京張高鐵八達嶺長城地下站站內氣流實測與分析

李 坤,余 濤,閆樹龍

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

1 概述

截至2020年年底，全國高鐵運營里程達到3.79萬km。某些地區由于地理和空間條件限制，高速鐵路設計中出現越來越多的地下隧道和地下車站。列車在隧道中越行經過地下車站，特別是站臺無屏蔽門時，所引起的活塞風將影響站臺的氣流組織及相連接進出站通道風速[1-3]，甚至影響車站內設備運行以及人員的安全性和舒適性[4-6]。

目前，很多學者對隧道內活塞風效應[7-9]、活塞風對車站內風環境和熱環境的影響[10-12]以及壓力波進行了實測和數值模擬研究[13-15]，大多集中在地鐵隧道和地鐵車站的活塞風研究[16-18]，對于高鐵地下站氣流流動的研究較少。高鐵列車越行時，引起的活塞風更大，車站內局部空氣流通面積較小位置風速過高，但對該風速缺乏相應研究。也有學者分析了熱壓作用對隧道溫度場的影響[19-21]，但缺少對熱壓風和活塞風共同作用下車站內風速和溫度的研究。

通過對冬季初期運營階段的京張高鐵八達嶺長城地下車站內不同位置的風速和車站內外各處溫度進行實測，對車站內活塞風速度變化過程進行分析，為高鐵地下車站和類似工程站內風速控制提供優化建議。

2 八達嶺長城站氣流流動形成過程

2.1 八達嶺長城站概況

八達嶺長城站位于京張高鐵八達嶺隧道內，車站距北京方向隧道出口8 km，距張家口方向隧道出口4 km，車站總長470 m，總寬80 m，軌面埋深102 m，是目前國內埋深最深的高鐵地下站。站臺層巖墻中間兩條線為正線，兩側分別為左、右到發線。車站每側站臺設2個進站口、2個出站口到達進、出站通道層。受限于實際規劃，車站未設置專門用于列車活塞風泄壓的風井。車站站臺設置1.5 m高安全門，區間隧道、軌行區、站臺、進出站通道、地面進出站口形成自然的氣流流動通路，八達嶺長城站車站及隧道簡化示意如圖1所示。

圖1 京張高鐵八達嶺隧道及長城站簡化示意

2.2 八達嶺長城站氣流流動形成機理

八達嶺長城站埋深較深，且冬季站內外溫差大，由熱壓作用引起的氣流流動貫穿整個車站，影響車站內速度和溫度分布。無列車經過時，熱壓通風是站內空氣流動的主要影響因素；有列車經過時，列車引起的活塞風和熱壓風共同影響車站內速度分布。

2.2.1 活塞風的形成

列車運動引起的活塞風分為以下3個階段。

(1)列車從隧道外駛入隧道，在進入車站前，列車前方空氣受擠壓使壓力升高，部分空氣通過咽喉區進入站臺，再通過站臺層的進出站口流入進出站通道，最后到達地面層進出站口流出車站，另一部分由列車與隧道的環狀空間流向車尾。列車尾部呈負壓狀態，使室外空氣流入隧道。

(2)列車車頭經過咽喉區的瞬間，風壓作用最強，車站內活塞風風速出現最大值。列車在經過咽喉區和車站中部隧道時，引起的活塞風持續對車站產生影響。

(3)列車駛離車站，列車前方空氣由于正壓作用，將部分空氣壓出隧道外，另一部分通過環狀空間流入車尾；而列車后方空氣由于負壓作用，部分空氣從室外通過地面站房出入口流入車站，并最終流入隧道，完成一次單車越行地下車站的全過程。

2.2.2 熱壓通風的形成

八達嶺長城站屬于深埋地下站，車站大部分結構均在地下。車站和隧道壁面溫度受土壤熱庫影響大，且車站冬季有地板供暖系統作用，隧道和車站壁面溫度均高于室外空氣溫度。站內空氣密度低，受浮升力作用空氣往上流動，由此形成站內熱壓通風。室外空氣由隧道洞口進入，流經隧道和車站不斷升溫，空氣溫度隨所在高度而升高。車站埋深較深，高差達到102 m，產生的熱壓風作用更顯著。進出站廳直接與室外空氣相連，空氣從候車廳和出站廳流向室外，站內氣流流動示意如圖2所示。

圖2 八達嶺長城站熱壓通風簡化示意

3 測試方案

3.1 測試內容

本測試在冬季一月京張高鐵正式運營初期進行。在不同開口面積下，測試高鐵列車進站和出站過程中進出站通道、地面進出站口的活塞風風速，以及無列車通過時由熱壓引起的通道風速和車站的溫度分布，用以研究活塞風的氣流流動特性。

3.2 測試儀器

進出站通道風速測試主要采用testo 405i無線熱線式風速儀，每2 s記錄一個數據。不同風速下風速儀精度有所差異，風速測量值在0～2 m/s時，精度為±(0.1+5%測量值) m/s；風速測量值在2～15 m/s時，精度為±(0.3+5%測量值) m/s；風速儀分辨率為0.01 m/s。使用前將每臺風速儀放入小型風洞實驗臺進行校正，以保證其測量精度。

對于地面站房進出站口的風速，采用testo 425手持式風速儀進行測試，儀器精度為±(0.03 m/s+5%測量值)；分辨率為0.01 m/s。

對于隧道及車站壁溫測量，采用紅外測溫儀，顯示精度為測量值的2%。對于車站和室外的空氣溫度，采用天建華儀溫濕度自記儀，分辨率0.1 ℃，每10 min記錄一組數據。

3.3 測點布置

通過測試進出站人行通道處風速評估進入車站的熱壓風和活塞風大小。進站通道和出站通道測試位置和測點分布相同，測點斷面位于通道中部，斷面共6個測點。測點分布如圖3、圖4所示。

圖3 進站通道測點布置(單位：mm)

圖4 出站通道測點布置(單位：mm)

4 現場實測結果及分析

4.1 進出站通道風速

測試階段列車為8輛編組運行，區間隧道內設計限速250 km/h。測試在試運營期進行，站內部分設施未調試完，氣流通路上開口面積不同。測試條件見表1，條件1開啟站臺及地面進出站所有門；條件2開啟出站口一扇門，關閉進站過廳的門。圖5和圖6顯示了不同時刻的8組工況下列車經過車站引起的站內通道斷面最大風速。

表1 不同測試條件下的開口面積 m2

圖5 條件1進出站通道速度最大值

圖6 條件2進出站通道速度最大值

相同開口面積下，由于列車越行時的車速不完全相同，不同工況的進出站通道風速峰值存在差異。

條件1進站通道由于熱壓通風引起的向外風速為0.81 m/s，列車越行時活塞風和熱壓共同作用引起的通道平均風速在1.90～2.68 m/s，最大可達到2.68 m/s。出站通道由于熱壓通風引起的向外風速為0.90～1.20 m/s，列車越行引起的通道平均風速在2.50～3.30 m/s，最大可達3.30 m/s。

條件2進站通道由于熱壓通風引起的向外風速為0.50～0.70 m/s，列車越行時活塞風和熱壓共同作用引起的通道平均風速1.77 m/s。出站通道由于熱壓通風引起的向外風速為0.75～0.90 m/s，列車越行引起的通道內平均風速為1.83 m/s。

通過對進出站通道的風速對比可以看出，條件1開口面積大，進站通道相比出站通道風速略小，主要在于進站通道斷面面積較小，雖然地面層進站廳的開口面積較大，但進站通道的流動路徑中，氣流流向為站臺—通道—候車廳—進站大廳，該路徑整體阻力較大。而出站通道的流動路徑中，氣流直接到達地面站房出站廳，氣流阻力大大減小，因此，出站通道風速較大，更多的活塞風從出站廳進出。在條件2下，同時減小了地面站房進出站廳的開口面積，進站通道路徑由于阻力較大，風速低于出站通道風速。

通過對比條件1和條件2，條件1進站通道和出站通道的風速最大值整體大于條件2的風速值。通過觀察發現條件1熱壓風風速略大于條件2，原因在于條件2同時減小了地面進、出站廳的開口面積，各段的阻力均增大，導致疊加后的活塞風流經車站部分減少，進出站通道最大風速值減小。

4.2 最大風速分析

對不同條件下各個工況通道內風速變化情況進行分析，相同條件下各工況進出站通道風速變化規律基本一致。本節以條件1工況1數據和條件2工況8數據為例，分析不同條件下進出站通道活塞風變化的原因。列車由張家口方向開往北京方向，列車從靠近車站到駛出隧道，整個過程大約持續4 min，通道風速變化如圖7所示。圖中縱坐標正值表示空氣由車站流向室外，負值表示空氣由室外流向車站。

圖7 通道風速變化曲線

由圖7可知，進站通道和出站通道的速度變化規律基本一致。在圖7(a)中，通道速度峰值出現2次，分別為圖中點1和點2，出站通道速度峰值點1為2.62 m/s，點2速度略小于第一次速度，其值為2.59 m/s，兩次時間間隔約18 s，并且只有列車越行時會出現類似情況。在圖7(b)中，出站通道第一次速度為1.98 m/s，點2速度為1.65 m/s，略小于點1速度大小，兩次時間間隔約18 s，兩次峰值分別出現在列車到達站在一端的咽喉區和列車在另一端咽喉區附近。而后列車駛離車站區域，進出站通道出現反向風速。列車離開車站180 s后駛出隧道，出現第3次風速較大值，該峰值是由于列車駛出隧道前，活塞風影響較大，而列車駛出后活塞風消失，熱壓風占主導地位，且部分室外空氣從車輛離開的隧道洞口進入隧道及車站，進出站通道形成第3次風速極大值。

前期課題組對八達嶺長城站站內活塞風進行了一維數值模擬分析[1]，進出站廳開口面積情況與條件1接近。由模擬結果可知，列車到達咽喉區時，進出站通道最大風速分別為3.0 m/s和2.8 m/s。而實測數據中，進出站通道最大風速為2.53 m/s和2.62 m/s，兩值均略小于模擬值。原因在于實際運行時，進站口和出站口門僅部分打開，導致各個通路阻力變大，因此，站內實際風速較小。

列車速度越大，列車前方壓力越高，所引起的車站內活塞風風速也越大。列車到達咽喉區時，車站內風速出現最大值。為減小車站內的風速，可在列車到達咽喉區和車站隧道時適當減速，可有效減小塞風峰值對車站的影響。

4.3 地面站房進出站口風速

因試運營初期正值冬季，客流較小，為保證室內供暖效果，運營按需開啟最少數量的門，與設計情況并不完全一致。因此，按運營實際開門條件對地面站房進出站口在不同工況下的風速進行測試。條件1有列車經過時進出站口流向站外和流向站內的最大風速結果如圖8所示，前8組為進站口風速，后8組為出站口風速。條件2有列車經過時出站口流向站外和流向站內的最大風速結果如圖9所示。圖8、圖9中的各個工況與圖5和圖6的各個工況對應。

圖8 條件1進出站口風速最大值

圖9 條件2出站口風速最大值

由圖8和圖9可以看出，當有列車經過車站時，站房進出站門處會有較大的風速變化，并經過一段時間后會出現反向流動。由于熱壓的作用地面層進出站口持續存在向外的風速，導致向內的風速略小于向外流出的風速。條件1進出站口的最大平均風速分別為6.22 m/s和6.20 m/s。條件2下，當出站口僅開啟一扇門，導致瞬時風速過大，最大可達到14.0 m/s。前期研究發現，風速11 m/s以上時乘客受影響大，行走困難，有摔倒風險[1]。如正值旅客通行，活塞風可能對乘客安全造成影響。通過不同工況的結果可以看出，盡量多地開啟出站站房門，增大氣流流通面積，可有效減小出站口的最大風速。

4.4 溫度

通過對站臺層、通道層、站廳層各處壁面溫度和空氣溫度的測試，研究冬季由熱壓通風導致的車站內溫度分布。

測試發現，由于土壤的蓄熱、列車的運行以及設備的產熱，站內溫度較室外高，站臺層壁面溫度取四周壁面的平均值為7.4 ℃，而冬季1月3日室外日平均溫度為-1.0 ℃。熱空氣由于密度小將不斷上升，最終呈現出通道和出站廳溫度較高，隧道和站臺溫度較低的溫度場分布。由于候車廳和進站廳采用地板輻射供暖，該區域空氣溫度較高，室外溫度較低，與室外溫差大，產生較強熱壓作用，空氣由室內流向室外，車站溫度分布如圖10所示。

圖10 車站內壁面溫度分布

車站內的溫度分布將對候車廳和進站廳的空調系統造成影響。當列車越行時，進站過廳和候車廳之間的玻璃門由于活塞風作用被吹開，部分冷空氣從進站過廳進入候車廳和進站廳。當乘客進站時，玻璃門依舊呈開啟狀態，部分冷空氣進入候車廳，導致候車廳和進站廳處的空調負荷變大、氣流組織受影響。為減少這種影響，可臨時開啟進站過廳與室外直接相連通的門窗，直接將熱壓風和活塞風排出室外。

5 結論

通過在冬季運營初期對京張高鐵八達嶺深埋地下車站進行現場實測，研究深埋地下高鐵站的特點及對熱壓風的影響，同時研究了列車越行時活塞風對車站的影響，分析站內氣流大小和變化規律，以及站內溫度分布規律，得出以下結論。

(1)八達嶺長城地下車站埋深較深，冬季隧道和車站壁面溫度高，站內外空氣密度差異明顯，站內氣流往上流動，形成較強的熱壓風作用。當有列車越行經過車站時，車站內的氣流受熱壓風與活塞風的疊加作用。

(2)當列車越行地下車站時，由于兩側咽喉區的漸變結構和熱壓風的持續作用，進出站通道風速出現兩次峰值，第2次風速極大值略小于第1次風速最大值。出站廳開口面積小時，地面出站口最大風速可達14.0 m/s，對乘客安全性造成影響。通過增開出站站房的門窗，增大流動面積，使熱壓風和活塞風直接流向室外，可有效減小出站口風口。

(3)冬季站臺層壁面平均溫度為7.3 ℃，車站內溫度隨著高度的提升而增加，室外空氣從隧道流經站臺，到達進出站通道，最后從地面站房進出站口流出。進站廳及候車廳采用供暖系統溫度較高，站內外溫差大，加劇站內熱壓風的流動。

通過對高鐵地下車站站內氣流產生的機理分析，可為深埋地下車站活塞風控制和環控系統優化設計提供參考依據。由于實測均在初期試運營期間，車次少，無會車工況出現。后期正式運營后，隨著車次增加，將出現隧道內會車情況，在隧道內不同位置會車時產生的活塞風對車站影響將更大，熱壓風與活塞風疊加后，將對人員的通行安全造成影響，后續可繼續跟蹤研究。