高密度行車時地鐵車站屏蔽門承壓測試實驗研究

劉暢王麗慧杜志萍黃建林鄭懿宋潔

1上海理工大學環(huán)境與建筑學院

2上海申通地鐵股份有限公司

3上海申通軌道交通研究咨詢有限公司

0 引言

屏蔽門系統(tǒng)在既有地鐵車站環(huán)控系統(tǒng)中廣泛應用，其承壓狀況受列車運營產生的區(qū)間活塞風動態(tài)作用，屏蔽門承壓會受列車數量與狀態(tài)，車型，車速，區(qū)間隧道長度與結構，車站站臺形式（島式或側式等），車站軌行區(qū)上下排熱開啟與否，和車站兩端活塞風井開啟狀態(tài)等多方面因素的綜合影響[1-2]，情況較為復雜。隨著地鐵運營能力的增加，在早晚高峰時段行車密度較高的時段，在停站列車尚未離站、后續(xù)列車已啟動運行的工況下，存在靠近車站端部的屏蔽門關閉不暢現象。基于此問題，本文進行了專開列車的測試實驗研究。

國內首次采用風洞動態(tài)測壓技術進行地鐵屏蔽門風壓測試[3]，采用數值模擬的方法分析了高速地鐵隧道內不同位置處風壓的變化規(guī)律[4]，計算分析了地鐵站不同的風井數量、風井位置對活塞風井通風性能的影響[5]。Kim[6-8]等人通過理論模型和縮尺模型實驗研究并驗證了活塞風隨時間的變化關系。而羅燕萍[9]采用SES軟件模擬分析了高密度運行時，單活塞和雙活塞隧道內的風壓對屏蔽門的影響。

以上文獻均未進行針對性實測研究，本文研究在夜間12點到凌晨3點之間，專開兩輛列車，其一停靠在站臺，另一從后續(xù)站臺駛出，測試實驗獲得了上海地鐵8，9和11號線若干車站典型位置屏蔽門的動態(tài)承壓變化，測試的車站包括島式和側式兩種站臺形式，以及不同區(qū)間長度和工法等，這些寶貴的測試實驗數據反映了屏蔽門工作的實際動態(tài)壓力環(huán)境，為地鐵環(huán)控屏蔽門的設計運營提供了重要參考。

1 測試實驗的原理與方法

測試實驗的目的是分析早晚高峰高行車密度時段中，停站列車未離站、后續(xù)列車離站并駛入區(qū)間隧道過程中，車站典型位置屏蔽門的動態(tài)承壓受力情況，為解決屏蔽門關閉不暢問題取得實測數據。因此，屏蔽門的受力分析是測試實驗方案確定的基礎。

1.1 屏蔽門受力分析

后續(xù)列車啟動，會在區(qū)間隧道內產生風速隨車速動態(tài)變化的活塞風，此時站臺屏蔽門在其關閉過程中共受到四個力的作用，見圖1（a）、（b）、（c）所示，分別為：①驅動屏蔽門關閉的驅動力N動。②屏蔽門與導軌相對運動在其接觸底面上產生的摩擦力f1。③隧道活塞風在屏蔽門上的靜壓力Fn（N），（為屏蔽門靜壓Ni（Pa）與作用面積S的乘積），其將在導軌槽面與門的側面接觸面上產生摩擦力f2。④當屏蔽門處于敞開狀態(tài)時，隧道內外產生靜壓差，空氣從縫隙處流出，由于無法測其隧道內的靜壓，改為測其垂直于屏蔽門邊緣的風速Vi，與作用在屏蔽門邊緣的靜壓為Mi（Pa）（Mi=ρv2/2），靜壓力為 Fm(N)，其方向與 f1相同。

后續(xù)列車啟動運行過程中，列車停靠站臺的屏蔽門同時受到Ni導致的Fn和Mi導致的Fm作用，這兩個力的合力F合是屏蔽門關閉過程中的阻力所在，其合力見圖1（d）所示，該合力的大小和方向隨列車運行活塞風速變化不斷變化。在實測過程中，因無法有效地捕捉合力F合方向的變化，故分別測試實驗獲得Ni和Mi的變化規(guī)律。

圖1 屏蔽門受力分析圖

1.2 屏蔽門測試實驗方法

因停站列車的阻擋作用，受后續(xù)進站列車活塞風影響最顯著的是靠近進站車站端頭的1號和2號滑動門，本次測試實驗主要監(jiān)測了1號，10號門關閉時靜壓Ni及2號門開啟200mm（重現了屏蔽門關閉不暢的事故工況）縫隙的邊緣風速Vi。測試實驗中，上述3個門的壓力風速數據實現同步動態(tài)監(jiān)測，從后續(xù)列車開始進站起，跟蹤至風速和壓力數據重新穩(wěn)定至零的全動態(tài)過程，同時進站列車的車速全程動態(tài)監(jiān)測。圖2給出了實測車站與屏蔽門測試位置。在1號門靜壓Ni的測試中，兩個屏蔽門開具寬度較小，僅供插入靜壓計的1根橡皮管即可，其他位置采用膠布封好，以減少壓力泄漏。2號屏蔽門兩門開啟寬度設定為200mm，以模擬實際運營中屏蔽門關閉不暢，風速儀探頭平行于門框放置，距離屏蔽門邊緣約50mm處。

測試實驗中采用的儀器分別是KIMOMP100手持式差壓儀（精度±1 Pa；量程-1000～+1000 Pa）、DP1000-ⅢB 壓差計（精度±1 Pa；量程 -3000～+3000 Pa）和SDL350手持式風速溫度儀（精度0.01 m/s；量程+0.6～+40m/s），測試實驗前上述儀器在實驗室中完成標定，以最大限度地避免儀器誤差。

圖2 實測實驗車站與屏蔽門位置示意圖

1.3 測試實驗車站選取與工況設置

本測試實驗分別選取上海地鐵8號線的5個車站，9號線的6個車站和11號線的8個車站來完成，各條線路概況如下表所示。在測試車站選取的過程中，盡可能包含每條地鐵線中隧道長度最長，最短和平均值的區(qū)間，且兼顧島式和側式站臺。同時，盡可能避免選取帶有配線的特殊區(qū)間。

表1 各條線路概況

依據實際運營中的常用工況，測試實驗工況為以下三種：工況一為車站活塞風井開啟，上下排熱關閉，有停站列車（8，9號線全部車站，11號線大部分車站為此工況）。工況二為活塞風井開啟，上下排熱開啟，有停站列車（11號線的島式車站和側式車站各選取1個）。工況三為活塞風井開啟，上下排熱關閉，無停站列車（11號線的島式車站和側式車站各選取1個）。工況二和工況三的意義在于與工況一的屏蔽門承壓狀況進行對比。

2 測試實驗結果與分析

2.1 三條線路測試實驗結果匯總與分析

三條線路測試車站島式站臺居多，三條線路最大車速，島式車站的1號門，10號門的最大風壓及2號門的最大邊緣風速匯總見表2。針對三條地鐵線19個車站（其中包括3個側式站，1個單邊側式，15個島式站）1號門最大風壓與區(qū)間隧道長度和最大車速與區(qū)間長度的關系見圖3。

表2 三條線路島式車站實測結果

圖3 三條線路全部車站1號門最大風壓，最大車速與區(qū)間長度的關系

1）由表2可知，8號線1號門整體風壓范圍在32.8～83 Pa之間，9號線在27.7～55.3 Pa之間，11號線在24.3～49.1 Pa之間。顯然，8號線風壓變化范圍較大，8號線選用C型車，6輛、7輛編組混跑，9號線和11號線均為A型車6輛編組。由此可見車型對風壓的影響較大。

2）從圖4可知，15個站島式站臺的1號門最大風壓在24.3～83 Pa之間，3條線路的4個側式站臺的1號門最大風壓范圍在4.2～16.7Pa，可見，側式站臺的最大風壓明顯小于島式站臺的最大風壓，島式站臺最大風壓大約是側式站臺最大風壓的1.65～13.2倍。

3）由圖4可知：1號門最大風壓范圍在4～83 Pa之間。1號門的最大風壓與區(qū)間隧道長度無線性關系。列車在區(qū)間隧道內的最大車速在60～90 km/h之間，最大車速與區(qū)間長度也無線性關系，最大風壓受區(qū)間長度和最大車速綜合作用的影響。

4）區(qū)間隧道的曲線半徑對站臺屏蔽門風壓有一定的影響。相比于沒有曲線半徑的島式站臺車站，8號線站前接曲線和站后接曲線的車站風壓相對較大。11號線中區(qū)間隧道曲線半徑會使車站的屏蔽門承壓減小，如11-4站的1號門承壓比無曲線的類似車站減小24.2%。無曲線島式車站1號門最大承壓值為側式車站的1.66～11.69倍。8號線的有后曲線和前曲線的8-4站和8-3站風壓較大，而11號線有曲線的11-4站和11-8站風壓都有所減小，可見區(qū)間隧道是否有曲線可能導致車站風壓的增大或減小。曲線主要是導致壓力傳遞過程中，局部阻力的變化，風壓增大和減小的規(guī)律與最大車速出現的位置在曲線前，還是曲線后有關，即與最大車速運行區(qū)段距屏蔽門的距離有關。

2.2 不同工況下屏蔽門承壓對比分析

針對11號線選取的某一島式車站和側式車站，分別進行了上述三個工況的專開列車實驗。下文分別從1號門承壓，10號門承壓和2號門風速的動態(tài)變化著手，對比分析，其中側式車站工況三測試實驗意外受到對側線路臨時調度列車干擾，故僅列出了工況一和工況二的對比結果。

1）各工況下1號門動態(tài)承壓對比

圖4分別給出了三種工況下典型島式車站和側式車站1號屏蔽門動態(tài)承壓測試實驗結果。從圖中可知，島式車站和側式車站在上下排熱關閉的工況一和上下排熱開啟的工況二的最大風壓分別相差0.7Pa和1.4 Pa。可見，上下排熱開啟與否對1號門承壓影響很小，也就是說上下排熱開啟對各測試工況下1號門的承壓基本無泄壓效果。此外，由圖4（a）可知，1號屏蔽門在無列車停靠站臺的工況三的最大承壓分別較工況一和工況二減少了33%和76%，主要只站內有列車停靠時，后續(xù)列車啟動加速，故后車對兩車之間的空氣柱形成了活塞擠壓作用，隧道內形成的縱向風速的動壓頭又因站內有列車停靠形成的局部阻力而部分轉變?yōu)殪o壓，造成1號屏蔽門承壓增大，從而導致屏蔽門關閉不暢問題發(fā)生的根本原因。

圖4 典型車站1號門風壓變化

2）各工況下10號門動態(tài)承壓對比

圖5分別給出了三種工況下典型島式車站和側式車站10號屏蔽門動態(tài)承壓測試實驗結果。從圖中可知，島式車站和側式車站的10號門均存在著上下排熱開啟后風壓增大的現象，上下排熱開啟前后，島式車站10號門對應的最大承壓分別為9 Pa和13 Pa，側式車站10號門的最大承壓分別為0Pa和30Pa。可見，上下排熱的開啟在車站軌行區(qū)形成了負壓區(qū)，使得10號門附近（有效站臺中段）的壓差增大，且側式車站增幅大于島式車站。由圖5（a）從島式車站的10號門來看，無列車工況10號門的風壓波動顯著增加，最大值達30Pa，且存在正負壓之間的波動過程，這主要是由上下排熱開啟泄壓能力與隧道內活塞風壓的綜合作用。

圖5 典型車站10號門風壓變化

（3）各工況下2號門邊緣風速動態(tài)對比

圖6分別給出了三種工況下典型島式車站和側式車站2號屏蔽門邊緣風速測試實驗結果。從圖中可知，島式車站和側式車站的不同工況對2號門邊緣風速和風壓的影響均不顯著，且風速值較小，對應的平行于線路方向作用于門體厚度方向的風壓也較小，對關門行程形成的阻力較小。

圖6 典型車站2號門邊緣風速變化

3 結論

本文通過夜間列車停運時段的專開列車測試實驗，分析了前站站臺有車停靠，后續(xù)列車離站并駛入區(qū)間隧道過程中，屏蔽門承壓的動態(tài)變化，得到如下主要結論：

1）在整個測試過程中，后續(xù)列車在加速、巡航、惰行、減速的過程中1號門處的活塞風靜壓隨著后續(xù)列車加速直線上升，達到最大值后，在波動中逐漸減小，最終減為0。同樣10號門的風壓一開始保持為0，后開始逐漸增大，達到最大值后開始減小，但整個過程風壓作用時間較短。2號門邊緣風速變化及對應的靜壓變化，風速上升較快，下降較為緩慢。在列車運行過程中，屏蔽門主要受Ni的作用力。

2）三條線路全部測試站的1號門最大風壓在4～83 Pa之間，作用在單扇屏蔽門上的合力在8.8～174.3N之間，列車的最大車速在60～90 km/h。

3）島式站臺1號門最大風壓大約是側式站臺風壓的1.65～13.2倍。

4）由變工況分析可知，上下排熱開啟與否對1號門承壓大小的影響很小，而站內有無列車對承壓影響顯著。

后續(xù)宜從關門力和摩擦力f2等角度優(yōu)化屏蔽門動力設備，解決和預防高行車密度屏蔽門關閉不暢的問題。將進一步探討列車出站工況站臺屏蔽門的受力情況，并對比分析單活塞風道和雙活塞風道的測試結果，并補充活塞風道超長工況下的實測數據。

感謝：上海申通地鐵運營公司合作項目（JS-BZ16R011）支持。

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