高密度行車時隧道風壓對屏蔽門開關的影響

羅燕萍 李林林 饒美婉

（廣州地鐵設計研究院有限公司，510010，廣州∥第一作者，高級工程師）

從隧道通風的角度出發，在城市軌道交通地下站加設屏蔽門，可將區間隧道內的熱環境與車站站臺內的空調環境在物理上分隔開，將列車運行所產生的大量熱量和活塞風對站臺公共區環境的影響程度降至最低；其隧道通風系統設計亦相對獨立于車站通風空調系統。

通常隧道通風系統在設計中會提供隧道內的最大壓力，用以屏蔽門的強度設計。但根據廣州地鐵近年的運營經驗，隨著行車對數的不斷加密，僅提供用以強度設計的風壓已無法滿足實際的運營需要，當行車密度達到一定密度時，隧道的壓力變化將會影響屏蔽門的關門力。具體表現為：當車站后方區間有列車運行且靠近車站時，車站內的屏蔽門關門受阻，導致停站列車無法按計劃發車，進而影響正常運營。

本文針對屏蔽門制式下隧道風壓對屏蔽門關門力的影響，從活塞風井設置的情況，對正常運行工況下隧道內的壓力進行模擬計算分析；并結合列車位置分析了一種高密度行車時高峰運營工況下的隧道內壓力分布及其對屏蔽門開關力的影響，同時給出了建議解決方案。

1 隧道壓力模擬計算模型

本文采用SES軟件、選取不帶配線的典型區間進行模擬計算分析。模擬計算節點圖見圖1。

模擬計算邊界條件：列車速度為80km／h，雙活塞系統風井面積為16m2，單活塞系統風井面積為25m2，該區間站間距為1187m。本模型中，活塞風井距離車站有效站臺端頭按20m考慮，使風井節點的壓力更接近有效站臺端頭處屏蔽門的壓力狀態。

單、雙活塞系統圖如圖2及圖3所示。

2 各工況隧道壓力模擬計算結果分析

工況一：正常運行工況，區間運行列車的前方車站無列車停靠。在該工況下，對單、雙活塞系統的隧道壓力進行模擬計算，結果如圖4所示。可見，雙活塞系統隧道內壓力變化范圍為－216～94Pa，單活塞隧道內壓力變化范圍為－275～98Pa。單活塞隧道較雙活塞隧道負壓增加60Pa。

工況二：高密度行車時高峰運行工況，站內有車，且后方車站列車發車進入區間。當高峰時期加開小交路時，可能存在站內有車且后方車站列車發車進入區間的情況。對此工況下隧道的壓力進行模擬計算。為了形成前方車站停車、后方區間行車的情況，模擬計算中車站1停站時間設置為10s。車站2停站時間設置為100s。各主要時刻列車位置見圖5和圖6。其中，圖6中列車1距車站2的距離為190m。計算結果如圖7所示。由圖7可見，工況二下雙活塞隧道內的負壓最小至－405Pa，較工況一增加－189Pa；單活塞隧道內的負壓最小至－546 Pa，較工況一增加－271Pa；工況二的情況發生時對車站隧道內壓力變化影響較大，對單活塞系統的影響更大。

圖4 工況一下單、雙活塞系統隧道壓力計算結果

本文研究了單活塞系統在工況二時隧道內壓力較高情況下的應對方案。

圖5 時刻1列車位置

圖6 時刻2列車位置

圖7 站內有車后車從后站發車工況計算結果

3 應對方案

根據模擬結果，單活塞系統在工況二下隧道內壓力超過500Pa。為緩解此壓力對屏蔽門的沖擊，在現有隧道通風系統設置形式不變的情況下，提出三種解決方案：開啟進站端隧道通風系統左右線連通風閥；開啟出站端隧道通風系統左右線連通風閥；開啟進、出站端隧道通風系統左右線連通風閥。三種方案均是將左右線連通，只是連通的位置及數量不同。其示意圖及計算結果如圖8～10所示。

根據圖11，進站端左右線連通時的壓力與不連通相當，偏差只有3Pa；出站端左右線連通時與進出站端左右線同時連通的壓力相當，較不連通情況分別降低了155Pa與132Pa。其中進出站端左右線同時連通的情況與雙活塞系統相當，壓力均在－400Pa以內。

圖8 方案一（進站端連通）示意圖

圖11 三種方案的壓力計算結果

針對進站端左右線連通壓力變化緩解效果不明顯的情況，特別核查了計算過程中對側隧道的行車情況，發現對側站臺的列車正好從車站發出駛向下一車站。此過程中進站端風井相當于對側隧道出站端風井，由于出站的活塞作用較進站的強，對側隧道列車的運行影響了本側隧道的壓力，故對本側隧道的減壓作用不明顯。相比之下，列車出站運動對進站端活塞風井的影響較弱，出站端左右線連通的效果較明顯。

由計算結果可見，采用連通左右線隧道作為壓力緩解措施效果明顯，但受對側隧道列車運行情況的影響較大。雖然對側列車的位置與運動狀態存在一定的不確定性，但一般不可能在同一座車站同時有兩列車分別進、出站，因此，對于單活塞系統，建議采用同時連通車站兩端活塞風道的措施，以降低屏蔽門的背壓。

4 隧道內風壓對屏蔽門接口的影響

地下車站內的風壓是屏蔽門專業設計的主要參數，此外還包括門體強度和關門力的接口內容。

1）門體結構強度計算。在一定風壓作用下，屏蔽門門體的變形量不應大于10～15mm。此時，風壓值一般以考慮列車全速越站的最不利工況并附加一定的安全余量計算確定。在6節編組的情況下，對于80km／h的最高運行速度，屏蔽門門體的承壓要求大多在1500～1800Pa。

2）門體結構疲勞應力計算。正常運營工況下，風壓是屏蔽門門體結構疲勞應力計算的依據。此時，風壓數值一般考慮正常運營情況下的風壓值并附加一定的安全余量進行確定。在以往的設計中，并沒有對屏蔽門正常開／關過程中需承受的壓力提出明確要求，因此屏蔽門電機輸出力矩的設定僅考慮克服無風壓（或風壓很小）情況下門體運行產生的摩擦力加關門力。CJJ 183—2012《城市軌道交通站臺屏蔽門系統技術規范》中規定屏蔽門的關門力不大于150N。各廠家在實際設定中，單扇門的關門行程為1000mm，當滑動門在100～1000mm行程勻速運動時，關門力按照約100N設定；在100mm行程以內時，為保證關門的平穩性，關門力按照約60N設定。

當列車高密度運行時，如后方區間有列車運行靠近，個別屏蔽門（尤其是靠近列車尾部端頭處）承受的滑動摩擦力急劇增加，超出了原設定的關門力（特別是滑動門行程在100mm范圍內），導致屏蔽門無法正常關閉，列車不能按時發車而引起阻塞。

因此，在對屏蔽門整體結構提出最大承壓接口要求的同時，補充對屏蔽門在正常開關過程中的承壓接口要求。通過上述計算分析，在采取一定措施的情況下，可將屏蔽門的計算承壓值控制在400Pa以內。考慮到風壓隨著列車位置的不同而不同，對于計算結果還需考慮1.1～1.2倍的安全系數，因此風壓值可控制在450～490Pa之間。為此，建議對屏蔽門的承壓要求設為±500Pa，并關注以下2個問題：

（1）屏蔽門設計。當500Pa的風壓作用在屏蔽門滑動門上時，對現有的屏蔽門裝置而言，增加了下部導軌的摩擦力；若滑動摩擦系數按0.15考慮，則相當于增加了約160N的摩擦力。由于風壓并不是恒定值，故額外增加的0～160N是變化摩擦力。為保證屏蔽門關閉且鎖緊，同時不夾傷乘客，設計時可通過改變屏蔽門運行結構來降低摩擦系數，弱化風壓變化對摩擦力的影響；或者在現有運行結構不變的情況下，通過控制系統來判斷摩擦力的變化，進而控制電機的輸出力。

（2）隧道通風系統設計。雖然±500Pa為隧道通風系統在一定設計條件下的可控范圍，但當列車速度超過100km／h，或者活塞風井設置位置遠離車站有效站臺端頭時，隧道通風系統還應根據工程具體情況進行詳細計算，采取其它壓力緩解措施，或與屏蔽門專業協調承壓標準。

5 結語

綜上，活塞風井數量對隧道壓力影響較大，當行車密度加大時，可能會出現站內有車停靠，后方區間有車運行的情況。在此工況下，隧道內壓力變化較大，尤其是單活塞系統，最小瞬時壓力將超過－500 Pa，影響車站屏蔽門的正常關閉，進而影響全線的列車運營。此時可考慮同時連通進、出站端左右線隧道進行緩解。

對于車站隧道的壓力控制而言，隧道通風系統應盡量采用雙活塞系統并使風井盡量靠近有效端頭布置；同時，需向屏蔽門專業提供隧道內正常運行工況的壓力情況，明確屏蔽門正常開關門過程中的背壓要求，保證高密度行車時屏蔽門關門力的有效設置，提高正常運營的安全性。

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