京張高鐵八達嶺隧道及地下站活塞風效應研究

閆樹龍,葉 雷,楊啟凡,余 濤

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055；2.西南交通大學機械工程學院,成都 610031)

1 概述

近年來，我國高速鐵路迅猛發展，截至2018年底，中國高鐵營業里程達到2.9萬km以上，高速鐵路營業里程居全球第一，超過世界高鐵總里程的2/3。由于地理條件和城市空間的限制，地下隧道和地下車站在高鐵建設中也越來越普遍。列車在隧道中高速行駛時會產生明顯的活塞風效應，隧道內的活塞風過大會影響列車運行和設備的安全性[1]。地下車站采用安全門時，車站軌行區與站臺、站廳公共區直接相連，列車高速運行的活塞風會進入站臺和車站內公共區，影響公共區空調系統負荷及人行通道內人員的舒適性和安全性。目前多數學者對地鐵[2-6]、城際鐵路[7-9]和高速鐵路[10-12]隧道內的速度場、活塞風特性及影響因素進行了分析，并對明線列車風對車站流場和安全舒適性的影響等[13-14]進行了研究，但關于高鐵地下車站通風方面的研究極少。特別是采用半高安全門時，連接車站站臺與站廳、站廳與出入口的車站人行通道，其面積通常較小，通道內風速高，對該風速缺乏相關研究。

針對京張高速鐵路八達嶺隧道及地下車站，建立一維通風網絡模型，對高速列車正常運行時產生的活塞風效應進行模擬計算，研究車站人行通道內的活塞風特性，評估通道內人員的安全性，為類似高速鐵路地下車站的環控系統設計提供技術參考和數據支持。

2 計算模型和計算方法

2.1 工程概況

京張高鐵八達嶺區間隧道長12.01 km，車站中心處線路埋深約102.6 m，距離北京方向的出口8.8 km，距離張家口方向的出口3.2 km。站內設置了4條線路，分別為2條正線和2條到發線，到發線有效長度650 m。車站有效站臺長450 m，站臺邊裝有1.5 m高安全門，車站總長470 m。在有效站臺范圍內，正線采用隔墻與站臺隔開。車站每側站臺設2個進站口到達進站通道層，2個出站口到達出站通道層，如圖1所示。進站通道層與地面站房地下一層相接，出站通道層與地面站房地面層相接，進出站通道層設置自動扶梯、斜行電梯用于客流通行。因車站并未設置列車活塞風泄壓通道，地下站連接地面站房的進出站斜行通道自然成為泄壓通路。此外，救援通道也用于泄壓通風。

圖1 八達嶺地下站示意

2.2 一維數值計算方法及驗證

一維數值模擬計算方法在常規地鐵環控系統模擬中普遍使用，其準確性也得到了其他模擬方法和實測的驗證。八達嶺隧道的形式較常規地鐵隧道有所差別，特別是在大小里程端單洞雙線區間結束段與車站隧道連接的咽喉區段，該區段大斷面多且斷面面積不斷變化，斷面壓力分布不均且氣流流動復雜。這種一變三的隧道斷面模式，咽喉區的氣流流量分配關系到車站2條到發線和中間正線的活塞風量大小，而到發線又與站臺連通，因此咽喉區的空氣流動直接影響到進出站斜行通道內的風速和人員安全。

為了驗證一維數值計算方法在預測隧道一變三時氣流分配的準確性，首先建立了車站和前后區間隧道的一維和三維數值計算模型，并對隧道內列車運行時的氣流分布進行了對比分析。三維數值模擬需要較長的計算時間，只建立了車站軌行區、咽喉區和前后部分區間隧道的模型，模型的基本尺寸如圖2所示。建模時雖然車站兩端的區間隧道長度小于實際工程，但該三維計算模型僅用于驗證一維數值方法預測咽喉區氣流分布和通道風速的準確性，驗證后的一維數值方法將用于實際工程全線通風模型的計算，因此簡化的三維模型對后面的模擬結論無影響。模型中，正線隧道總長2 365 m，面積91 m2，車站軌行區隧道面積98 m2，通道面積56 m2。采用三維數值模擬軟件STAR-CCM+建模計算，模型如圖3、圖4所示，對應建立的一維模型如圖5所示。

圖2 模型基本尺寸(單位：m)

圖3 三維數值模型

圖4 三維列車模型

采用STAR-CCM+的動網格模型進行計算，列車在車尾離隧道入口50 m處以60 m/s的速度從正線越行。一維和三維數值模擬計算結果的對比見圖6和圖7，兩種方法計算得出的各位置風速變化趨勢基本一致。圖6中，在車進入車站前，一維數值計算方法得出的風速值偏大一些，主要由于三維數值計算中列車以較高初速度開始運行時三維效應不可忽略，但隨著列車離站越來越近，通道內風速隨之升高，一維和三維方法的誤差也在減小。在15 s時，列車進入到咽喉區位置，此時一維和三維方法都出現最大值，三維計算出的通道內最大風速可達1.74 m/s，而采用一維方法計算出的最大風速為1.83 m/s，兩者相對誤差不到10%。15～20 s，三維計算的風速突然下降，主要是因為列車在咽喉區運行時復雜的三維效應。20 s后，列車離開咽喉區開始在車站正線越行，此時一維和三維方法計算得出的風速基本一致。圖7的站臺風速有類似規律。從列車運行時一維和三維數值模擬計算結果的對比來看，一維數值模擬方法能有效預測通道內風速變化。

圖5 一維通風網絡模型

圖6 一維和三維通道內風速對比

圖7 一維和三維站臺風速對比

2.3 一維數值計算模型和計算條件

針對京張高鐵八達嶺區間隧道和地下車站的物理模型，采用驗證后的一維數值模擬方法研究地下車站通道內的活塞風效應，建立的一維通風網絡模型的節點如圖8所示。

隧道通風室外空氣計算溫度采用夏季近20年最熱月月平均溫度的平均值，本文取室外空氣計算溫度29.9 ℃。根據設計方案，該線路設計以跑行標準動車組為主，考慮8輛和16輛編組混跑，列車總長為8輛編組201 m、16輛編組402 m，列車車身截面積11.2 m2。列車在隧道外最高運行速度350 km/h，隧道內越站最高運行速度250 km/h。考慮隧道內列車限速，北京方向的大里程端限速200 km/h，張家口方向的小里程端限速250 km/h。

圖8 一維通風網絡節點

3 計算結果及分析

本次模擬計算全線按八達嶺地下站客流量預測數據的遠期晚高峰小時的長城站客流量，發車按每小時12對列車考慮，對八達嶺區間隧道及地下車站的溫度、風量、人行通道風速等進行了模擬計算分析。重點分析人行通道內的風速結果，并對人員安全進行評估。

3.1 人行通道瞬時風速

站臺半高安全門制式下，按開啟所有通道進行通風泄壓計算，對計算數據進行分析，取1 800 s內的出站通道逐時風速數據，并重點分析速度最大正值和最大負值出現的原因。圖9給出了2種工況下的逐時速度變化，正值和負值交替出現。8對16輛編組(2對越行)、4對8輛編組混跑時，進站通道最高瞬時風速7.9 m/s，出站通道最高瞬時風速8.3 m/s；12對全部由16輛編組(2對越行)運行時，進站通道最高瞬時風速7.9 m/s，出站通道最高瞬時風速8.3 m/s。

圖9 逐時速度變化曲線

對圖9中的每個風速較大值出現時刻的列車運行狀況進行分析，并以每個點高于5 m/s的風速的時間來計量高風速的持續時間，分析結果如下。

(1)在風速1點時，隧道內有4列車，大里程端內1列車以全速200 km/h進站，1列車以全速200 km/h出站；小里程端內1列車減速進站，另1列車全速出站，4車綜合作用在車站形成為負壓，使得出站通道內的速度呈現負值，最大負值為5.5 m/s。從計算結果來看兩個區間內都有列車會車，這時的活塞風壓是減弱的，全16輛運行時速度偏小，主要是負壓相對較小。該風速大于5 m/s的持續時間約10 s。

(2)在風速2點時，隧道內有2列車，一列在大里程端內以全速200 km/h向車站運行，另一列在車站停車，2車在車站引起正壓，此時的通道內風速并不大，最大值僅為2.4 m/s。

(3)在風速3點時，隧道內有2列車，在大里程端內的一列車以全速200 km/h離開車站，車頭位置在洞口附近，在小里程端內的另一列車以全速250 km/h離開車站，車頭同樣在洞口附近位置，這時使得出站內出現最大負壓，通道內的速度呈現最大負值，為-8.3 m/s。該風速大于5 m/s的持續時間約70 s。

(4)在風速4點時，隧道內有2列車，一列在大里程端內以全速200 km/h往車站內運行，另一列在小里程端內減速進站，兩車相互作用在車站形成正壓，使得出站通道內速度呈現較大正值4.5 m/s。

(5)在風速5點時，與1點的情況完全類似，隧道內有4列車，大里程端內一列車以全速200 km/h進站，一列車以全速200 km/h出站；小里程端內一列車減速進站，另一列車全速出站，4車綜合作用在車站形成為負壓，使得出站通道內的速度呈現負值5.4 m/s。同樣，該風速大于5 m/s的持續時間是10 s左右。

從以上瞬時風速與列車運行位置的分析來看，出站通道內的瞬時風速大小與列車運行位置和方向密切相關，在大小里程隧道內均有列車時容易出現峰值，在兩區間隧道內列車向相反方向運行(均出站)時產生負壓作用，引起風速較大負值；在兩區間隧道內列車向相同方向運行(均進站)時產生正壓作用，引起風速較大正值；當車站內有列車停靠時，風速可能會進一步加大。最大負壓的工況已經出現，最大正壓的最不利工況在后面的會車工況中需要進一步分析。

3.2 單車越行與隧道會車工況

進一步對八達嶺隧道單車越行和兩車會車工況進行模擬分析。

3.2.1 單車越行

根據行車數據，北京方向的大里程端限速200 km/h，張家口方向小里程端限速250 km/h。按發車密度6對/h計，可實現整個隧道內只有單車越行，考慮列車分別從北京和張家口方向越行，模擬結果見表1。由表1可知，單車越行時進出站通道風速并不高，最大值僅4.6 m/s，出現在16輛編組車越行時。從逐時數據來看，單車越行風速最大正值出現在列車到達車站咽喉區位置時，最大負值出現在離站到達另一端隧道出口時。

表1 單車越行最大風速模擬計算結果 m/s

3.2.2 車站中部會車

考慮列車均進入隧道并在車站中間位置會車，通道內風速模擬結果見表2。通道內風速相比于單車越行工況，有明顯增大，最大值可達7.6 m/s。對列車運行位置和逐時風速進行分析，發現對于中部會車工況，進隧道時一車先進，出隧道時一車先出；最大正值在會車前兩車正好到達兩端的咽喉區位置時產生，最大負值在一車將出隧道洞口，另一車在另一區間中部時產生。

表2 車站中部會車最大風速模擬計算結果 m/s

3.2.3 距車站1.5 km會車

進一步考慮列車均進入隧道在大里程端距車站1.5 km位置處會車，通道內風速模擬結果見表3。通道內風速稍小于車站中部會車工況，最大值可達7.3 m/s。

表3 距車站1.5 km會車最大風速模擬計算結果 m/s

3.2.4 咽喉區會車

進一步考慮列車在車站起點的咽喉區位置處會車，通道內風速模擬結果見表4。

表4 咽喉區會車最大風速模擬計算結果 m/s

通道內風速與車站中部會車工況基本相同，最大值可達7.5 m/s。對逐時風速進行分析，發現對于咽喉區會車工況最大正值在兩車剛好靠近兩端咽喉區位置時產生，最大負值在一車將出隧道洞口，另一車在另一區間中部時產生。

3.3 人員安全性評估

評估列車運行產生的活塞風對人員安全的影響，需要先確定風速控制標準。目前國內外并沒有統一的風速控制標準，只有針對鐵路隧道和站臺公共區的氣動荷載標準、風速標準或安全距離標準，以及敞開區域人員安全風速的研究[15-20]。通過對各類標準和文獻的調研發現，目前并沒有針對站臺與站廳連接的人行通道安全風速標準，但通過參考距離列車一定距離外的人員安全風速和敞開區域中人員安全風速，基本可以認為在6 m/s以下對乘客而言是舒適的，行動不會受到影響；6～9 m/s內部分人員會表現出不舒適，出現按衣裙以防“吹裙”等反應；9～11 m/s內部分人員行動可能受到影響，但不會摔倒；11 m/s以上乘客受影響大，可能行走困難，有一定摔倒風險。

本模擬計算得出的通道內最大風速8.3 m/s，在安全范圍內，只是部分人員會感覺不舒適。

4 結論

通過對京張高鐵八達嶺隧道及地下車站內的活塞風進行一維數值模擬計算分析，得到如下結論。

(1)站臺采用半高安全門時，由于隧道與站臺、站廳及人行通道直接相通，列車運行時產生的活塞效應直接影響公共區氣流，遠期正常運行在隧道內有會車時進出站通道內風速最高可達8.3 m/s，類似設計車站應充分考慮此種影響。

(2)人行通道內風速最大負值出現在兩個區間分別有列車往隧道外以最大速度行駛且兩車位置位于洞口時，風速最大正值出現在兩個區間分別有列車往車站內以較大速度行駛且在車站附近會車時。

(3)單車越行時，通道內風速并不高，16輛編組的車產生最大風速值4.6 m/s，在完全可接受的范圍內；在隧道內不同位置會車時出現較大風速，最大7.6 m/s出現在中部會車時。

(4)從已有的風速標準和研究成果來看，風速在9 m/s以內基本可以認為是安全的，本模擬計算得出的人行通道內最大風速8.3 m/s，進出站人員短暫通行是安全的。