高速鐵路站臺列車風特性與人員安全性分析

彭立敏，劉 程，施成華，楊偉超，晏偉光

(中南大學 土木工程學院，湖南 長沙410075)

0 引言

最近幾年，我國大力發展客運專線以及高速鐵路，由于城市土地資源的有限，采用隧道穿越城區以及修建地下車站成了必然趨勢.

當列車以較高速度通過站臺(不停)時，所產生的空氣動力效應將會影響到車站內乘客以及作業人員的舒適性和周圍的生活環境，甚至會危及他們的安全.隨著列車速度的提高，這種空氣動力學效應會越來越顯著，目前針對列車高速通過地下車站時列車風的研究還比較少.

筆者采用數值模擬的方法，運用流體力學軟件Fluent對一CRH2型列車在高速鐵路雙線隧道內以時速200 km行駛(有一同類型列車停靠在車站內)通過站臺時的環境進行了模擬，并采用Tecplot后處理軟件對結果進行了分析與處理，分析了列車在雙線隧道內通過站臺時列車風的變化過程和分布特性，對站內人員的安全性進行了分析并提出了建議.

1 邊界條件和計算方法

1.1 邊界條件

以車站屋頂和邊墻作為計算流場邊界，列車與隧道之間的相對運動采用滑移網格技術處理.

1.2 計算方法

利用Fluent軟件求解非定常可壓縮流動的RANS方程和 Realiazable κ(湍動能)-ε(湍動耗散率)二方程湍流模型，對車站的列車風流場進行數值模擬.用有限體積法離散方程，動量、能量、κ和ε方程中的對流項采用一階迎風格式離散，擴散項采用中心差分格式離散.列車的運動使用Fluent的Profile文件進行控制.

2 計算模型及參數

2.1 模型

按照隧道設計斷面條件，建立1∶1的數值仿真模型，具體模型見圖1和圖2所示.

2.2 參數

基本計算參數如表1所示.

圖1 站臺模型圖Fig.1 Picture of station model

圖2 列車模型圖Fig.2 Picture of train model

表1 模型參數表Tab.1 Parameters of models

3 站臺列車風變化過程

依據文獻，日本以9 m/s風速作為站臺安全距離，英國以人體可承受11.1 m/s風速作為站臺安全距離，以16.9 m/s風速為作業安全距離［1］，國內目前還沒有這方面的標準，筆者建議對于站臺人員的最高避讓風速不能大于14 m/s［2］.

在車站內距進站口100 m處設置一分析點，該分析點高度為距站臺地面1.5 m，離運行列車壁1.1 m.列車從進站(t=0 s)到出站(t=4.68 s)的過程中列車風縱向和橫向的變化過程分別如圖3所示.

由圖3可知，(1)當列車經過分析點時，縱向風速波動較大.車頭經過分析點時，風速迅速增大至全程最大值，待車頭經過后，迅速恢復至環境風速，車尾經過分析點的情況與車頭類似.其中在t=1～2.3 s這段時間里，由于列車經過停靠列車，風速略有波動(對人員安全無影響，限于篇幅，不作詳細討論).(2)同樣地，列車經過測點時，橫向風速波動情況與縱向風速類似.(3)列車進站過程中縱向風速大約維持在2.5～12 m/s，橫向風速最大值大約為3.2 m/s，對人員安全無影響.

4 站臺列車風分布特性

4.1 縱向分布特性

列車由區間隧道進入車站，由于地下車站相對區間隧道而言是一個對斷面擴大很多的“大斷面隧道”，流場環境發生了較大變化，從而導致列車風的形態也有所變化.列車進入車站后站臺上1.5 m高處的水平面內列車風的流場風速分布如圖4所示(坐標單位均為m)，

圖3 分析點風速時程變化曲線Fig.3 The train wind speed time-history changing curve of the analyzed point

由圖4可知，(1)列車風主要出現在靠近列車附近，其它位置的列車風相對較小;列車風在縱向分布是不均勻的，其中在列車兩端附近列車風的峰值較大，車中的列車風峰值較小.(2)氣流從車頭流向車尾，車尾處出現渦流現象，這是由于列車行駛時帶動了活塞風，車頭處產生正壓，車尾處產生負壓的緣故.(3)近列車側的風速比遠列車側的風速略大一些，但不影響站臺人員的安全.

4.2 橫向分布特性

列車進入車站80 m時，列車頭部，中部以及尾部的橫向風速分布如圖5所示(坐標單位均為m)，

由圖5可知:(1)緊貼列車壁存在較薄的邊界層，在邊界層內風速梯度很大，趨近列車壁處風速與列車運行速度相同;(2)靠近運行列車一側的列車風風速較低，而遠離列車一側的列車風風速相對更低，其中列車尾部風速最大，屬于風速最不利位置，相對而言，更容易引起人員安全問題.(3)靠近運行列車一側站臺邊緣附近列車風最大風速約為10 m/s，遠離運行列車一側站臺邊緣附近列車風最大風速約為7 m/s，對人員安全無影響.

5 站臺內安全避讓距離判別

高速列車運行引起強烈列車風，列車風會對臨近線路人體產生氣動作用，可能威脅站臺上乘客和路邊作業人員的安全，確定站臺上乘客和作業人員的安全距離，是涉及高速鐵路建設和保障高速列車安全運行的一個重要問題.

通過對列車在站臺上到達不同位置時站臺內列車風縱向和橫向分布進行分析，得到CRH2型列車時速200 km條件下，根據筆者建議的14 m/s的站臺上列車風的人員安全避讓值，確定出站臺上人員安全避讓距離，如表2所示.

表2 站臺上人員安全避讓距離Tab.2 Safety of hazards distance of people on the platform

根據表2列車風的分布范圍擬合出隧道內疏散通道范圍內的安全避讓空間，如圖6所示.

由上可知，列車以時速200 km由雙線隧道過站的條件下，站臺人員最小安全避讓距離不小于1.73 m，由于筆者建議的14 m/s安全避讓值可能較高，為避免發生安全事故，應在危險范圍內予以警示，如標識安全線等，必要時可設置防護欄，屏蔽門等保護措施.

6 結論

筆者對一CRH2型列車在高速鐵路雙線隧道內以時速200 km行駛經過站臺時列車風的特性以及人員安全進行了分析.

圖6 站臺人員安全避讓距離示意圖Fig.6 Geological hazards distance schemes of personnel security on the platform

(1)列車經過站臺時，列車風速的波動較大，盡管未達到危險風速，仍應小心謹慎.

(2)緊貼列車壁的邊界層風速梯度很大，列車兩端風速較大，列車尾部會出現渦流現象，與實際情況相符.

(3)列車的尾部為風速最不利位置，因此車尾經過時要更加謹慎，注意安全.

(4)站臺的最小安全避讓距離為1.73 m，由于筆者建議的14 m/s安全避讓值可能較高，為確保人員的安全，應避免在危險范圍內活動，必要時應加設護欄或采取其它的保護措施.

(5)筆者只對時速為200 km時進行了分析，速度相對較小，不夠全面，可以再對時速分別為300 km和400 km時進行分析，從而對結果進一步研究與總結.

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