京张高铁八达岭隧道及地下站活塞风效应研究

闫树龙,叶 雷,杨启凡,余 涛

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055；2.西南交通大学机械工程学院,成都 610031)

1 概述

近年来，我国高速铁路迅猛发展，截至2018年底，中国高铁营业里程达到2.9万km以上，高速铁路营业里程居全球第一，超过世界高铁总里程的2/3。由于地理条件和城市空间的限制，地下隧道和地下车站在高铁建设中也越来越普遍。列车在隧道中高速行驶时会产生明显的活塞风效应，隧道内的活塞风过大会影响列车运行和设备的安全性[1]。地下车站采用安全门时，车站轨行区与站台、站厅公共区直接相连，列车高速运行的活塞风会进入站台和车站内公共区，影响公共区空调系统负荷及人行通道内人员的舒适性和安全性。目前多数学者对地铁[2-6]、城际铁路[7-9]和高速铁路[10-12]隧道内的速度场、活塞风特性及影响因素进行了分析，并对明线列车风对车站流场和安全舒适性的影响等[13-14]进行了研究，但关于高铁地下车站通风方面的研究极少。特别是采用半高安全门时，连接车站站台与站厅、站厅与出入口的车站人行通道，其面积通常较小，通道内风速高，对该风速缺乏相关研究。

针对京张高速铁路八达岭隧道及地下车站，建立一维通风网络模型，对高速列车正常运行时产生的活塞风效应进行模拟计算，研究车站人行通道内的活塞风特性，评估通道内人员的安全性，为类似高速铁路地下车站的环控系统设计提供技术参考和数据支持。

2 计算模型和计算方法

2.1 工程概况

京张高铁八达岭区间隧道长12.01 km，车站中心处线路埋深约102.6 m，距离北京方向的出口8.8 km，距离张家口方向的出口3.2 km。站内设置了4条线路，分别为2条正线和2条到发线，到发线有效长度650 m。车站有效站台长450 m，站台边装有1.5 m高安全门，车站总长470 m。在有效站台范围内，正线采用隔墙与站台隔开。车站每侧站台设2个进站口到达进站通道层，2个出站口到达出站通道层，如图1所示。进站通道层与地面站房地下一层相接，出站通道层与地面站房地面层相接，进出站通道层设置自动扶梯、斜行电梯用于客流通行。因车站并未设置列车活塞风泄压通道，地下站连接地面站房的进出站斜行通道自然成为泄压通路。此外，救援通道也用于泄压通风。

图1 八达岭地下站示意

2.2 一维数值计算方法及验证

一维数值模拟计算方法在常规地铁环控系统模拟中普遍使用，其准确性也得到了其他模拟方法和实测的验证。八达岭隧道的形式较常规地铁隧道有所差别，特别是在大小里程端单洞双线区间结束段与车站隧道连接的咽喉区段，该区段大断面多且断面面积不断变化，断面压力分布不均且气流流动复杂。这种一变三的隧道断面模式，咽喉区的气流流量分配关系到车站2条到发线和中间正线的活塞风量大小，而到发线又与站台连通，因此咽喉区的空气流动直接影响到进出站斜行通道内的风速和人员安全。

为了验证一维数值计算方法在预测隧道一变三时气流分配的准确性，首先建立了车站和前后区间隧道的一维和三维数值计算模型，并对隧道内列车运行时的气流分布进行了对比分析。三维数值模拟需要较长的计算时间，只建立了车站轨行区、咽喉区和前后部分区间隧道的模型，模型的基本尺寸如图2所示。建模时虽然车站两端的区间隧道长度小于实际工程，但该三维计算模型仅用于验证一维数值方法预测咽喉区气流分布和通道风速的准确性，验证后的一维数值方法将用于实际工程全线通风模型的计算，因此简化的三维模型对后面的模拟结论无影响。模型中，正线隧道总长2 365 m，面积91 m2，车站轨行区隧道面积98 m2，通道面积56 m2。采用三维数值模拟软件STAR-CCM+建模计算，模型如图3、图4所示，对应建立的一维模型如图5所示。

图2 模型基本尺寸(单位：m)

图3 三维数值模型

图4 三维列车模型

采用STAR-CCM+的动网格模型进行计算，列车在车尾离隧道入口50 m处以60 m/s的速度从正线越行。一维和三维数值模拟计算结果的对比见图6和图7，两种方法计算得出的各位置风速变化趋势基本一致。图6中，在车进入车站前，一维数值计算方法得出的风速值偏大一些，主要由于三维数值计算中列车以较高初速度开始运行时三维效应不可忽略，但随着列车离站越来越近，通道内风速随之升高，一维和三维方法的误差也在减小。在15 s时，列车进入到咽喉区位置，此时一维和三维方法都出现最大值，三维计算出的通道内最大风速可达1.74 m/s，而采用一维方法计算出的最大风速为1.83 m/s，两者相对误差不到10%。15～20 s，三维计算的风速突然下降，主要是因为列车在咽喉区运行时复杂的三维效应。20 s后，列车离开咽喉区开始在车站正线越行，此时一维和三维方法计算得出的风速基本一致。图7的站台风速有类似规律。从列车运行时一维和三维数值模拟计算结果的对比来看，一维数值模拟方法能有效预测通道内风速变化。

图5 一维通风网络模型

图6 一维和三维通道内风速对比

图7 一维和三维站台风速对比

2.3 一维数值计算模型和计算条件

针对京张高铁八达岭区间隧道和地下车站的物理模型，采用验证后的一维数值模拟方法研究地下车站通道内的活塞风效应，建立的一维通风网络模型的节点如图8所示。

隧道通风室外空气计算温度采用夏季近20年最热月月平均温度的平均值，本文取室外空气计算温度29.9 ℃。根据设计方案，该线路设计以跑行标准动车组为主，考虑8辆和16辆编组混跑，列车总长为8辆编组201 m、16辆编组402 m，列车车身截面积11.2 m2。列车在隧道外最高运行速度350 km/h，隧道内越站最高运行速度250 km/h。考虑隧道内列车限速，北京方向的大里程端限速200 km/h，张家口方向的小里程端限速250 km/h。

图8 一维通风网络节点

3 计算结果及分析

本次模拟计算全线按八达岭地下站客流量预测数据的远期晚高峰小时的长城站客流量，发车按每小时12对列车考虑，对八达岭区间隧道及地下车站的温度、风量、人行通道风速等进行了模拟计算分析。重点分析人行通道内的风速结果，并对人员安全进行评估。

3.1 人行通道瞬时风速

站台半高安全门制式下，按开启所有通道进行通风泄压计算，对计算数据进行分析，取1 800 s内的出站通道逐时风速数据，并重点分析速度最大正值和最大负值出现的原因。图9给出了2种工况下的逐时速度变化，正值和负值交替出现。8对16辆编组(2对越行)、4对8辆编组混跑时，进站通道最高瞬时风速7.9 m/s，出站通道最高瞬时风速8.3 m/s；12对全部由16辆编组(2对越行)运行时，进站通道最高瞬时风速7.9 m/s，出站通道最高瞬时风速8.3 m/s。

图9 逐时速度变化曲线

对图9中的每个风速较大值出现时刻的列车运行状况进行分析，并以每个点高于5 m/s的风速的时间来计量高风速的持续时间，分析结果如下。

(1)在风速1点时，隧道内有4列车，大里程端内1列车以全速200 km/h进站，1列车以全速200 km/h出站；小里程端内1列车减速进站，另1列车全速出站，4车综合作用在车站形成为负压，使得出站通道内的速度呈现负值，最大负值为5.5 m/s。从计算结果来看两个区间内都有列车会车，这时的活塞风压是减弱的，全16辆运行时速度偏小，主要是负压相对较小。该风速大于5 m/s的持续时间约10 s。

(2)在风速2点时，隧道内有2列车，一列在大里程端内以全速200 km/h向车站运行，另一列在车站停车，2车在车站引起正压，此时的通道内风速并不大，最大值仅为2.4 m/s。

(3)在风速3点时，隧道内有2列车，在大里程端内的一列车以全速200 km/h离开车站，车头位置在洞口附近，在小里程端内的另一列车以全速250 km/h离开车站，车头同样在洞口附近位置，这时使得出站内出现最大负压，通道内的速度呈现最大负值，为-8.3 m/s。该风速大于5 m/s的持续时间约70 s。

(4)在风速4点时，隧道内有2列车，一列在大里程端内以全速200 km/h往车站内运行，另一列在小里程端内减速进站，两车相互作用在车站形成正压，使得出站通道内速度呈现较大正值4.5 m/s。

(5)在风速5点时，与1点的情况完全类似，隧道内有4列车，大里程端内一列车以全速200 km/h进站，一列车以全速200 km/h出站；小里程端内一列车减速进站，另一列车全速出站，4车综合作用在车站形成为负压，使得出站通道内的速度呈现负值5.4 m/s。同样，该风速大于5 m/s的持续时间是10 s左右。

从以上瞬时风速与列车运行位置的分析来看，出站通道内的瞬时风速大小与列车运行位置和方向密切相关，在大小里程隧道内均有列车时容易出现峰值，在两区间隧道内列车向相反方向运行(均出站)时产生负压作用，引起风速较大负值；在两区间隧道内列车向相同方向运行(均进站)时产生正压作用，引起风速较大正值；当车站内有列车停靠时，风速可能会进一步加大。最大负压的工况已经出现，最大正压的最不利工况在后面的会车工况中需要进一步分析。

3.2 单车越行与隧道会车工况

进一步对八达岭隧道单车越行和两车会车工况进行模拟分析。

3.2.1 单车越行

根据行车数据，北京方向的大里程端限速200 km/h，张家口方向小里程端限速250 km/h。按发车密度6对/h计，可实现整个隧道内只有单车越行，考虑列车分别从北京和张家口方向越行，模拟结果见表1。由表1可知，单车越行时进出站通道风速并不高，最大值仅4.6 m/s，出现在16辆编组车越行时。从逐时数据来看，单车越行风速最大正值出现在列车到达车站咽喉区位置时，最大负值出现在离站到达另一端隧道出口时。

表1 单车越行最大风速模拟计算结果 m/s

3.2.2 车站中部会车

考虑列车均进入隧道并在车站中间位置会车，通道内风速模拟结果见表2。通道内风速相比于单车越行工况，有明显增大，最大值可达7.6 m/s。对列车运行位置和逐时风速进行分析，发现对于中部会车工况，进隧道时一车先进，出隧道时一车先出；最大正值在会车前两车正好到达两端的咽喉区位置时产生，最大负值在一车将出隧道洞口，另一车在另一区间中部时产生。

表2 车站中部会车最大风速模拟计算结果 m/s

3.2.3 距车站1.5 km会车

进一步考虑列车均进入隧道在大里程端距车站1.5 km位置处会车，通道内风速模拟结果见表3。通道内风速稍小于车站中部会车工况，最大值可达7.3 m/s。

表3 距车站1.5 km会车最大风速模拟计算结果 m/s

3.2.4 咽喉区会车

进一步考虑列车在车站起点的咽喉区位置处会车，通道内风速模拟结果见表4。

表4 咽喉区会车最大风速模拟计算结果 m/s

通道内风速与车站中部会车工况基本相同，最大值可达7.5 m/s。对逐时风速进行分析，发现对于咽喉区会车工况最大正值在两车刚好靠近两端咽喉区位置时产生，最大负值在一车将出隧道洞口，另一车在另一区间中部时产生。

3.3 人员安全性评估

评估列车运行产生的活塞风对人员安全的影响，需要先确定风速控制标准。目前国内外并没有统一的风速控制标准，只有针对铁路隧道和站台公共区的气动荷载标准、风速标准或安全距离标准，以及敞开区域人员安全风速的研究[15-20]。通过对各类标准和文献的调研发现，目前并没有针对站台与站厅连接的人行通道安全风速标准，但通过参考距离列车一定距离外的人员安全风速和敞开区域中人员安全风速，基本可以认为在6 m/s以下对乘客而言是舒适的，行动不会受到影响；6～9 m/s内部分人员会表现出不舒适，出现按衣裙以防“吹裙”等反应；9～11 m/s内部分人员行动可能受到影响，但不会摔倒；11 m/s以上乘客受影响大，可能行走困难，有一定摔倒风险。

本模拟计算得出的通道内最大风速8.3 m/s，在安全范围内，只是部分人员会感觉不舒适。

4 结论

通过对京张高铁八达岭隧道及地下车站内的活塞风进行一维数值模拟计算分析，得到如下结论。

(1)站台采用半高安全门时，由于隧道与站台、站厅及人行通道直接相通，列车运行时产生的活塞效应直接影响公共区气流，远期正常运行在隧道内有会车时进出站通道内风速最高可达8.3 m/s，类似设计车站应充分考虑此种影响。

(2)人行通道内风速最大负值出现在两个区间分别有列车往隧道外以最大速度行驶且两车位置位于洞口时，风速最大正值出现在两个区间分别有列车往车站内以较大速度行驶且在车站附近会车时。

(3)单车越行时，通道内风速并不高，16辆编组的车产生最大风速值4.6 m/s，在完全可接受的范围内；在隧道内不同位置会车时出现较大风速，最大7.6 m/s出现在中部会车时。

(4)从已有的风速标准和研究成果来看，风速在9 m/s以内基本可以认为是安全的，本模拟计算得出的人行通道内最大风速8.3 m/s，进出站人员短暂通行是安全的。