高速動(dòng)車組隧道交會(huì)氣壓變化及解決措施

宋慧娟 張龍華

摘 要：高速列車在隧道內(nèi)會(huì)車，會(huì)在列車表面及隧道壁面產(chǎn)生很強(qiáng)的瞬態(tài)壓力沖擊，運(yùn)用實(shí)車測(cè)量方法對(duì)壓力變化進(jìn)行分析，從而對(duì)進(jìn)一步提高列車運(yùn)行安全性及舒適性提出意見和建議。

關(guān)鍵詞：隧道;會(huì)車;壓力

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.011

1 引言

隨著我國(guó)高速鐵路的迅速發(fā)展，列車的速度越來(lái)越高，隨之而來(lái)的列車空氣動(dòng)力學(xué)問題日益突出。兩列高速列車進(jìn)出隧道，兩車交會(huì)時(shí)，由于列車的速度較高，其相對(duì)速度急劇增加，兩車之間的空氣壓力會(huì)產(chǎn)生劇烈的變化，就是產(chǎn)生所謂的壓力波。壓縮空氣受到兩列車壁和隧道壁的空間限制，使得隧道內(nèi)的空氣流動(dòng)有獨(dú)特的規(guī)律和特點(diǎn)。列車表面產(chǎn)生很強(qiáng)的壓力波，有可能使車窗玻璃，隧道內(nèi)的壓力變動(dòng)將引起車內(nèi)壓力變動(dòng)，使乘客的耳朵產(chǎn)生疼痛感。

當(dāng)兩列車在隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)，由于隧道內(nèi)空間小，阻塞大，兩車的速度較高，隧道內(nèi)車體表面承受的壓力甚至可以達(dá)到6KPa，這對(duì)列車的密閉性和強(qiáng)度也提出更高要求。列車駛出隧道時(shí)會(huì)產(chǎn)生微氣壓波，當(dāng)氣壓波積累到一定程度時(shí)會(huì)產(chǎn)生爆破，對(duì)附近的居民會(huì)產(chǎn)生影響。此外，空調(diào)進(jìn)、排風(fēng)口位置的設(shè)置還直接受高速列車車體表面的壓力分布的影響。因此研究高速列車在隧道內(nèi)會(huì)車的壓力變化是非常重要的。

本文采用實(shí)車測(cè)量的方法進(jìn)行研究，即在實(shí)際運(yùn)行的列車上安裝若干應(yīng)變片，通過傳感器傳遞相應(yīng)數(shù)據(jù)，并且運(yùn)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，整理，通過分析，為進(jìn)一步的減緩壓力變化帶來(lái)的影響提供理論以及數(shù)據(jù)支持。

2 高速列車隧道內(nèi)會(huì)車時(shí)的壓力場(chǎng)

實(shí)車測(cè)量，壓力波的測(cè)量主要是在車體的關(guān)鍵部位以及隧道的內(nèi)測(cè)設(shè)置測(cè)點(diǎn)，采用壓力傳感器裝置進(jìn)行測(cè)量，在車體頭部以及尾部壓力變化較大的位置設(shè)置較多的測(cè)點(diǎn)。采用8415C-15型薄片式絕對(duì)壓力傳感器，并配合計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)的采集及處理。隧道為短隧道，長(zhǎng)度為300m，橫截面積為100m2。速度為每小時(shí)321-350m，從列車頭部距離隧道35m開始測(cè)量，駛?cè)胨淼罆r(shí)間為0.36s，1.91s開始會(huì)車，3.45s列車頭部駛出隧道，4.3s列車車尾駛出隧道，整個(gè)會(huì)車過程為0.79s。

2.1 動(dòng)車組交會(huì)鼻端壓力變化

兩列高速行駛的列車在隧道內(nèi)會(huì)車時(shí)，而隧道為一相對(duì)封閉的空間，受到隧道限制以及交會(huì)時(shí)列車本身壓力波的影響，則在列車鼻端會(huì)形成較大的壓力波動(dòng)，由圖1可知：

列車在隧道內(nèi)行駛，其車頭前方的壓力分布為球面分布，每列車的壓力最高點(diǎn)位于列車鼻尖位置。車頭附近的壓力分布為：距離隧道內(nèi)側(cè)壁較近一側(cè)比另一側(cè)的壓力低。由圖1可知，從0.295s時(shí)開始列車鼻端處的壓力已經(jīng)開始變化，這說明列車進(jìn)入隧道前，列車表面的壓力就已經(jīng)受到隧道的影響，開始變化了。

當(dāng)列車進(jìn)入隧道后，在0.6s時(shí)，列車鼻尖處的壓力達(dá)到了7099.9Pa，在此后的一小段時(shí)間，壓力波動(dòng)較小;直到1.02s時(shí)，列車鼻尖處的壓力開始快速上升，而到1.32s時(shí)鼻尖處的壓力達(dá)到了一個(gè)極大值，數(shù)值為10030.05Pa。出現(xiàn)最大值之后，壓力值迅速下降，下降的同時(shí)伴有輕微的波動(dòng)。隨著壓力值的進(jìn)一步下降，列車鼻尖處的壓力出現(xiàn)一個(gè)極小值-1490.27Pa。到2.2s達(dá)到最小值-1625.8Pa，之后壓力開始急劇上升，直到鼻端處的壓力第二次出現(xiàn)峰值，大小為8056Pa，峰值過后壓力又開始下降，但是下降幅度不是太大，直到3.44s壓力值再次出現(xiàn)波谷，這表明此刻列車的鼻尖已通過隧道。最后稍有上升，最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，列車也脫離隧道壓力波的影響。

2.2 動(dòng)車組交會(huì)車身壓力變化

為得到列車表面壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律，在檢測(cè)車交會(huì)側(cè)頭車裙板中部，中車裙板中部以及尾車裙板中部均設(shè)置測(cè)點(diǎn)，由測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)可得出列車在隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)，隨著交會(huì)時(shí)間的變化列車車身壓力的變化情況。

列車鼻端的壓力變化與在列車交會(huì)側(cè)測(cè)量的不同測(cè)點(diǎn)的壓力變化出現(xiàn)吻合趨勢(shì)。即當(dāng)列車駛?cè)胨淼罆r(shí)測(cè)點(diǎn)的壓力升高，且鼻端處的測(cè)點(diǎn)壓力值最大。由于測(cè)點(diǎn)位置不同，并且測(cè)點(diǎn)不能無(wú)限多，所以隧道效應(yīng)發(fā)生的時(shí)間不同，隨著距離鼻尖越來(lái)越遠(yuǎn)壓力波峰和波谷出現(xiàn)的時(shí)間略有滯后。與鼻尖的壓力比較可知，列車側(cè)壁以及尾車受到較大的負(fù)壓，而頭車鼻尖部位受到較大的正壓，且鼻端的壓力波幅值最大，要大于其他部位。

當(dāng)兩列車在隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)，列車沿長(zhǎng)度方向各處在隧道內(nèi)所處位置不同，與另一列車的頭車鼻尖和尾端鼻尖交會(huì)的時(shí)間也隨之各不相同，隧道內(nèi)效應(yīng)壓力波到達(dá)列車車身各處的時(shí)間也就不同，所以在沿列車長(zhǎng)度方向上的表面壓力變化也不相同。

壓力幅值隨著測(cè)點(diǎn)距列車頭車鼻尖的距離越遠(yuǎn)變得越來(lái)越小。列車在明線會(huì)車，沿列車長(zhǎng)度方向上列車前部測(cè)點(diǎn)的壓力波幅值小于后部測(cè)點(diǎn)的（由于列車附面層的影響）。但是當(dāng)列車在隧道內(nèi)會(huì)車時(shí)，位于列車前部測(cè)點(diǎn)的壓力波幅值大于位于后部的，這主要由于列車附面層的影響小于隧道效應(yīng)引起的壓力波在列車長(zhǎng)度方向上所起的作用，再加上壓力波在傳遞過程中其能量會(huì)衰減。列車隧道內(nèi)會(huì)車時(shí)，在沿著列車長(zhǎng)度方向上，距離列車頭車鼻尖越近，總的壓力變化越大。

2.3 隧道壁面壓力變化

列車在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)，距離隧道入口處，初始?jí)嚎s波的壓力峰值最大，隨著列車在隧道內(nèi)的位置不同，壓縮波的峰值也在逐漸變化，距離出口越近，初始?jí)嚎s波的壓力峰值越小。由此可見壓縮波在傳播過程中波的強(qiáng)度是逐漸衰減的。列車在隧道內(nèi)會(huì)車運(yùn)行時(shí)，壓力波會(huì)相互疊加，壓力波的分布不同于單列車在隧道內(nèi)運(yùn)行，其分布從隧道入口到出口并不是逐漸遞減的。

兩列車相向駛?cè)胨淼罆r(shí)，每輛列車分別在隧道的兩端入口處形成隧道的入口壓力波，由于隧道兩側(cè)的壓力波向前傳遞，壓力波產(chǎn)生疊加，那么在隧道中點(diǎn)的壓力波疊加是單獨(dú)一輛車通過隧道時(shí)壓力變化的兩倍。

兩列車在隧道內(nèi)會(huì)車時(shí)，隧道內(nèi)壁的壓力只在兩列車車頭進(jìn)行交會(huì)時(shí)出現(xiàn)了類似列車車身上壓力變化的“頭波”。由于兩列車交會(huì)時(shí)強(qiáng)大的氣流會(huì)使列車周圍流場(chǎng)變化，尤其當(dāng)列車的車頭或是車尾經(jīng)過觀察車的一瞬間，會(huì)使觀察車的側(cè)面空氣產(chǎn)生巨大的壓力突變，從而對(duì)觀察車的車體側(cè)面形成一種瞬態(tài)壓力沖擊而形成會(huì)車壓力波。兩列車在隧道內(nèi)會(huì)車時(shí)，當(dāng)列車進(jìn)入隧道口時(shí)，在隧道入口處會(huì)產(chǎn)生巨大的入口壓力波，且隧道內(nèi)空間狹小，氣流的流動(dòng)會(huì)受到限制，入口壓力波在隧道內(nèi)往復(fù)傳播，同樣會(huì)改變會(huì)車時(shí)的氣流流場(chǎng)，基于以上因素考慮隧道內(nèi)列車會(huì)車的壓力受到多方面因素的影響，是比較復(fù)雜的。

隨著測(cè)點(diǎn)與隧道峒口距離的變化，隧道內(nèi)壁面上的壓力也不斷變化。當(dāng)測(cè)點(diǎn)為壓縮波時(shí)，測(cè)點(diǎn)的壓力迅速升高;當(dāng)測(cè)點(diǎn)的壓力為膨脹波時(shí)，測(cè)點(diǎn)的壓力快速降低;當(dāng)兩列車會(huì)車時(shí)，壓力出現(xiàn)極值，極值的出現(xiàn)與之前的分析是吻合的，即壓力波由壓縮波變?yōu)榕蛎洸〞r(shí)壓力出現(xiàn)正波極值，當(dāng)壓力波由膨脹波變?yōu)閴嚎s波時(shí)壓力出現(xiàn)負(fù)波極值。從理論上講，列車經(jīng)過隧道時(shí)，遠(yuǎn)離列車側(cè)壁面測(cè)點(diǎn)的壓力變化小于靠近列車側(cè)隧道壁面測(cè)點(diǎn)的壓力變化，本文測(cè)點(diǎn)得到的壓力波動(dòng)與這一規(guī)律不完全吻合，但是基本相同，這是因?yàn)樗y(cè)點(diǎn)在隧道兩側(cè)并不完全對(duì)稱，基本相同體現(xiàn)在隧道中點(diǎn)壓力值最大，并且壓力波動(dòng)變化也最大，而測(cè)點(diǎn)距離隧道口越近壓力變化越小，這說明當(dāng)兩列車以相同的速度在隧道中點(diǎn)會(huì)車時(shí)，對(duì)隧道內(nèi)壁面產(chǎn)生的作用力是最大的。

綜上所述，隧道內(nèi)兩列車交會(huì)時(shí)，車頭前端的壓力降低，列車車身兩側(cè)的壓力也會(huì)有所降低，而列車交會(huì)時(shí)，列車內(nèi)側(cè)的壓力變化情況較為復(fù)雜。

3 建議措施

高速列車隧道內(nèi)會(huì)車，由于隧道長(zhǎng)度相對(duì)來(lái)說較短，隧道內(nèi)空間狹小，隧道壁面的空氣阻力等諸多因素的影響，使得隧道內(nèi)產(chǎn)生瞬變的壓力波。在實(shí)際行車過程中，當(dāng)壓力波過大時(shí)，可能會(huì)使車體側(cè)墻變形，列車車窗被吸出，車體結(jié)構(gòu)被破壞，列車脫軌，列車側(cè)翻，隧道結(jié)構(gòu)破壞等諸多問題。

基于以上分析可得，這種類型的會(huì)車壓力波是列車進(jìn)入隧道時(shí)在隧道入口處形成的壓力波傳播到隧道內(nèi)并在經(jīng)過隧道出口反射回來(lái)后，再與列車交會(huì)的壓力波相遇疊加而成的。列車會(huì)車壓力波與隧道入口壓力波經(jīng)隧道出口反射回來(lái)壓力波是否相遇，是可以通過一定的計(jì)算式來(lái)判斷的。

基于上上分析，為減小隧道內(nèi)壓力變化對(duì)旅客的影響提出以下建議：

（1）提高氣密性。但是由于空調(diào)排風(fēng)口、進(jìn)風(fēng)口的存在不可能達(dá)到完全的密封狀態(tài)，為了提高高速列車運(yùn)行時(shí)的舒適性，可以考慮在列車進(jìn)入隧道交會(huì)時(shí)，關(guān)閉空調(diào)的出風(fēng)口、進(jìn)風(fēng)口，使列車完全封閉，減小噪音和對(duì)旅客的不適感。

（2）車體設(shè)計(jì)。目前，我國(guó)高速列車的車體材料有不銹鋼和鋁合金兩種，并且鋁合金由于其重量輕，耐腐蝕，對(duì)沖擊吸收能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用較為廣泛，但不銹鋼車體強(qiáng)度更好，如何在設(shè)計(jì)上充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，提高列車的使用壽命，從而減小壓力變化對(duì)列車的沖擊，值得進(jìn)一步研究。另一方面，可以從高速列車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上入手，降低交會(huì)壓力波和隧道壓力波變化，提高列車運(yùn)行的安全性及可靠性。

（3）隧道的材料、結(jié)構(gòu)。目前，我國(guó)隧道口微壓力波的標(biāo)準(zhǔn)是在日本標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上制定的，由于我國(guó)國(guó)情與日本存在差異，應(yīng)根據(jù)我國(guó)的實(shí)際情況制定適用于中國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于近年來(lái)提出的水下隧道等一些特殊隧道，應(yīng)考慮特殊的隧道結(jié)構(gòu)，比如緩沖結(jié)構(gòu)等，根據(jù)隧道周圍的環(huán)境，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)合仿真，提出合理的具體方案。

（4）進(jìn)一步提高科研水平。開展試驗(yàn)、提高模擬水平，對(duì)復(fù)雜地段、惡劣環(huán)境進(jìn)行考察，特殊路況，進(jìn)一步降低交會(huì)時(shí)的氣壓波變化，提高乘坐的舒適性、安全性。

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