隧道中隔墙与砌筑小站台列车脉动风荷载研究

隧道中隔墙与砌筑小站台列车脉动风荷载研究
摘要：为了研究列车在隧道中和站台区域运行时的脉动风荷载，本文选取了青岛市地铁11
号线崂山隧道和2号线东韩车站作为研究对象，通过对隧道进出口区域、曲面区域、平直段
区域的中隔墙以及列车进出站区域砌筑墙的风荷载数据进行实时采集，研究结果表明，列车
进入隧道的过程，中隔墙上的压力会越来越大，距洞口60米位置的压力值为80Pa；列车沿
曲面内侧运动时，中隔墙上的最大正压为220Pa，最小负压-225Pa，当列车沿曲面外测运行时，中隔墙上的最小负压为-394Pa，最大正压180Pa；列车运动到平直段时，压力保持相对
稳定，最大正压160pa，最小负压-150Pa；列车在砌筑墙小站台运行时，压力较小，最大正
压17Pa，负压-7.5Pa，最后使用CFD数值模拟仿真平台对典型工况开展了数值模拟计算，结
果与实测数据基本吻合。

关键词：隧道中隔墙；砌筑小站台；脉动风荷载；数值模拟
当列车通过隧道时，会产生急剧变化的气流，引起隧道内和车体内外空气压力急剧变化，这
种不稳定的气流称之为脉动风，长期循环的作用在隧道中隔墙及砌筑墙上，将影响结构的稳
定性及耐久性。

列车的脉动风荷载取决于以下参数: 列车的类型( 特别是空气动力特性和车厢
长度) 、列车的速度、轨道中心线和构件之间的距离、构件的形状和高度[1]。

在研究列车产
生的风荷载过程中，杨永刚[2]对列车通过隧道时的流场和通过内置开孔隔墙隧道时的流场以
及隔墙开孔处的流场进行分析结论，发现一定开孔参数下，隧道内设置开孔隔墙对单车压力
波的影响不大；Gilbert T[3]采用缩尺动模型试验的方式，对列车脉动风压与脉动风瞬时风速
进行了研究结论；Hemida H[4]基于CFD 中的大涡模拟方法（LES）模拟了列车周围的流场，
对列车的头部形状与偏航角的影响进行了详细的探讨结论；李雪冰[5]应用RANS方法中的标
准k~ε湍流模型，对强风环境下高速运行的 CRH2 动车组周围的气动特性进行了数值模拟，
结果表明，侧风情况下车头的侧力和倾覆力矩要明显大于其他部分，此时头车的安全性降低；金海[6]对新广州火车站高速列车过站数值模拟研究发现列车高速过站对屋顶结构压力的影响
范围，主要集中在列车上方对应的那片雨棚屋顶，对其他屋顶部分的影响非常小以至于可以
完全忽略不计；张小钢[7]运用有限差分法对列车头部形状对列车运行阻力的影响进行了研究，模拟了横风效应及列车风对路边建筑物的作用；张建[8]采用小波分析方法，对高速列车经过
时跨线天桥表面风压进行研究发现，列车地面上行驶时，由于空气的粘性作用使周围的空气
被列车带动并随之一起运动，形成列车风；耿烽[9]采用数值模拟的方法，研究了流线型高速
列车单车穿越隧道时压力波的产生机理。

国外的研究资料表明[10]，由 16 车编组 ICE3 列车运
行速度 300 km /h 下的风力，构件至轨道中心线的距离为3.8 m，轨面上屏障高度为 3. 0 m，
最大脉动风压力为 450 Pa，最小值为 -343 Pa。

以上研究成果对于列车脉动风荷载有很大的指导作用，而对于中隔墙和砌筑小站台未见到相
关研究成果。

本文结合青岛地铁11号线崂山隧道和东韩站小站台设备砌筑墙的结构特点，
采用实测和模拟计算两种方法结合的方式对风压的分布进行研究。

1 工程概况
青岛地铁11号线北九水站-庙石站区间穿越崂山隧道，隧道两端与路基段相接，两端车站为
高架车站，为蓝色硅谷城际轨道交通工程的关键控制工程。

隧道进口位于滨海公路仰口隧道
西侧，里程为K31+735，出口位于滨海公路西侧黄泥崖村附近，里程为K36+315，全长
4580m，区间采用单洞双线。

在隧道中设置300mm厚中隔墙，中隔墙中心线与隧道中心线重合，中隔墙每200m设置2个甲级防火门，列车在崂山隧道的行驶速度为120km/h，是全线
网最高速度。

图1 崂山隧道入口图（北九水站）图2 隧道断面图
青岛地铁2号线东韩车站两端均为设备区，设备区的各设备房的墙体均采用构造柱加砌筑墙
的形式，车站内的污水泵房、废水泵房等有水房间和需挂重物的配电室等房间采用不小于
MU10.0的非粘土烧结实心砖以及强度等级不小于M7.5的砌筑砂浆，砌筑墙的结构刚度和耐
久性受列车风压和列车振动作用会产生削弱。

由于地下车站小站台位置的砌筑墙临近轨行区，一旦砌筑墙发生倒塌，将会严重影响行车安全。

图3 东韩站小站台砌筑墙平面图
2 现场监测
2.1 监测系统概况
采用16通道风荷载监测采集仪，该采集系统集数据采集与分析于一体，采用进口差压芯片、高精度数字电路组装而成，适合于高速高精确采集环境，信号采集系统利用CY2000FAIP高精度风荷载变送器对极端环境风荷载进行精确测量。

CY2000FAIP风荷载变送器选用高精度、高
稳定性传感器芯片，采用铝合金外壳和应力隔离技术组装，经温度补偿，线性放大，V/I变换，转换为4-20mA或1-5V标准信号输出。

风荷载变送器及信号采集系统如图4所示。

图4 风荷载采集系统现场示意图
2.2 监测布点方案
经过查阅资料并对风压分布进行初期数值模拟计算，最后在隧道中选取6个测点进行监测，分别是：隧道进口左线、隧道进口右线、曲线段左线、曲线段右线、
平直段左线、平直段右线，每个测点包含12个风荷载变送器；在小站台选取2
个测点进行监测，每个测点包含8个风荷载变送器。

监测工况见表1。

表1 监测
工况表
隧道进口（右线）部位，仪器（绿色）布置如图5所示，主要测试列车快速运行进入隧道时，产生的脉动风荷载对中隔墙的影响。

风荷载传感器布置12个（四横三列），水平方向每列
距离洞口的距离分别为20000、50000、60000mm，竖向每行距离地面的距离分别是500、1600、2700、3800mm。

曲线部位选取曲率最大的区间段，找到其中连接通道门，测点左线一个，右线一个，分别对
称于门布置，监测顺序先右线线后左线，传感器单侧布设方案：传感器（绿色）12个，垂直
于墙安装并对称于门，水平方向与门的距离分别是1000、16000、32000、46000，高度分别
为500、2150、3800mm，如图6所示。

平直段选择联络通道门的附近。

该测点的数据可以作为列车在平直段运行，风荷载稳定时对
中隔墙的压力值，并与曲面段、列车进出隧道段的数据将与此数据作对比，测点布置方案与
曲面段测点布置方案一致。

图7为小站台砌筑墙布点方案，列车进站区域布设一个测点，列车出站区域布设一个测点，
每个测点的布置方案相同，传感器在高度上布置为上下两行，第一行距离地面1.5米，第二
行距离地面3米，水平方向每列传感器距离最近立柱2米。

图5 隧道进口右线部位传感器立面布置图
3 实测数据分析
测试时通过崂山隧道的列车为四节编组B型车辆，总长度60.076 m，实验中共监测风荷载数
据6工况，其各工况对应的监测位置。

3.1 隧道进出口风荷载分析
图8、9分别为同一辆列车经过隧道时，隧道入口、隧道出口上各测点压力时程
曲线。

从图中可以看出：无论是列车进、出隧道，中隔墙上的风荷载总是保持先
正压再负压的过程，压力变化持续时间6s左右，正压最大值出现在列车进入隧道处的8号传感器上。

此传感器距离洞口50m，布置高度距地面0.5m，压力大小为79.6Pa，负压最大值出现在列车出隧道的9号传感器上，此传感器距离洞口60m，布置高度距地面3.6m，压力大小为-47.5Pa，根据压力叠加原理，当两侧同时有列车通过时，中隔墙面上的压力将会出现压力整体增加或减小现象，为了研究墙面
上能出现的最大压力值，表2数据提取出了一次列车经过时，各个传感器上面风
荷载的最大、最小值，并对数据进行了整合处理。

最终得出，列车在隧道出入口
运行时，中隔墙上面的最大风荷载，随着距离洞口距离的增大而增大，在高度方向，风荷载在道床和车顶区域的风荷载较大，车身区域的风荷载次之。

3.2 隧道曲面处风荷载实测
图10、11分别为曲面内侧和曲面外侧行驶时，从图中可以看出，每趟列车在中隔墙上产生
的风荷载变化不一，其中曲面内侧运行时，正负压力相差不大，但是在曲面外侧行驶时，中
隔墙上的负压明显大于正压。

列车在曲面内快速行驶将带动隧道内的空气随着列车一起运动，曲面内测由于中隔墙的阻挡原因，快速运动的气流直接吹向中隔墙，此时墙面承受较大的荷载，其中最大正压达到220Pa，最大负压达到-225Pa；当列车在曲面外侧行驶时，由于此时
对气流的主要阻挡物为隧道衬砌，而中隔墙上的影响较少，中隔墙上主要表现为负压，其值
接为-394Pa，当列车通过后，压力逐渐变为正压，其值为180Pa。

3.3隧道直线段风荷载实测
图12 工况5最大风荷载变化图图13 工况6最大风荷载变化图
图12、13分别为工况5、6风压监测情况最大值变化情况。

从单个传感器所产生的图像显示，工况5最大正压达130Pa，最大负压-150Pa，而工况6最大正压达160Pa，最大负压-150Pa，
风压图像都呈现明显的-正-负关系。

其原因为平直段列车行驶时，由于没有其他外部阻力的
原因，当列车在隧道运动时，列车前方的气流由于列车运动形成活塞风；当列车接近传感器时，活塞风由于压缩作用，导致列车前方的压力增加。

随着列车通过传感器，列车后方的气
流又因为压力差继续沿着列车运动，使列车后方出现负压。

随着列车继续向前运动，传感器
部位的气流变慢，压力差逐渐减小，最终压力恢复正常。

3.4小站台砌筑墙风荷载实测
图15工况7最大风荷载变化图
图14为小站台上的风压变化图，从图中可以明显看出，列车在小站台附近运行时，小站台
上产生的最大风压为17Pa，最小风压-7.5pa，压力峰值出现在6号传感器上，该传感器距离
隧道口55米，距离钢轨中心线2.8米，从该传感器压力的放大图可以看出，当列车接近传感
器的时候，传感器周围压力一直处于上下波动状态，变化赋值在4Pa左右，随着列车不断运行，列车带动的气流变化首先在传感器的位置产生-8Pa的负压，压力持续时间0.05秒，当通
过传感器时，列车产生的气流在传感器周围的复杂环不规律的流动，又给传感器周围产生
9Pa的正压，随后压力趋于稳定，这种压力的变化总持续时间0.2s，且压力自身很小，对墙
体不会造成极端的破坏。

4 数值模拟分析
列车进入隧道时，在列车与中隔墙之间产生气动力作用，可通过计算流体力学的方法来模拟
列车运行导致的脉动风荷载作用。

在 CFD 数值计算中，列车从接近并驶入隧道中后所引起的
中隔墙上的空气流动是复杂的三维、非定常、可压缩的紊流流动。

本文基于先进的 CFD 数值
模拟仿真平台，对列车以120km/h时速进入隧道中的风压变化进行数值模拟，计算中隔墙上
的风压分布情况。

4.1列车平直段区域风压分布模拟
由平直段区段云图16可知，列车运行时周围的风压分布在列车前方为正压，影响范围较长，隧道内最大气体正压峰值出现在列车头部位置，列车尾部后的隧道为负压，且列车前方隧道、列车附近与列车尾部后的隧道根据压力分为较为明显的三部分，最大正压分布在列车车头位置。

图16 平直段区段
4.2列车前、后方风压分布模拟
通过模拟列车120km/h时速行驶时车头前方的风压可知，车头周边区域的空气压力值大约为170pa左右，局部区域所受压力达到230pa，如图17a所示。

风压的变化趋势是由列车与空
气摩擦面向周边慢慢递减，由风压分布图可以看出，中隔墙4米以下的风压分布较均匀，压
力值-170pa左右，4米以上风压值较小，压力值-100pa；列车后方的风压在中隔墙上的分布
从上到下呈递减状态，见图17b，其中中隔墙顶部的风压值大约为102pa，中隔墙最底部的
风压值大约为107pa，压差为5pa，故列车运行时车尾后方所产生的负压在中隔墙上的分布
基本相同。

4.3 列车车身不同部位风压分布模拟
车头风压分布模拟如所示，风压在中隔墙上的分布自车顶高度以下呈不均匀分布状态，从中
隔墙顶部到车顶高度范围的风压分布无明显差异，其值大约-186pa。

为了深入研究中隔墙上
的风压分布；列车中部风压分布如图18b所示，中隔墙上的风压在列车车顶以下部分受列车
影响较大，其值-164pa，车顶以上区域风压分布较为均匀，受列车影响较小，其值-162pa，
车顶上下部的压差大约2pa，小于模拟最大值的1%，故沿中隔墙上的风压分布可视为均匀分布；对车尾处的风压模拟可知，车尾处的风压全部为负值，列车与空气摩擦面的压力值大约
为-180pa，中隔墙处的最小风压区域大约分布4米以上高度以及1米以下区域，其压力值大
约-120pa，压力较大区域分布在高度1米至4米之间，其压力值大约为-140pa，且该区域的
压力分布比较均匀。

图18 列车不同位置分压分布图
通过数值模拟计算发现，列车在隧道中运行时的风压分布情况以及风压值的大小与现场监测
数据基本吻合，且中隔墙上部造成的最大水平位移为0.815mm，最大应力达到1.46×106Pa，
最大应变为0.007，根据TB 10003-2016铁路隧道设计规范中指出，钢筋混凝土受弯构件在荷
载效应的准永久组合并考虑荷载长期作用影响下的最大挠度满足：L0<7m，挠度限值L0/250；7m≤L0≤9m，挠度限值L0/300；L0＞9m，挠度限值L0/400（L0为构件的计算跨度；计算悬臂
构件的挠度限值时，其计算跨度L按实际悬臂长度的2倍取用），中隔墙在风压作用下的挠
度限制小于L0/400，因此中隔墙在风压作用下处于安全状态，不会因为风压的作用而破坏。

5 结论
本文通过查阅相关隧道风压文献，确定地铁隧道风压监测方案，并在青岛地铁11号线崂山
隧道和东韩车站进行了实地风压监控工作。

通过对比隧道进口处、曲面段、直线段和小站台
砌筑墙的风压监测数据以及对崂山隧道中隔墙的抗风压数值模拟分析，最后得出结论如下：
（1）列车在隧道出入口运行时，中隔墙上面的最大风荷载，随着距离洞口距离的增大而增大，在高度方向，风荷载在道床和车顶区域的风荷载较大，车身区域的风荷载次之。

列车在
曲面内侧快速行驶时，由于中隔墙为气流阻挡物，中隔墙承受较大的正压力，其值为220Pa，列车在曲面外侧行驶时由于此时对气流的主要阻挡物为隧道衬砌，中隔墙承受较大的负压，
其值为-394Pa。

隧道直线段中隔墙上的压力值较为稳定，变化规律为先正后负，最大正压160Pa，最大负压-150Pa。

（2）东韩车站小站台砌筑墙上的风压在列车运行过程中变化很小，其中监测周期内最大正压17Pa，最小负压-8Pa，列车经过时，压力的变化规律为先负后正。

（3）采用CFD 数值模拟仿真平台对列车在隧道中运行时的风压进行模拟计算，得出计算压力与现场实测数据基本吻合，中隔墙上的最大挠度也满足规范限制。

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基金项目：国家自然科学基金资助项目（51674151，51704173）.
作者简介：吕彦明 (1986－ )，男，山东青岛人，工程师，研究方向：交通工程、市政工程。