柳潤東，邢 星，潘永琛，劉蘭華，李晏良

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081）

0 引言

在現(xiàn)代城市空間建設(shè)過程中，地下空間的開發(fā)與利用十分重要，伴隨我國高速鐵路的大規(guī)模建設(shè)，地下高鐵站的應(yīng)用案例也越來越多。我國目前已經(jīng)建成多座地下高鐵站，如深圳福田站、天津于家堡站、成都雙流機(jī)場站、八達(dá)嶺長城站、北京新機(jī)場站、長沙樹木嶺站、?？诿捞m站等。高速列車通過地下高鐵站時(shí)與高速列車進(jìn)入隧道的氣動(dòng)效應(yīng)有一定的相似性，會(huì)在車站內(nèi)產(chǎn)生空氣壓力波，這種壓力波動(dòng)相當(dāng)于氣動(dòng)荷載作用在襯砌結(jié)構(gòu)和車站內(nèi)各種設(shè)備上，對(duì)其疲勞耐久性產(chǎn)生影響。列車氣動(dòng)荷載對(duì)隧道與地下車站內(nèi)的環(huán)境及運(yùn)營安全有著重要的影響。列車風(fēng)不但會(huì)將區(qū)間隧道中的大量空氣帶到前一地下車站，而且還能將后面地下車站內(nèi)的大量空氣吸到區(qū)間隧道中，從而對(duì)地下車站的氣動(dòng)環(huán)境產(chǎn)生影響；在地下高鐵站內(nèi)，通過列車的車速高，列車氣動(dòng)荷載也會(huì)相當(dāng)明顯。當(dāng)列車在梁板結(jié)構(gòu)地下站場運(yùn)行時(shí)，對(duì)旅客和站場結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)力一般比明線過站時(shí)氣動(dòng)力高一個(gè)量級(jí)以上，并且存在壓縮波與膨脹波的交叉?zhèn)鞑ァ⒎瓷?，疊加后的沖擊壓力荷載對(duì)砌體隔墻等車站內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響更大，列車風(fēng)致振動(dòng)在結(jié)構(gòu)整體振動(dòng)響應(yīng)所占的比例變得越來越高。

列車從區(qū)間隧道高速駛?cè)氲叵萝囌緯r(shí)，由于對(duì)隧道內(nèi)空氣的擠壓，在隧道與車站的交界面處會(huì)形成微氣壓波，此氣動(dòng)效應(yīng)既不同于明線運(yùn)行工況，也不同于隧道洞口工況，與隧道活塞風(fēng)井設(shè)置、隧道-車站過渡段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、列車車型、車速等因素密切相關(guān)，雖然國內(nèi)對(duì)隧道微氣壓波進(jìn)行了大量研究，但對(duì)地下高鐵站的研究成果較為匱乏。

國外方面，日本學(xué)者最早利用一維假設(shè)建立了隧道壓力波的一維流動(dòng)理論和特征線求解方法。MIYA‐CHI T 等[1]通過列車動(dòng)模型試驗(yàn)研究了列車通過隧道時(shí)的微氣壓波特性及減緩列車微氣壓波的工程措施；KU Y C 等[2]研究了列車鼻錐形狀與微氣壓之間的關(guān)系，認(rèn)為列車外形截面的優(yōu)化可以降低對(duì)隧道及地下結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)效應(yīng)。國內(nèi)近年來在地下高鐵站氣動(dòng)效應(yīng)領(lǐng)域開展了一定的研究，顏峰等[3]通過仿真分析等手段對(duì)北京大興機(jī)場站的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了分析研究，重點(diǎn)研究了列車輪軌激勵(lì)振動(dòng)和風(fēng)致振動(dòng)各自造成的振動(dòng)影響，研究結(jié)果表明，當(dāng)列車高速通過梁板結(jié)構(gòu)地下站場形式的封閉空間時(shí)，列車風(fēng)致振動(dòng)誘發(fā)的結(jié)構(gòu)物振動(dòng)響應(yīng)明顯；馬福東等[4]對(duì)京張高速鐵路八達(dá)嶺站的氣動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行了模擬分析，對(duì)車站站臺(tái)的安全門設(shè)置退臺(tái)距離及站內(nèi)各通道之間的影響進(jìn)行了分析討論，對(duì)列車通過地下高鐵站誘發(fā)站內(nèi)氣動(dòng)效應(yīng)的不同階段進(jìn)行了研究；李科等[5]對(duì)北京城際聯(lián)絡(luò)線車站的氣動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行了研究，通過對(duì)比門體退臺(tái)安裝距離分析了列車氣動(dòng)荷載特性對(duì)車站結(jié)構(gòu)物的影響，認(rèn)為基于列車氣動(dòng)效設(shè)置合理的站臺(tái)門退臺(tái)距離應(yīng)成為地下車站的一項(xiàng)研究內(nèi)容；韓華軒等[6]對(duì)地下車站及連接隧道綜合形成的站內(nèi)壓力波動(dòng)進(jìn)行了研究分析，認(rèn)為地下車站結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是擴(kuò)大斷面的隧道結(jié)構(gòu)，隧道長度對(duì)車站內(nèi)瞬變壓力的氣動(dòng)效應(yīng)是不容忽視的。

地下高鐵站由于空間相對(duì)密閉，列車高速通過時(shí)，車頭車尾攜帶的4 個(gè)壓力波直接作用于臨軌道砌體墻表面，并在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生2 次壓力換向；為緩解車站活塞風(fēng)效應(yīng)，在站臺(tái)兩側(cè)通常設(shè)置了活塞風(fēng)井，列車產(chǎn)生的微氣壓波及自身攜帶的風(fēng)壓通過活塞風(fēng)井同樣直接作用到上層砌體墻表面；地下車站通常還在站臺(tái)設(shè)置屏蔽門，在列車氣動(dòng)荷載及振動(dòng)反復(fù)作用下，結(jié)構(gòu)物可能產(chǎn)生裂縫及晃動(dòng)，但目前對(duì)地下高鐵站內(nèi)的列車氣動(dòng)荷載作用特性及分布規(guī)律并不明晰，本文結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)開展了地下高鐵站內(nèi)列車氣動(dòng)荷載特性的試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)測試概況

1.1 測試車站簡介

測試車站是某城際鐵路的一個(gè)地下車站，屬于區(qū)間地下車站，總建筑面積26 918.8 m2，站臺(tái)采用全封閉屏蔽門結(jié)構(gòu)，在站臺(tái)兩端設(shè)有2 處活塞風(fēng)井，其隧道-車站過渡斷面截面變化明顯，在此斷面可同時(shí)測試隧道壁面與車站結(jié)構(gòu)壁面上同高度位置處的列車風(fēng)壓值，獲得列車氣動(dòng)荷載在隧道-車站突擴(kuò)斷面處的變化規(guī)律，其活塞風(fēng)井設(shè)置在2 條軌道線中間，相當(dāng)于在列車側(cè)面進(jìn)行了活塞風(fēng)泄壓，其屏蔽門設(shè)置在車站結(jié)構(gòu)柱外側(cè)，結(jié)構(gòu)柱的存在會(huì)影響列車的氣動(dòng)荷載分布特性，由于屏蔽門是整體貫通的，結(jié)構(gòu)柱的存在有可能導(dǎo)致屏蔽門表面的列車風(fēng)壓發(fā)生變化。該車站主要測點(diǎn)位置如圖1所示。

圖1 車站測點(diǎn)位置

1.2 測試方法

通過便攜式打磨機(jī)對(duì)粘貼風(fēng)壓傳感器安裝位置進(jìn)行打磨，打磨尺寸不小于8 cm×4 cm，形成光滑平面，安裝好風(fēng)壓傳感器，通過設(shè)置觸發(fā)參數(shù)自動(dòng)獲取列車通過時(shí)的風(fēng)壓信號(hào)。

1.3 測試概況

列車氣動(dòng)荷載測試主要目的是得到隧道-車站典型結(jié)構(gòu)物表面的列車風(fēng)壓特性，主要包括隧道-車站交界面處列車風(fēng)壓特性、正線軌旁砌體隔墻表面列車風(fēng)壓特性及正線屏蔽門表面列車風(fēng)壓特性。同時(shí)，結(jié)合車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、典型結(jié)構(gòu)物分布及振動(dòng)源強(qiáng)測點(diǎn)進(jìn)行測試點(diǎn)位選取。由于列車進(jìn)入車站與離開車站對(duì)站內(nèi)結(jié)構(gòu)物所產(chǎn)生的氣動(dòng)荷載并不明晰，故需對(duì)車站兩側(cè)軌旁砌體墻、隧道壁均進(jìn)行測試，測試工況如表1所示。

表1 列車風(fēng)壓測試內(nèi)容

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 列車風(fēng)壓時(shí)域特性

沿地下高鐵車站，在隧道壁表面、進(jìn)站砌體墻表面、屏蔽門立柱、站臺(tái)結(jié)構(gòu)柱及出站砌體墻表面布設(shè)了風(fēng)壓傳感器，測試列車進(jìn)站對(duì)結(jié)構(gòu)表面形成的氣動(dòng)荷載特性，分別得出不同測點(diǎn)位置處的典型風(fēng)壓時(shí)程曲線，如圖2所示。

由圖2 可知，在測點(diǎn)位置處，捕捉到了2 個(gè)列車的氣動(dòng)沖擊信號(hào)，其中后一波為列車車體所攜帶的膨脹波及壓縮波的作用結(jié)果，而在列車到達(dá)測點(diǎn)位置之前，已經(jīng)出現(xiàn)一個(gè)先正壓后負(fù)壓的壓力變化信號(hào)，根據(jù)列車運(yùn)行速度及2 個(gè)氣動(dòng)沖擊信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間差計(jì)算可知，第一個(gè)壓力信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)刻，基本與列車進(jìn)入隧道洞口的時(shí)刻較為接近。由此可知，當(dāng)列車由明線運(yùn)行至進(jìn)入隧道區(qū)間的瞬間，在隧道入口形成的壓縮波及列車車尾進(jìn)入隧道瞬間形成的膨脹波，將會(huì)以聲速向前傳播至測試斷面，形成第一段風(fēng)壓信號(hào)即列車微氣壓波信號(hào)，隨著列車?yán)^續(xù)前進(jìn)至測點(diǎn)附近，車身所攜帶的壓力波作用在風(fēng)壓傳感器表面形成車身風(fēng)壓主信號(hào)，其中，微氣壓波信號(hào)為先正壓后負(fù)壓，正壓值大于負(fù)壓值，而列車風(fēng)壓信號(hào)頭車正壓基本不明顯，呈現(xiàn)頭車信號(hào)負(fù)壓、尾車信號(hào)先負(fù)壓后正壓的變化趨勢(shì)，頭車負(fù)壓作用形成的壓力絕對(duì)值最大。

圖2 結(jié)構(gòu)物表面列車風(fēng)壓時(shí)程曲線

出站砌體墻與進(jìn)站砌體墻列車風(fēng)壓的波形結(jié)構(gòu)較為接近，首先采集到了列車在遠(yuǎn)端進(jìn)入隧道時(shí)產(chǎn)生的微氣壓的沖擊作用，峰值約50 Pa 左右，已經(jīng)小于隧道壁表面及進(jìn)站砌體墻表面的微氣壓波峰值，證明在進(jìn)站端活塞風(fēng)井及車站結(jié)構(gòu)變化的影響下，該微氣壓波的能量是逐漸衰減的，出站端砌體墻列車車身風(fēng)壓的波形結(jié)構(gòu)則與進(jìn)站端有一點(diǎn)明顯的區(qū)別，即列車到達(dá)測點(diǎn)位置之前，列車風(fēng)壓已經(jīng)傳遞到測點(diǎn)位置，隨后列車車體經(jīng)過測點(diǎn)時(shí)，再形成車身所攜帶的“正-負(fù)-負(fù)-正”的壓力波變化規(guī)律，在車體到達(dá)出站端測點(diǎn)位置之前的列車風(fēng)壓波形是由于列車從隧道進(jìn)入車站的過渡斷面截面形式突變形成的活塞效應(yīng)所導(dǎo)致。

2.2 地下車站列車風(fēng)壓極值

提取出不同斷面處的風(fēng)壓極值，如圖3 所示。在列車通過整個(gè)車站的過程中，最大正壓為143.1 Pa、出現(xiàn)在出站砌體墻0.5 m 高度位置處，負(fù)壓極值為-265.3 Pa、出現(xiàn)在隧道壁表面，而地下車站內(nèi)的負(fù)壓極值為-252.3 Pa，同樣出現(xiàn)在出站砌體墻0.5 m 高度位置處。由此可知，列車通過地下車站時(shí)，列車風(fēng)壓峰值出現(xiàn)在車站兩端，隧道壁表面風(fēng)壓由于其阻塞比較大，故風(fēng)壓絕對(duì)值最大，出隧道后，經(jīng)過活塞風(fēng)井墻斷面時(shí)，列車風(fēng)壓迅速降低，在進(jìn)站端砌體墻表面的列車風(fēng)壓處于較低水平，說明活塞風(fēng)井有效減緩了列車的氣動(dòng)效應(yīng)，但隨著列車進(jìn)入站臺(tái)區(qū)域，風(fēng)壓值卻逐漸增大，屏蔽門及結(jié)構(gòu)柱表面風(fēng)壓極值在170~190 Pa區(qū)間范圍，在出站砌體墻表面區(qū)域，列車風(fēng)壓接近隧道壁表面的風(fēng)壓值。

圖3 地下高鐵站列車風(fēng)壓分布

2.3 地下車站列車氣動(dòng)荷載分析

對(duì)高速列車從突入隧道至進(jìn)入車站再出站這一全過程分析可知，站內(nèi)壓力波動(dòng)的原因如下。

（1）由首波引起的站內(nèi)壓力波動(dòng)。在列車突入隧道時(shí)，列車前面的空氣將受到突然相對(duì)劇烈壓縮，在車頭前方會(huì)形成一個(gè)壓縮波，即首波壓縮波。當(dāng)列車尾端進(jìn)入隧道時(shí)，產(chǎn)生膨脹波并沿環(huán)狀空間傳播，加速環(huán)狀空間氣流向后運(yùn)動(dòng)，該膨脹波即首波車尾膨脹波。上述首波壓縮波和首波車尾膨脹波以聲速先后由隧道傳至地下車站，會(huì)引起站內(nèi)氣壓有一個(gè)先上升再下降的波動(dòng)。此壓縮及膨脹波能量小于車身所攜帶的壓力波能量，幅值約為車身壓力波的1/3左右。

（2）由列車進(jìn)站引起的站內(nèi)壓力波動(dòng)。高速列車經(jīng)過隧道內(nèi)某固定位置時(shí)，該位置的壓力將有一個(gè)急劇降低的過程，這一過程直到列車車尾經(jīng)過后才有所回升。當(dāng)列車從隧道-車站過渡斷面駛出后會(huì)經(jīng)過活塞風(fēng)井墻斷面，此斷面截面積遠(yuǎn)大于車后方隧道斷面及車前方的站臺(tái)斷面，活塞風(fēng)井的存在對(duì)列車氣動(dòng)荷載起到了減緩作用，故進(jìn)站砌體墻表面的列車風(fēng)壓小于其他位置。

（3）由列車通過車站引起的站內(nèi)壓力波動(dòng)。列車通過活塞風(fēng)井?dāng)嗝婧笤龠M(jìn)入車站站臺(tái)區(qū)間，在此過程中發(fā)生了類似列車進(jìn)入隧道洞口的氣動(dòng)效應(yīng)，并導(dǎo)致出站端的結(jié)構(gòu)物表面承受二次微氣壓波作用。列車車身通過結(jié)構(gòu)物時(shí)，車頭車尾攜帶的壓力波作用在結(jié)構(gòu)物表面，形成整個(gè)過程中的列車風(fēng)壓正負(fù)極值，并且出站端結(jié)構(gòu)表面的列車風(fēng)壓略大于進(jìn)站端，根據(jù)測試及仿真結(jié)果可知，整個(gè)過程中的最大風(fēng)壓極值發(fā)生在出站端，且在出站活塞風(fēng)井之前的區(qū)域處。

（4）由出站反射波引起的站內(nèi)壓力波動(dòng)。列車駛出車站的過程中，隨著列車通過活塞風(fēng)井墻斷面，并進(jìn)入隧道區(qū)間的整個(gè)過程，列車產(chǎn)生的壓力波主要向前方傳播，但也會(huì)帶動(dòng)后方車站內(nèi)的氣流向前，對(duì)整個(gè)車站形成負(fù)壓作用，引發(fā)結(jié)構(gòu)物表面的壓力波動(dòng)，但此壓力波能量相對(duì)較小。

3 結(jié)論

（1）列車由明線進(jìn)入隧道時(shí)，在列車前部形成壓縮波并以聲速傳播至前方地下車站形成微氣壓波，車身通過測點(diǎn)位置時(shí)產(chǎn)生正-負(fù)-負(fù)-正的氣動(dòng)效應(yīng)，并在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生換向。

（2）地下車站微氣壓波極值遠(yuǎn)小于列車自身攜帶的氣動(dòng)荷載，活塞風(fēng)井可有效降低進(jìn)站端砌體墻及站臺(tái)屏蔽門表面的列車風(fēng)壓。

（3）車站出站端結(jié)構(gòu)表面的氣動(dòng)荷載明顯大于進(jìn)站端，即正線通過的列車在進(jìn)入地下高鐵站站臺(tái)區(qū)域時(shí)形成了新的活塞效應(yīng)。