市域快線隧道斷面研究及優化設計

胡麗君

（廣州地鐵設計研究院有限公司，廣東 廣州 510010）

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市域快線隧道斷面研究及優化設計

胡麗君

（廣州地鐵設計研究院有限公司，廣東 廣州 510010）

摘 要：本文對比國內外高速列車隧道斷面面積，基于一維流動理論，建立含車站及風井的隧道模型，針對不同的列車運行速度以及隧道斷面面積，對最低密封性車輛車內的壓力變化進行模擬分析，給出不同車速的最佳隧道斷面建議值，并對列車在隧道內高速行駛的壓力緩解措施給出建議。

關鍵詞：市域快線；壓力舒適度；隧道斷面；模擬計算

0.引言

隨著都市區域范圍的逐漸擴大，城市軌道交通線路建設也隨之由中心城區線路向市域線轉變，客流吸引能力也隨之加強，為提高網絡整體運能、提高乘客輸送效率，近年來列車的速度在逐漸提高。列車在隧道內高速行駛，所引起的隧道空氣動力效應對列車運行安全性、經濟性和司乘人員的舒適性都帶來嚴重的影響。列車在隧道內高速行駛引起的空氣動力學效應包括：瞬變壓力、微壓波、空氣動力荷載、列車風以及列車空氣阻力。本文重點關注了隧道壓力波和乘客壓力舒適度的影響。

影響隧道空氣動力學效應的因素主要包括：（1）列車車速。（2）列車斷面面積與隧道斷面面積的比（即阻塞比）。（3）隧道形式，如岔路、泄壓通道、通風井等。（4）隧道表面粗糙度，如地面、隧道壁面的柵板支架、軌道安裝形式。（5）隧道長度。其中隧道斷面面積越大（即較小的阻塞比）、列車速度越低，壓縮壓力波大小及其變化率就越小。因此隧道斷面的大小是解決高速列車在隧道內行駛所引起的空氣動力學效應重要因素。

1. 國內外高速列車隧道斷面概況

1.1 國外隧道斷面面積概況（表1）

1.2 國內隧道斷面面積概況（表2）

表1

表2

2. 研究方法

2.1 模型簡化

列車高速通過隧道引起的空氣流動是三維可壓縮非定常紊流流動。一般而言，隧道長度遠大于隧道斷面水力直徑，列車長度也遠大于列車與隧道所形成環狀空間橫截面的當量水力直徑，三維流動可合理簡化為一維流動。參考日本新干線、德國ICE和法國TGV等多國的實驗以及不同國家進行的數值模擬分析均表明，對隧道系統設計而言，采用一維方法是適宜的，并不會損失準確度。因此國際上的高速列車隧道壓力波普遍均以一維分析方法作基礎。

2.2 研究所采用的分析軟件

市域快線壓力舒適度是快速列車服務的重要元素，壓力舒適度將在運營的第一天就受到乘客的檢驗，并持續反映在整個運營過程中。因此，必須使用經過驗證的分析方法，此次研究中使用隧道壓力波分析軟件ThermoTun進行分析。

3. 隧道斷面模擬計算分析

3.1 基本假設及計算參數

為了分析高速列車隧道壓力波的規律，本文計算的基本假設及設定如下：（1）隧道全長63.5km，列車最高速度達到250km/h。（2）全線列車只停靠4個車站。（3）列車斷面面積約為12.1m2，密封性指數τ=6s，列車長約202m，8節編組。（4）采用800Pa/3s的壓力舒適度標準。（5）模型中的所有活塞風井（40m2）都假設打開，機械風井都假設關閉。（6）模擬除了考慮因隧道阻塞比和車速所產生的壓力波改變外，同時亦考慮了隧道斷面面積突變、活塞風井等其他因素導致壓力波在隧道內的反射及衰減現象。

表3行車速度200km/h-最大壓力變化值（3s內）

3.2 模擬分析結果

從表3和表4模擬結果中可見，在氣密度τ=6s下，隨著斷面面積的增加，車內3s最大壓力變化值逐漸減少，從而使車內人員的壓力舒適度得到提高。

4. 壓力波緩解措施及斷面優化設計

4.1 相關設計規范中對隧道斷面的規定

（1）《城際鐵路設計規范》（TB10623-2014）規定：列車密封指數不小于6s，單線隧道，設計速度200km/h，隧道斷面面積48m2。

（2）《高速鐵路設計規范》（TB10621-2014）規定：設計行車速度目標為250km/h時，單線隧道不應小于58m2。

4.2 隧道斷面優化設計

根據上節模擬結果可知，在列車密封指數等于6s時，行車速度為200km/h，隧道斷面面積40m2，行車速度為250km/h，隧道斷面面積52m2，就能滿足車內乘客人員800Pa/3s的壓力舒適度標準。

4.3 壓力波緩解措施

當壓力波通過隧道中風井位置或具有泄壓特點的位置后，如隧道岔線或泄壓風閥，壓力波的大小及變化率將會降低。通常，較大的通風井或隧道連接斷面與小斷面相比更可以減弱壓力波的傳遞。這種泄壓的方式已經在國際上得到了大量的使用，如日本、臺灣、荷蘭、香港。然而，采用太大的風井實際上將把隧道分為兩個單獨的區間，這將在列車進入時引起另一個壓力波的產生。因此，在設計風井尺寸時應特別注意。

加大隧道斷面面積亦是一可行但昂貴的方法。在一些情況下，將列車在特殊位置時對車速作出局部調整也能有效減低壓力舒適度的問題。

圖1顯示了各種普遍減低壓力波的方法。

參考文獻

［1］劉堂紅，田紅旗，金學松.隧道空氣動力學實車試驗研究［J］.空氣動力學學報，2008（3）：42.

［2］梅元貴，周朝暉，許建林.高速鐵路隧道空氣動力學［M］.北京：科學出版社，2009.

［3］劉伊江.高速地鐵隧道壓力波研究及隧道斷面的擬定［J］.鐵道標準設計，2010（增刊），119-124.

中圖分類號：U452

文獻標識碼：A