地鐵車站屏蔽門風壓特性試驗研究

曾令偉,易富民,王漢封,*,黎良橋

(1.中南大學 土木工程學院,長沙 410075;2.成都軌道交通集團有限公司,成都 610041)

0 引 言

地鐵站臺的屏蔽門(Platform Screen Door,PSD)是地鐵系統的重要組成部分之一。它將站臺與列車運行區域分開，維持站內環境，確保乘客安全[1-4]。通常，屏蔽門設計需要考慮人員荷載、風壓荷載、沖擊荷載以及地震荷載等影響[5]，這些荷載均是從靜力或等效靜力角度考慮屏蔽門所受的側向荷載，即垂直于屏蔽門的荷載。隨著地鐵列車運營速度的提高及發車頻次的增大，列車在隧道中行駛時產生的風壓荷載不僅會影響屏蔽門結構安全，還可能影響其正常開閉，進而影響整個地鐵線路的正常運營[6]。但在中國現行的《地鐵設計規范》[7]中，尚未涉及屏蔽門開閉過程中所受的側向荷載值。

已有大量文獻對隧道內的空氣動力學問題進行了研究[8-17]。當列車進入隧道時，由于空間突然受限，車頭前方產生壓縮波并在隧道中以聲速傳播[17-19]。當壓縮波到達隧道出口時，會以微壓波形式向外釋放[20]；同時，在出口形成的膨脹波反射回隧道內。值得注意的是，當列車經過隧道中的區間泄壓井時，由于泄壓井壁面限制了空氣的橫向流動，空氣受到壓縮而壓力升高，也會在隧道中產生壓縮波[21-23]。

為研究列車過站對屏蔽門風壓響應的影響，Chun等[10]采用數值模擬方法研究了列車以不同速度過站時的屏蔽門風壓，討論了站內泄壓井開閉狀態對屏蔽門風壓的影響。Kim[13]通過現場實測研究了列車以不同速度過站、站內會車等工況下的全封閉屏蔽門風壓荷載，發現列車交會將顯著增大屏蔽門風壓，且各測點風壓極大值均出現于車頭經過該測點時，列車經過后風壓迅速變為負值；值得注意的是，在列車距離站臺尚有500 m左右時，屏蔽門風壓即開始逐漸增大。Zhou等[14]通過1∶20的模型彈射試驗研究了單車過站、會車對車身表面及屏蔽門風壓的影響，結果表明，屏蔽門風壓受壓力波與列車風的共同影響，其極值沿行車方向逐漸減小。Luo等[15]采用數值模擬方法分析了高速列車過站時的屏蔽門瞬時壓力特性，發現列車過站過程中屏蔽門所受的正壓極值遠大于負壓極值。

列車過站時的屏蔽門風壓極值與行車速度、阻塞度、車頭形狀、泄壓井以及列車與屏蔽門的間隙等因素相關。相關研究表明：屏蔽門風壓與車速大致呈二次方關系[10,24-26]；屏蔽門風壓極值隨阻塞度增大而增大，兩者近似為線性關系[23,25]；車頭形狀會影響風壓變化趨勢，但對風壓極值影響很小[24,27]；站臺兩端設置泄壓井可顯著降低屏蔽門風壓極值，最大降幅可達30%左右[22,25,28]；列車與屏蔽門的間隙由130 mm增加至425 mm后，列車過站時的屏蔽門風壓極值可降低約53%[26]。

列車過站時的屏蔽門風壓極值對屏蔽門的強度設計提出了要求；但此時屏蔽門不需開閉。通常，只有當列車停靠站臺時才需開閉屏蔽門，此時車速為零，無列車風效應。在列車停靠站臺時，曾發生屏蔽門無法正常開閉的情況，對其原因目前尚無統一認識。本文采用彈射試驗的方法，研究列車車速與泄壓井對隧道內壓力的影響規律，并以此為基礎對比研究屏蔽門風壓變化規律。采用輕質泡沫模型模擬站內停靠車輛，研究后方來車對屏蔽門風壓的影響規律(本文稱為“跟隨工況”，Tracing case)，分析高頻次發車條件下屏蔽門無法正常開閉的原因。

1 試驗模型及裝置

1.1 試驗裝置

本文彈射試驗在中南大學軌道交通安全教育部重點實驗室的動模型彈射系統上進行。該系統總長164 m(加速部分57 m、試驗部分50 m、制動部分57 m)，最高彈射速度500 km/h[14,26]。彈射試驗開始時，列車模型與彈射試驗裝置相連接，列車在彈射裝置上獲得一個初始速度并勻速駛向客站。詳情請參考文獻[14,26]。

1.2 試驗模型與測點布置

全隧道模型、列車模型和站臺模型如圖1所示，模型縮尺比為1∶20。圖1(a)為全隧道模型，作為隧道-站臺模型(列車過站工況)的對比參照。隧道總長51.6 m，內徑360 mm，截面積約0.1165 m2。圖1(b)為8節編組的A+型標準地鐵列車模型，總長9253 mm，寬150 mm，高207 mm。圖1(c)為站臺模型，長11.6 m，寬1.4 m，站臺兩端隧道部分截面尺寸為0.40 m×0.24 m。列車在隧道中的阻塞度為26.67%，在站內行駛時阻塞度為32.38%，這2種阻塞度與地鐵列車實際運行時一致。

圖1 動模型試驗裝置圖Fig.1 Photograph of the moving model

圖2為全隧道模型和隧道-站臺模型的測壓點布置示意圖。其中，模型中段11.6 m(與站臺模型等長)以亞克力透明材料制作，兩端各20.0 m以非透明PVC材料制作。如圖2(a)所示，全隧道模型共布置24個壓力傳感器(打孔安裝于隧道內壁)，依次為1～24號測點。兩端非透明段分別布置9個壓力傳感器(測點1～9、16～24)，間距均為2500 mm。透明段中部有一個正方形截面的區間泄壓井，泄壓井截面尺寸250 mm×250 mm，高90 cm，與隧道軸線垂直，最底端與隧道正上方內壁面平齊。泄壓井處壓力變化較大，對測點適當加密，其中心處布置1個測點(測點13)、前方(以圖中右方列車行駛方向為前方)布置2個測點(14、15號測點)、后方布置3個測點(10、11和12號測點)。壓力傳感器量程為-3 kPa～+3 kPa，采樣頻率2 kHz，精度為0.5%；彈射試驗系統精度也是0.5%。此外，在隧道入口和出口各布置一個光電門傳感器，以監測列車位置，其與屏蔽門的相對位置如圖2所示。

隧道-站臺模型由入口隧道、站臺、出口隧道組成，長度分別為20.0、11.6和20.0 m。出入口隧道部分各設一泄壓井，尺寸分別為225 mm×343 mm和370 m×195 mm。進站端設有通風井(關閉狀態)，尺寸為275 mm×150 mm。圖2(b)中的淺綠色矩形表示屏蔽門，其左右兩端面為屏蔽門端門，在進站端門處布置1號測點，出站端門處布置5號測點，屏蔽門的側門沿列車行駛方向依次布置2、3、4號測點(屏蔽門上的測點均布置于靠近列車一側，高度均為100 mm，即屏蔽門高度中心位置處)。在跟隨工況下，對進站端壓力測點進行了加密，增加了6～13號測點，如圖2(b)所示。

圖2 測壓點布置示意圖Fig.2 Arrangement of pressure measurements

2 結果與討論

本文討論單列車經過全隧道模型或隧道-站臺模型時的壓力波、隧道壁面及屏蔽門上的瞬變壓力；隧道-站臺模型下列車跟隨對屏蔽門上瞬變壓力的影響；分析車速、泄壓井開/閉對屏蔽門上瞬變壓力的影響。為方便起見，t=0對應列車前端進入隧道的瞬間，T1、T2、T3分別對應列車車頭進入站臺、出站臺、出隧道等典型位置的時刻，如圖3(a)所示。為保證試驗結果正確，所有工況均重復3次。

2.1 過隧道工況

使用全隧道模型開展過隧道工況試驗。圖3(a)為列車以120 km/h的速度過隧道時壓縮波與膨脹波在隧道出入口相互轉化的過程(隧道距離為0處，即為隧道入口位置)。圖中，紅線表示車頭位置；藍線表示車尾位置；黑實線表示壓縮波；黑虛線表示膨脹波。圖3(b)為隧道中間測點13的壓力變化曲線。A點為車頭進入隧道產生的壓縮波傳至測點的時刻，此時壓力開始迅速升高。B點為該壓縮波在隧道出口轉化為膨脹波反射回來到達測點的時刻，此時壓力開始降低。C點為車尾進入隧道所產生的膨脹波傳至測點的時刻，壓力進一步降低。這些微壓波在隧道入口和出口反射，強度明顯減弱。D時刻為車尾產生的膨脹波在隧道出口轉化為壓縮波反射回來經過測點的時刻，此時壓力略有增加。D時刻至車頭到達測點的E時刻，壓力基本不變。E時刻后，車頭經過測點，壓力急劇減小，這與文獻[10,26]給出的規律一致。F點為車尾經過測點的時刻，壓力出現極小值。列車通過測點后，壓力逐漸恢復為零。

圖3 列車以120 km/h速度過隧道Fig.3 Train passing through a tunnel at a speed of 120 km/h

圖3(c)、(d)分別為隧道中部泄壓井關閉和開啟時、列車以120 km/h速度過全隧道模型的各測點壓力變化曲線。當泄壓井關閉時，各測點的風壓變化規律與圖3(b)一致。當泄壓井開啟時，各測點的壓力極值顯著降低；此外，車頭過泄壓井時，在隧道中產生一新的壓縮波，其傳播規律與列車進入隧道時所產生的壓縮波一致，但壓力極值略小于后者，如圖3(d)所示。

為分析車速與泄壓井對隧道風壓極值的影響，圖4給出了不同車速下各測點的壓力極值。由圖4(a)可知，當泄壓井關閉時，隨著車速增大，隧道壓力極大值增大，且均發生在列車全車剛好完全進入隧道時(通過計算可知，壓力極大值出現的時刻剛好對應列車完全進入隧道的時刻)。當車速為140 km/h時，正壓力極值為1337 Pa。由圖3(c)可知，當測點出現極值時，車頭尚未到達該測點，該極值為隧道入口壓縮波所致。當泄壓井開啟時，其附近壓力極值明顯減小。

圖4 全隧道模型隧道內各測點壓力極值Fig.4 The extreme values of the pressure along the tunnel

2.2 過站臺工況

使用隧道-站臺模型開展過站臺工況試驗。圖5(a)～(c)為站內泄壓井開啟狀態下、列車以不同速度過站時屏蔽門各測點的壓力變化。隨著車速增大，屏蔽門風壓極值呈明顯增大趨勢，與文獻[10,24-26]規律一致。值得注意的是，車速為120 km/h時，屏蔽門各點壓力在t=0時就會突增，在0.3 s左右達到極大值285 Pa，該壓力極值為壓縮波傳播到達所致。1～5號測點極值遞減，這是因為壓縮波傳播逐漸衰減[4,29]。從圖5(c)可以看出，壓縮波在屏蔽門上引起的風壓會持續一段時間(壓力維持在150～220 Pa左右)，直至車頭經過屏蔽門時出現另一壓力極值(383 Pa，2號測點)。圖5(c)中測點的第一個極值由壓縮波決定，而第二個極值由壓縮波和列車風共同決定。

當站內泄壓井關閉時(車速120 km/h)，如圖5(d)所示，壓縮波在進站端門上引起的壓力顯著增強，最大值為555 Pa，與泄壓井開啟時端門上的壓力相比，增幅約44.9%；此時，屏蔽門側門上的壓力極值為516 Pa，增幅約34.7%。值得注意的是：當列車以120 km/h車速過站、站內泄壓井開啟時，屏蔽門上壓力極小值為-292 Pa，屏蔽門上壓力極值的變化幅值為675 Pa；而當泄壓井關閉時，壓力極值變化幅值增加到1050 Pa(壓力極小值為-495 Pa)，該工況對屏蔽門強度和疲勞更為不利。

圖5 屏蔽門壓力Fig.5 Pressure on the PSD

2.3 跟隨工況

使用隧道-站臺模型開展跟隨工況試驗。隨著發車頻次增大，跟隨工況在地鐵運營中越來越常見，而屏蔽門開閉故障也多發生于此工況。本文跟隨工況主要針對站內停靠一輛列車、屏蔽門無法正常開閉、而跟隨車輛正向站內行駛的情況。以輕質泡沫板制作了與列車縮尺模型外形尺寸相同的簡化列車模型，將該模型中點對準站內中心位置(即13號測點位置)固定，列車靠近站臺的側面與屏蔽門側門的距離為45 mm，用于模擬站內停靠車輛的阻塞效應。跟隨車輛仍以120 km/h的速度進入隧道，與泡沫列車模型相撞后繼續向前駛離站臺。利用光電傳感器可確定跟隨列車位置，僅提取跟隨列車駛入隧道至碰撞前的部分進行分析。

圖6為跟隨工況下、站內泄壓井開啟時屏蔽門上各測點壓力的變化曲線。該圖截止時刻為跟隨列車到達進站端門的時刻(即兩車發生碰撞的時刻，非真實運營狀況)。可以看出，在大約t=0.35 s時刻，進站端門壓力極大值為365 Pa，側門壓力極大值為345 Pa，側門不同位置的壓力極值隨著與進站端門距離的增大而減小。極大值之后，列車過區間泄壓井時產生的壓縮波傳遞至屏蔽門，屏蔽門端門風壓降至300 Pa左右，側門風壓降至約270～160 Pa(沿站臺方向逐漸降低)，且該壓力會持續約5 s(按1∶20折算的真實時間)。這一持續風壓很可能是站內停靠車輛時屏蔽門無法正常開閉的主要原因。當兩車極其接近時，屏蔽門風壓會再次迅速增大，但這一情況在現實中不會發生。

圖6 跟隨工況下的屏蔽門壓力Fig.6 Pressures on the PSD for tracing case

圖7橫坐標表示屏蔽門上的壓力測點與進站端門的距離，橫軸最左端對應測點1位置(即進站端門位置)，橫軸最右端對應測點5位置(即出站端門位置)；圖中黑色方形表示跟隨工況下的風壓極值，黑色圓形表示列車過站工況下的風壓極值。從圖中可以看到，屏蔽門風壓極值沿行車方向逐漸減小。對比跟隨工況與過站臺工況，可以看出兩者的屏蔽門壓力極值變化規律非常相似；在跟隨工況下，站內有車停靠，阻塞度增大，屏蔽門風壓極值有所增大。

圖7 跟隨工況、過站臺工況下屏蔽門風壓極值沿站臺變化規律Fig.7 The extreme pressure along the PSD for tracing and passing platform cases

3 結 論

通過動模型彈射試驗研究了列車過隧道、過站臺以及跟隨工況下隧道內風壓與屏蔽門風壓的變化規律，對比了不同行車速度、泄壓井開閉狀態對風壓極值的影響規律，得到以下結論：

(1) 列車過隧道工況下(全隧道模型)，隧道內壁面風壓隨車速的增加而增大。區間泄壓井開啟時，其附近的風壓極值顯著降低。列車通過區間泄壓井時也會產生一壓縮波，其特性與列車進隧道時所產生的壓縮波類似，但風壓極值略小。

(2) 列車以120 km/h速度過站臺時，屏蔽門風壓會出現一個明顯的由壓縮波引起的峰值，且由于壓縮波的影響，屏蔽門上的風壓響應會在150～220 Pa維持一段時間，其在屏蔽門上引起的風壓最大值約383 Pa。泄壓井關閉時，屏蔽門風壓最大值為555 Pa，增幅約44.9%。

(3) 列車過區間泄壓井時產生的壓縮波傳遞至屏蔽門后，壓力極值將會保持在300 Pa左右并持續約5 s，這一側向壓力是導致屏蔽門無法正常開閉的主要原因；無論是列車過站還是列車跟隨，壓縮波引起的屏蔽門上的風壓響應均沿行車方向逐漸減小。