八达岭长城地下车站埋深较深，冬季隧道和车站壁面温度高，站内外空气密度差异明显，站内气流往上流动，形成较强的热压风作用。当有列车越行经过车站时，车站内的气流受热压风与活塞风的叠加作用。

(2)当列车越行地下车站时，由于两侧咽喉区的渐变结构和热压风的持续作用，进出站通道风速出现两次峰值，第2次风速极大值略小于第1次风速最大值。出站厅开口面积小时，地面出站口最大风速可达14.0 m/s，对乘客安全性造成影响。通过增开出站站房的门窗，增大流动面积，使热压风和活塞风直接流向室外，可有效减小出站口风口。

(3)冬季站台层壁面平均温度为7.3 ℃，车站内温度随着高度的提升而增加，室外空气从隧道流经站台，到达进出站通道，最后从地面站房进出站口流出。进站厅及候车厅采用供暖系统温度较高，站内外温差大，加剧站内热压风的流动。

通过对高铁地下车站站内气流产生的机理分析，可为深埋地下车站活塞风控制和环控系统优化设计提供参考依据。由于实测均在初期试运营期间，车次少，无会车工况出现。后期正式运营后，随着车次增加，将出现隧道内会车情况，在隧道内不同位置会车时产生的活塞风对车站影响将更大，热压风与活塞风叠加后，将对人员的通行安全造成影响，后续可继续跟踪研究。