電氣化鐵路隧道坡度折減系數的應用研究

熊　偉

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津　300142)

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電氣化鐵路隧道坡度折減系數的應用研究

熊偉

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津300142)

鐵路線路限制坡度的選擇應根據鐵路等級、地形條件、牽引種類和運輸要求比選確定。在限制坡度選定后，電力牽引隧道內的坡度折減系數與最終的設計坡度直接相關。參照某改建鐵路建二線工程的施工圖審核實例，對電力牽引隧道折減系數進行研究，提出合適的坡度設計標準。

限制坡度隧道空氣附加阻力隧道斷面機車類型

1　隧道設計概況

某改建鐵路增建二線工程為I級電氣化鐵路，設計速度120 km/h，牽引質量5 000 t，采用HXD系列機車。其中一段為單雙線隧道(以下簡稱二線隧道)，處于采用限制坡度為13‰的雙機牽引地段，其中左線隧道長10.324 km，右線隧道長9.487 km，以DK7+065 km為界，左、右線隧道在小里程端分別有3.382 km和2.545 km段為單線隧道，大里程端匯合為長度6.942 km的雙線隧道。隧道內坡度設計情況如表1所示。

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2　隧道設計坡度審核情況

電力牽引隧道的坡度折減因素主要是隧道附加空氣阻力控制。而在一定的列車通過速度下，隧道附加空氣阻力與隧道斷面相關。120 km/h客貨共線鐵路(普貨)的隧道斷面面積受控于建筑限界，單線隧道斷面內凈面積約為30 m2，雙線隧道斷面內凈面積約為64 m2。

根據GB50090—2006《鐵路線路設計規范》(以下簡稱“線規”)中的3.2.5條，電力牽引隧道L>4 000 m時，線路最大折減系數應為0.85，計算得到隧道內最大設計坡度為13‰×0.85=11.05‰。

式中D——隧道附加空氣阻力/(N/kN)；

考慮涼風埡隧道試驗公式在隧道長度、隧道斷面方面的局限性，不適用長大隧道等情況，中鐵二院、西南科學研究院、西南交通大學關于《長大隧道合理坡度折減系數研究報告》對隧道空氣阻力試驗公式進行了修正，報告對HXD系列機車隧道折減系數進行了系統研究，得出如下試驗公式

從表2可以看出，按照“研究報告”試驗公式，采用HXD3型機車，二線隧道的左、右線隧道單線地段長度分別是3 382 m和2 545 m，按照隧道長度4 000 m，隧道斷面31 m2時，對應的折減系數為0.83；雙線隧道地段長度6 942 m，按照隧道長度7 000 m，隧道斷面60 m2時，對應折減系數最小為0.97。通過與“線規”對照發現，單線地段折減系數與“線規”中表3.2.5中隧道長度大于4 000 m的數的最大坡度折減系數0.85接近，雙線地段的折減系數與《線規》中表51中的數值0.94接近。

2.1采用涼風埡隧道試驗公式

(1)

根據涼風埡試驗公式，通過分析、計算、簡化，可得出與“線規”表3.2.5規定一樣的結論：長度L>4 000 m的隧道按涼風埡試驗公式電力牽引的折減系數應為0.85；而涼風埡試驗公式的隧道長度為4 270 m，為渝黔鐵路中的單線電氣化鐵路隧道試驗成果，是否適用長達10 km的二線隧道尚待下一步研究。

V——隧道內列車運行速度/(km/h)；

Ls——隧道長度/m；

L——列車長度/m；

P——機車計算質量/t；

Q——列車牽引質量/t。

式中ωs——隧道附加空氣阻力/(N/kN)；

2.2采用《長大隧道合理坡度折減系數研究報告》隧道試驗公式

市面上不少輸液報警器功能比較單一,有些只有蜂鳴器報警,沒有輸液滴速控制,沒有輸液加熱控制,更別提有人機友好的交互模塊。這些因素造成用戶體驗效果差。

(2)

根據“線規”表51“電力牽引隧道內線路最大坡度系數計算表”，在采用SS7機型、13‰限制坡度的情況下，查表51得其折減系數應為0.94，計算得到隧道內最大設計坡度為13‰×0.94=12.2‰。

l——列車長度/m；

L——隧道長度/m；

Av——列車橫斷面積/m2；

At——隧道橫斷面積/m2；

Sv——列車橫斷面的周長/m；

St——隧道橫斷面的周長/m；

U——列車相對于地面的運行速度/(m/s)；

u——隧道中列車前方一定范圍內相對于地面的平均氣流速度(活塞風)/(m/s)；

λ——隧道壁面沿程阻力系數；

λ′——列車側壁表面沿程阻力系數；

Ch——列車車頭壓差阻力系數；

Ct——列車車尾壓差阻力系數；

ρ——大氣密度/(kg/m3)。

根據試驗公式，“研究報告”得出電力HX系列牽引隧道內線路最大坡度系數研究成果見表2。

本次審核以機型HXD3為例，結合“線規”，通過涼風埡隧道試驗公式、《中長大隧道合理坡度折減系數研究報告》(以下簡稱“研究報告”中隧道試驗公式研究計算二線隧道最大坡度折減系數，以及采用牽引質量檢算的方法對設計坡度進行檢算。

2.3牽引質量檢算隧道設計坡度

根據HXD3型機車參數，對二線隧道設計坡度相對較小的左線隧道DZK5+200～DZK7+100單線隧道的縱斷面進行牽引質量檢算。單線地段DZK5+200～DZK7+100段縱斷面設計坡度為11.7‰，牽引力系數取1.0，曲線折減換算坡度0.75‰，根據“線規”，并參照“研究報告”單線地段隧道阻力系數取0.85，隧道阻力換算坡度1.95‰，則本段實際換算坡度為14.4‰，牽引計算見圖1。

食用向日葵（先瑞12）外緣籽粒灌漿時間最快的時期在16～20 d，而內部籽粒達到最大灌漿速率的時期在22～27 d。說明在不同的密度下，籽粒增重的時期是后15～27 d。向日葵的籽粒鮮重生長規律呈單峰曲線，這與馮鵬[8]在研究玉米籽粒增重規律變化相一致。

表2　電力HX系列牽引隧道內線路最大坡度系數計算

圖1　牽引計算

從牽引計算結果看，該段設計坡度11.7‰，牽引力系數1.0條件下，最大牽引質量為4 721 t，不能滿足牽引5 000 t要求。

3　結論

由于隧道折減系數受到隧道空氣附加阻力影響，而附加阻力與機型、隧道斷面、隧道長度等因素相關，且“線規”條文說明中關于隧道內線路最大坡度系數說明中，明確指出該公式是否適用于長大隧道尚缺乏研究和驗證。因此，筆者建議對單、雙線隧道進行區別對待，參照“研究報告”成果，結合現行《鐵路線路設計規范》規定和牽引計算的檢算結果，建議二線隧道的單線和雙線地段折減系數，隧道長度大于4 000 m的單線地段折減系數采用0.85，隧道長度大于4 000 m的雙線地段折減系數采用0.94，即單線地段隧道折減后最大設計坡度采用11.05‰，雙線地段隧道折減后最大設計坡度采用12.22‰，曲線地段考慮曲線阻力折減。業主和設計單位最終理解并接受了審核意見，并按照最新的成果進行了坡度修改，具體情況如表3所示。

這樣的設計方法不僅避免了統一采用涼風埡試驗公式的較小折減系數導致無法用足坡度，也避免了統一采用較大設計坡度出現機力不足，導致安全事故的情況發生，對于客貨混跑電氣化鐵路隧道的坡度折減有重大的借鑒意義。

表3　二線隧道內設計修改坡度

[1]中華人民共和國建設部.GB50090—2006鐵路線路設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2006

[2]中國人民共和國鐵道部.TB10003—2005鐵路隧道設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005

[3]1983GB146.2—83標準軌距鐵路建筑限界[S]

[4]中國人民共和國鐵道部.TB10082—2005鐵路軌道設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005

[5]中鐵二院，西南科學研究院，西南交通大學.長大隧道合理坡度折減系數研究報告[R].成都：中鐵二院，2012

[6]易思蓉，聶良濤，陳彥恒.電氣化鐵路隧道最大坡度系數研究[J].中國鐵道科學，2013(6)

[7]陳彥恒.長大鐵路隧道最大坡度折減方法研究[D].成都：西南交通大學，2011

[8]梁學明，康亞林.關于隧道坡度折減系數的探討[J].鐵道建筑，2003(7)

[9]王彥華.蘭州至重慶鐵路限制坡度研究[J].鐵道勘察，2006(2)

[10]申廣博，李永金.東北東部鐵路通道通化至灌水段線路限制坡度研究[J].鐵道勘察，2008(4)

[11]李富.麟游礦區至寶雞二電廠鐵路最大坡度的選擇[J].鐵道勘察，2009(6)

[12]李建新.線路選線中對長大隧道坡度折減的研究[J].交通運輸系統工程與信息，2008(3)

Study on Application of Gradient Reduced Coefficient in Electrified Railway Tunnels

XIONG Wei

2016-02-24

熊偉(1983—)，男，2006年畢業于蘭州交通大學土木工程(鐵道工程)專業，工程師。

1672-7479(2016)02-0072-03

U212.34

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