市域铁路列车高速越行时入口段隧道和车站屏蔽门压力变化研究

朱淮东

（中铁上海设计院集团有限公司 上海 200070）

0 引言

随着新型城镇化的快速发展，有快速方便、容量大优势的市域铁路成为一种新型客运轨道交通方式。城市圈不断高速发展，地面用地紧张，越来越多的市域铁路往地下发展，形成市域铁路隧道和地下车站。当列车在隧道内运行速度超过100km/h时，高速运行的列车与空气间相互作用产生的气动效应会影响列车和隧道内设备安全[1,2]。在现有市域铁路设计中，部分地下车站存在列车高速越行，此时列车运行产生的瞬态压力波动还会对站台屏蔽门产生一定影响。

国内外很多学者对隧道压力波和站台屏蔽门压力进行了研究。有学者[3-5]采用数值模拟和模型试验方法研究列车进入隧道时引起的压力波动。王学英等[6]通过动模型实验，研究高速列车通过隧道时压力变化与列车速度和阻塞比的关系。赵晶[7]研究了高速列车单车通过隧道时阻塞比、隧道横截面形状、缓冲结构和横通道对列车气动特性的影响。马福东等[8]采用数值计算软件对某地下车站屏蔽门和安全门两种模式下站台的最大风速、最大瞬变压力、压缩波峰值等进行了计算分析。结果表明，列车高速过站时在屏蔽门上产生的气动压力最大达到937Pa，屏蔽门的存在会恶化车站越行线位置的气动效应。

本文采用三维CFD 数值计算方法，以市域铁路嘉闵线的入口段隧道和迎宾三路站为例，考虑迎宾三路站无列车停靠和有列车停靠，研究列车从隧道U 型槽敞口段以160 km/h 速度突入隧道并越行车站时区间隧道和车站屏蔽门的压力变化规律，可为市域铁路入口段隧道内设备和越行车站屏蔽门的承压提供设计依据。

1 数值计算方法

1.1 数值计算模型建立

嘉闵线采用8 节编组的市域动车组，列车总长度200m。本研究重点关注隧道内压力变化，参考文献[9,10]，忽略列车转向架、受电弓和设备舱对气流流动的影响，对列车外形进行简化，建立的列车数值计算模型如图1 所示。

图1 列车数值模型Fig.1 Numerical model of the Train

市域铁路嘉闵线在通过市区时列车进入隧道运行，列车高速突入入口段隧道，在隧道内产生压力波动，并往前传播。当列车越行通过入口段附近的迎宾三路站，还会引起车站屏蔽门压力变化。当有列车在迎宾三路停靠时，车站轨行区断面净空面积减小，加剧屏蔽门上压力波动。因此，本研究考虑有列车和无列车停靠迎宾三路站两种工况。

基于嘉闵线入口段隧道和迎宾三路站结构尺寸建立模型，整个计算模型长度为2289m，如图2所示。入口附近U 型槽敞口段长320m，入口至迎宾三路站区间隧道长1138m，车站长531m。列车通常是经过一定坡度的U 型槽进入隧道，本研究简化将U 型槽隧道水平处理。

图2 模型计算范围Fig.2 Computational range of the model

建立的车站和隧道数值计算模型如图3 所示。其中，区间隧道直径为7.8m，对应的净空面积为43m2，阻塞比为0.26，车站轨行区净空面积为76m2，车站屏蔽门距越行线中心线的距离为6.75m，竖井面积为25m2。为了使流场充分发展，避免气流绕流影响，需要扩大U 型槽外部的空气计算域[11]，尺寸为320m×40m×65m。

图3 车站及隧道数值计算模型Fig.3 Numerical model of station and tunnel

1.2 网格划分和参数设置

本研究采用STAR-CCM+软件建模并计算，列车运行的模拟采用重叠动网格技术，采用六面体网格对上述计算域进行网格划分。车身表面网格大小为0.125m，表面设置4 层棱柱层网格，棱柱层内以拉升比1.2 逐层增长，并对列车周围网格加密，车身附近区域、轨行区及列车穿行的隧道区域的网格大小为0.25m，其余区域网格大小为0.5m，总网格数为792 万，列车表面和车身周围网格划分如图4 所示。对列车通过隧道时车外复杂的流动区域进行分区，包含整个隧道流动空间的背景区域以及运动列车周围的重叠区域。重叠区域跟随列车进行运动，流场信息提供插值在重叠区边界进行匹配和耦合。

图4 列车表面及周围网格Fig.4 Mesh of train surface and surrounding zone

对计算边界条件的处理，隧道入口附近的计算域以及竖井出口均为压力出口边界，隧道出口为压力远场边界，列车表面和隧道壁面为无滑移边界。

隧道内列车运行产生的空气流动属于典型的三维、粘性、可压缩、非定常的湍流流动。本研究采用RANS 方法和k-ε湍流模型对隧道内的空气流动进行求解。

1.3 压力测点布置

为监测列车在隧道中运行、车站越行、遇隧道突扩或突缩面时造成的压力波动，在各隧道段分别取一些测点、同时在每个突扩突缩面的前后各5m处取2 个测点。区间隧道段部分测点布置如图5 所示。

图5 隧道压力测点示意图Fig.5 Schematic diagram of pressure measuring points in the tunnel

为了分析屏蔽门上压力波动，根据车站实际设计，在22 扇屏蔽门上监测每扇门上的最大压力值，屏蔽门具体位置如图6 所示。

图6 站台屏蔽门分布图Fig.6 Distribution of platform screen door

2 无车停靠时列车越行过站的压力变化

本文首先模拟列车以160km/h 速度匀速从入口段U 型槽外进入隧道，并越行通过无车停靠的迎宾三路站的过程中隧道内压力变化。

2.1 车站前、后区间隧道的压力变化

无列车停靠时，迎宾三路站前的入口区间隧道不同位置处的压力变化如图7 所示。

图7 无车停靠时入口区间隧道内的压力变化Fig.7 Pressure change in the entrance section tunnel without train stop

由图7 可见，在2s 开始列车通过入口处的U型槽进入峒口，产生初始压缩波。初始压缩波依次到达隧道内各处测点，且由于摩擦效应，峰值越来越小，215m 测点处正压最大，最大压力值为1215Pa。由于入口附近隧道断面是渐变的，断面积较大，产生的初始压缩波幅值并不高，且在传播过程中由于隧道断面突变处的影响，初始压缩波有波动。

当车尾经过442m 测点时，测点压力迅速下降，与膨胀波叠加后造成该测点处的最大负压-1390Pa。当车尾离开测点后，压力迅速回升。其他测点的变化类似。当车尾经过站前区间隧道后，各测点压力变化慢慢减小，但仍然受到隧道内压缩波和膨胀波的作用而有所波动。

迎宾三路站后区间隧道不同位置处的压力变化如图8 所示。由于车站左右两个活塞风井的泄压作用，初始压缩波通过风井到达右侧区间内测点后，峰值显著下降，最大值仅360Pa。图中可以发现40s 后又出现了一次压缩波峰值，该压缩波是由列车通过车站右端活塞风井时断面突变而产生的，峰值最大达到1450Pa。由此可见，并不是隧道入口处初始压缩波传播至各测点形成最大压力变化，列车通过风井时产生的压缩波也可在测点处引起较大的压力波动。

图8 无车停靠时车站后区间隧道的压力变化Fig.8 Pressure change of section tunnel after the station without train stop

2.2 车站屏蔽门的压力变化

无列车停靠时，车站屏蔽门的最大压力变化如图9 所示。图中door1-1 是指车站进站端所对应的第一扇屏蔽门。

图9 无车停靠时不同屏蔽门的最大压力变化Fig.9 Maximum pressure change of different screen doors without train stop

由图9 可见，由于左端活塞风井的泄压，初始压缩波传到车站屏蔽门后的幅值并不大，最大正压仅415Pa。而且该压缩波传播至屏蔽门时，与右端风井反射回来的膨胀波有叠加，峰值出现的时间较短。由于各扇屏蔽门间距并不大，两端的端门最大间距在200m 内，各个点在30s 前的压力变化基本是一致的。30s 开始，列车通过车站左端风井并在风井面积突变处产生新的压缩波。该压缩波依次经过屏蔽门上测点，而车同时也会经过测点，造成正压的压缩波和列车通过时的车身负压的叠加，使各扇屏蔽门上压力变化不同。屏蔽门左端的测点距离风井较近，叠加作用使得屏蔽门上最大正压并不高，而右端的屏蔽门距离远，叠加作用弱。压缩波传播到出站端屏蔽门上最大值可达440Pa。车尾通过测点时产生负压，最大值为-470Pa。

3 有车停靠时列车越行过站的压力变化

当有车停靠在车站时，车站轨行区隧道断面积减小，且有断面突变，造成的压力波动更大。进一步分析列车进入隧道并越行通过有车停靠的迎宾三路站的过程中隧道内压力变化。

3.1 车站前、后区间隧道的压力变化

有列车停靠时，迎宾三路站前入口区间隧道不同位置处压力变化如图10 所示。同样在2s 开始列车通过入口处U 型槽进入峒口产生初始压缩波。初始压缩波依次到达隧道内各处测点，215m 测点处正压最大，为1215Pa，与无车停靠工况一致。即有无列车停靠对站前入口区间隧道内压力变化规律与幅值几乎没有影响。当车尾经过442m 测点时，测点压力瞬间迅速下降，该测点442m 处的最大负压为-1350Pa，比无车停靠工况稍小，说明有车时该点反射回来的膨胀波要小一些。

图10 有车停靠时入口区间隧道内的压力变化Fig.10 Pressure change in the entrance section tunnel with train stop

由图11 可见，初始压缩波通过风井到达车站右侧区间内的测点后，峰值最大值仅为335Pa，比无车停靠工况稍小，主要是由于有列车停靠时，对波的传播有一定阻碍作用。40s 的压缩波峰值最大达到1450Pa，与无车停靠工况一致，说明列车经过右端活塞风井产生的压缩波在车站后区间隧道的传播与是否有列车停靠无关。

图11 有车停靠时车站后区间隧道的压力变化Fig.11 Pressure change of section tunnel behind the station with train stop

3.2 车站屏蔽门的压力变化

图12、图13 可见，由于活塞风井的泄压，初始压缩波传到车站屏蔽门后最大正压仅为440Pa，比无车停靠时要大25Pa。说明有车停靠时屏蔽门承压会增加，但增加值不到10%。各个点在30s 前的压力变化基本一致。30s 开始，列车通过左端活塞风井产生的压缩波依次经过屏蔽门上测点。压缩波传播到屏蔽门上最大值可达486Pa，比无车停靠时大46Pa，约增加10%。车尾通过测点时产生负压，最大值为-509Pa，比无车停靠工况大39Pa，增加不到10%。

图12 有车停靠时不同屏蔽门上的最大压力变化Fig.12 Maximum pressure change of different screen doors with train stop

图13 有无列车停靠时屏蔽门压力变化对比图Fig.13 Comparison of screen doors pressure changes with and without train stop

4 结论

本文研究了市域铁路地下车站有无列车停靠工况下，高速列车突入隧道并越行过站时区间隧道和屏蔽门的压力变化，得到以下结论：

（1）列车突入产生的初始压缩波传播到入口区间隧道时，最大正压可达1215Pa；列车通过右端风井产生的压缩波传播到车站后的区间隧道时，引起的最大正压可达1490Pa；列车经过屏蔽门时，屏蔽门上最大正负压为486Pa-509Pa。

（2）有无列车停靠对车站前的区间隧道内压力波幅值几乎没有影响，同时列车经过右端活塞风井产生的压缩波在车站后区间隧道的传播也不受列车停靠影响。

（3）由于有车停靠时车站隧道净空面积减小，增加了阻力，使屏蔽门压力略有增加，压缩波传播到屏蔽门上最大值可达486Pa，比无车停靠时大46Pa，车尾通过测点时产生负压，最大值为-509Pa，比无车停靠工况大39Pa，但压力波幅值增加在10%以内。