羅燕萍 李林林 饒美婉

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，510010，廣州∥第一作者，高級(jí)工程師）

從隧道通風(fēng)的角度出發(fā)，在城市軌道交通地下站加設(shè)屏蔽門，可將區(qū)間隧道內(nèi)的熱環(huán)境與車站站臺(tái)內(nèi)的空調(diào)環(huán)境在物理上分隔開，將列車運(yùn)行所產(chǎn)生的大量熱量和活塞風(fēng)對(duì)站臺(tái)公共區(qū)環(huán)境的影響程度降至最低；其隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)亦相對(duì)獨(dú)立于車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)。

通常隧道通風(fēng)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中會(huì)提供隧道內(nèi)的最大壓力，用以屏蔽門的強(qiáng)度設(shè)計(jì)。但根據(jù)廣州地鐵近年的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，隨著行車對(duì)數(shù)的不斷加密，僅提供用以強(qiáng)度設(shè)計(jì)的風(fēng)壓已無法滿足實(shí)際的運(yùn)營(yíng)需要，當(dāng)行車密度達(dá)到一定密度時(shí)，隧道的壓力變化將會(huì)影響屏蔽門的關(guān)門力。具體表現(xiàn)為：當(dāng)車站后方區(qū)間有列車運(yùn)行且靠近車站時(shí)，車站內(nèi)的屏蔽門關(guān)門受阻，導(dǎo)致停站列車無法按計(jì)劃發(fā)車，進(jìn)而影響正常運(yùn)營(yíng)。

本文針對(duì)屏蔽門制式下隧道風(fēng)壓對(duì)屏蔽門關(guān)門力的影響，從活塞風(fēng)井設(shè)置的情況，對(duì)正常運(yùn)行工況下隧道內(nèi)的壓力進(jìn)行模擬計(jì)算分析；并結(jié)合列車位置分析了一種高密度行車時(shí)高峰運(yùn)營(yíng)工況下的隧道內(nèi)壓力分布及其對(duì)屏蔽門開關(guān)力的影響，同時(shí)給出了建議解決方案。

1 隧道壓力模擬計(jì)算模型

本文采用SES軟件、選取不帶配線的典型區(qū)間進(jìn)行模擬計(jì)算分析。模擬計(jì)算節(jié)點(diǎn)圖見圖1。

模擬計(jì)算邊界條件：列車速度為80km／h，雙活塞系統(tǒng)風(fēng)井面積為16m2，單活塞系統(tǒng)風(fēng)井面積為25m2，該區(qū)間站間距為1187m。本模型中，活塞風(fēng)井距離車站有效站臺(tái)端頭按20m考慮，使風(fēng)井節(jié)點(diǎn)的壓力更接近有效站臺(tái)端頭處屏蔽門的壓力狀態(tài)。

單、雙活塞系統(tǒng)圖如圖2及圖3所示。

2 各工況隧道壓力模擬計(jì)算結(jié)果分析

工況一：正常運(yùn)行工況，區(qū)間運(yùn)行列車的前方車站無列車停靠。在該工況下，對(duì)單、雙活塞系統(tǒng)的隧道壓力進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果如圖4所示。可見，雙活塞系統(tǒng)隧道內(nèi)壓力變化范圍為－216～94Pa，單活塞隧道內(nèi)壓力變化范圍為－275～98Pa。單活塞隧道較雙活塞隧道負(fù)壓增加60Pa。

工況二：高密度行車時(shí)高峰運(yùn)行工況，站內(nèi)有車，且后方車站列車發(fā)車進(jìn)入?yún)^(qū)間。當(dāng)高峰時(shí)期加開小交路時(shí)，可能存在站內(nèi)有車且后方車站列車發(fā)車進(jìn)入?yún)^(qū)間的情況。對(duì)此工況下隧道的壓力進(jìn)行模擬計(jì)算。為了形成前方車站停車、后方區(qū)間行車的情況，模擬計(jì)算中車站1停站時(shí)間設(shè)置為10s。車站2停站時(shí)間設(shè)置為100s。各主要時(shí)刻列車位置見圖5和圖6。其中，圖6中列車1距車站2的距離為190m。計(jì)算結(jié)果如圖7所示。由圖7可見，工況二下雙活塞隧道內(nèi)的負(fù)壓最小至－405Pa，較工況一增加－189Pa；單活塞隧道內(nèi)的負(fù)壓最小至－546 Pa，較工況一增加－271Pa；工況二的情況發(fā)生時(shí)對(duì)車站隧道內(nèi)壓力變化影響較大，對(duì)單活塞系統(tǒng)的影響更大。

圖4 工況一下單、雙活塞系統(tǒng)隧道壓力計(jì)算結(jié)果

本文研究了單活塞系統(tǒng)在工況二時(shí)隧道內(nèi)壓力較高情況下的應(yīng)對(duì)方案。

圖5 時(shí)刻1列車位置

圖6 時(shí)刻2列車位置

圖7 站內(nèi)有車后車從后站發(fā)車工況計(jì)算結(jié)果

3 應(yīng)對(duì)方案

根據(jù)模擬結(jié)果，單活塞系統(tǒng)在工況二下隧道內(nèi)壓力超過500Pa。為緩解此壓力對(duì)屏蔽門的沖擊，在現(xiàn)有隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置形式不變的情況下，提出三種解決方案：開啟進(jìn)站端隧道通風(fēng)系統(tǒng)左右線連通風(fēng)閥；開啟出站端隧道通風(fēng)系統(tǒng)左右線連通風(fēng)閥；開啟進(jìn)、出站端隧道通風(fēng)系統(tǒng)左右線連通風(fēng)閥。三種方案均是將左右線連通，只是連通的位置及數(shù)量不同。其示意圖及計(jì)算結(jié)果如圖8～10所示。

根據(jù)圖11，進(jìn)站端左右線連通時(shí)的壓力與不連通相當(dāng)，偏差只有3Pa；出站端左右線連通時(shí)與進(jìn)出站端左右線同時(shí)連通的壓力相當(dāng)，較不連通情況分別降低了155Pa與132Pa。其中進(jìn)出站端左右線同時(shí)連通的情況與雙活塞系統(tǒng)相當(dāng)，壓力均在－400Pa以內(nèi)。

圖8 方案一（進(jìn)站端連通）示意圖

圖11 三種方案的壓力計(jì)算結(jié)果

針對(duì)進(jìn)站端左右線連通壓力變化緩解效果不明顯的情況，特別核查了計(jì)算過程中對(duì)側(cè)隧道的行車情況，發(fā)現(xiàn)對(duì)側(cè)站臺(tái)的列車正好從車站發(fā)出駛向下一車站。此過程中進(jìn)站端風(fēng)井相當(dāng)于對(duì)側(cè)隧道出站端風(fēng)井，由于出站的活塞作用較進(jìn)站的強(qiáng)，對(duì)側(cè)隧道列車的運(yùn)行影響了本側(cè)隧道的壓力，故對(duì)本側(cè)隧道的減壓作用不明顯。相比之下，列車出站運(yùn)動(dòng)對(duì)進(jìn)站端活塞風(fēng)井的影響較弱，出站端左右線連通的效果較明顯。

由計(jì)算結(jié)果可見，采用連通左右線隧道作為壓力緩解措施效果明顯，但受對(duì)側(cè)隧道列車運(yùn)行情況的影響較大。雖然對(duì)側(cè)列車的位置與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)存在一定的不確定性，但一般不可能在同一座車站同時(shí)有兩列車分別進(jìn)、出站，因此，對(duì)于單活塞系統(tǒng)，建議采用同時(shí)連通車站兩端活塞風(fēng)道的措施，以降低屏蔽門的背壓。

4 隧道內(nèi)風(fēng)壓對(duì)屏蔽門接口的影響

地下車站內(nèi)的風(fēng)壓是屏蔽門專業(yè)設(shè)計(jì)的主要參數(shù)，此外還包括門體強(qiáng)度和關(guān)門力的接口內(nèi)容。

1）門體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算。在一定風(fēng)壓作用下，屏蔽門門體的變形量不應(yīng)大于10～15mm。此時(shí)，風(fēng)壓值一般以考慮列車全速越站的最不利工況并附加一定的安全余量計(jì)算確定。在6節(jié)編組的情況下，對(duì)于80km／h的最高運(yùn)行速度，屏蔽門門體的承壓要求大多在1500～1800Pa。

2）門體結(jié)構(gòu)疲勞應(yīng)力計(jì)算。正常運(yùn)營(yíng)工況下，風(fēng)壓是屏蔽門門體結(jié)構(gòu)疲勞應(yīng)力計(jì)算的依據(jù)。此時(shí)，風(fēng)壓數(shù)值一般考慮正常運(yùn)營(yíng)情況下的風(fēng)壓值并附加一定的安全余量進(jìn)行確定。在以往的設(shè)計(jì)中，并沒有對(duì)屏蔽門正常開／關(guān)過程中需承受的壓力提出明確要求，因此屏蔽門電機(jī)輸出力矩的設(shè)定僅考慮克服無風(fēng)壓（或風(fēng)壓很?。┣闆r下門體運(yùn)行產(chǎn)生的摩擦力加關(guān)門力。CJJ 183—2012《城市軌道交通站臺(tái)屏蔽門系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定屏蔽門的關(guān)門力不大于150N。各廠家在實(shí)際設(shè)定中，單扇門的關(guān)門行程為1000mm，當(dāng)滑動(dòng)門在100～1000mm行程勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，關(guān)門力按照約100N設(shè)定；在100mm行程以內(nèi)時(shí)，為保證關(guān)門的平穩(wěn)性，關(guān)門力按照約60N設(shè)定。

當(dāng)列車高密度運(yùn)行時(shí)，如后方區(qū)間有列車運(yùn)行靠近，個(gè)別屏蔽門（尤其是靠近列車尾部端頭處）承受的滑動(dòng)摩擦力急劇增加，超出了原設(shè)定的關(guān)門力（特別是滑動(dòng)門行程在100mm范圍內(nèi)），導(dǎo)致屏蔽門無法正常關(guān)閉，列車不能按時(shí)發(fā)車而引起阻塞。

因此，在對(duì)屏蔽門整體結(jié)構(gòu)提出最大承壓接口要求的同時(shí)，補(bǔ)充對(duì)屏蔽門在正常開關(guān)過程中的承壓接口要求。通過上述計(jì)算分析，在采取一定措施的情況下，可將屏蔽門的計(jì)算承壓值控制在400Pa以內(nèi)。考慮到風(fēng)壓隨著列車位置的不同而不同，對(duì)于計(jì)算結(jié)果還需考慮1.1～1.2倍的安全系數(shù)，因此風(fēng)壓值可控制在450～490Pa之間。為此，建議對(duì)屏蔽門的承壓要求設(shè)為±500Pa，并關(guān)注以下2個(gè)問題：

（1）屏蔽門設(shè)計(jì)。當(dāng)500Pa的風(fēng)壓作用在屏蔽門滑動(dòng)門上時(shí)，對(duì)現(xiàn)有的屏蔽門裝置而言，增加了下部導(dǎo)軌的摩擦力；若滑動(dòng)摩擦系數(shù)按0.15考慮，則相當(dāng)于增加了約160N的摩擦力。由于風(fēng)壓并不是恒定值，故額外增加的0～160N是變化摩擦力。為保證屏蔽門關(guān)閉且鎖緊，同時(shí)不夾傷乘客，設(shè)計(jì)時(shí)可通過改變屏蔽門運(yùn)行結(jié)構(gòu)來降低摩擦系數(shù)，弱化風(fēng)壓變化對(duì)摩擦力的影響；或者在現(xiàn)有運(yùn)行結(jié)構(gòu)不變的情況下，通過控制系統(tǒng)來判斷摩擦力的變化，進(jìn)而控制電機(jī)的輸出力。

（2）隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。雖然±500Pa為隧道通風(fēng)系統(tǒng)在一定設(shè)計(jì)條件下的可控范圍，但當(dāng)列車速度超過100km／h，或者活塞風(fēng)井設(shè)置位置遠(yuǎn)離車站有效站臺(tái)端頭時(shí)，隧道通風(fēng)系統(tǒng)還應(yīng)根據(jù)工程具體情況進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，采取其它壓力緩解措施，或與屏蔽門專業(yè)協(xié)調(diào)承壓標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)語

綜上，活塞風(fēng)井?dāng)?shù)量對(duì)隧道壓力影響較大，當(dāng)行車密度加大時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)站內(nèi)有車?？浚蠓絽^(qū)間有車運(yùn)行的情況。在此工況下，隧道內(nèi)壓力變化較大，尤其是單活塞系統(tǒng)，最小瞬時(shí)壓力將超過－500 Pa，影響車站屏蔽門的正常關(guān)閉，進(jìn)而影響全線的列車運(yùn)營(yíng)。此時(shí)可考慮同時(shí)連通進(jìn)、出站端左右線隧道進(jìn)行緩解。

對(duì)于車站隧道的壓力控制而言，隧道通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)盡量采用雙活塞系統(tǒng)并使風(fēng)井盡量靠近有效端頭布置；同時(shí)，需向屏蔽門專業(yè)提供隧道內(nèi)正常運(yùn)行工況的壓力情況，明確屏蔽門正常開關(guān)門過程中的背壓要求，保證高密度行車時(shí)屏蔽門關(guān)門力的有效設(shè)置，提高正常運(yùn)營(yíng)的安全性。

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