復(fù)雜艱險山區(qū)高速鐵路隧道群空氣動力學(xué)效應(yīng)及緩解措施

陶偉明 吳 劍 史憲明

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司, 成都 610031；2.中鐵西南科學(xué)研究院有限公司, 成都 611731)

高速鐵路隧道空氣動力學(xué)效應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)問題主要包括隧道內(nèi)壓力波的形成及傳播、列車氣動阻力的變化和隧道洞口的微氣壓波，其直接影響列車運(yùn)行安全性、工程經(jīng)濟(jì)性、乘員舒適性以及隧道周邊環(huán)境等。

上世紀(jì)60年代日本新干線投入運(yùn)營后，以日、法、德、英為代表的發(fā)達(dá)國家圍繞高速鐵路隧道空氣動力效應(yīng)進(jìn)行了大量研究。日本由于列車速度較低、隧道凈空斷面較小且大多采用無砟軌道，在改善列車流線型和密封性能后，研究重點(diǎn)側(cè)重于微氣壓波的形成機(jī)理、傳播規(guī)律、計算方法以及削減措施[1-4]。西歐國家由于列車速度較高、隧道凈空斷面較大且大多采用有砟軌道，對洞口微氣壓波的研究較少，但在隧道壓力波、乘車舒適度以及列車空氣阻力方面的研究較多[5-8]。自上世紀(jì)90年代起，我國采用模型試驗(yàn)、現(xiàn)場測試、理論分析和數(shù)值模擬等手段，比較全面地開展了高速鐵路隧道空氣動力學(xué)效應(yīng)方面的研究工作[9-16]，形成了一套高速鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。

盡管國內(nèi)外在前期對高速鐵路隧道空氣動力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行了大量的研究，但絕大多數(shù)是以列車通過單個隧道為前提開展的。結(jié)合我國鐵路最新的發(fā)展形勢，仍有諸多問題需要解決，復(fù)雜艱險山區(qū)高速鐵路隧道群空氣動力學(xué)效應(yīng)就是其中之一，且截止目前，其相應(yīng)的研究還鮮為少見[17-18]。

基于此，本文從壓力波動、空氣阻力和微氣壓波這幾個方面入手，明確了隧道群空氣動力學(xué)效應(yīng)與單個隧道的差異，闡述了隧道群空氣動力學(xué)效應(yīng)的變化規(guī)律，提出了相應(yīng)的緩解措施以及隧道群連接明洞的設(shè)置原則，以期為高速鐵路隧道設(shè)計工作提供參考。

1 隧道群與單個隧道空氣動力學(xué)效應(yīng)的差異

1.1 壓力波動

車長為200 m的列車以350 km/h的速度，通過由3個長度分別為370 m、630 m和 1 000 m的隧道(明線間距均為50 m)組成的隧道群時，其車頭氣壓曲線如圖1所示。

圖1 列車通過隧道群時的車頭壓力波動曲線圖

由圖1可以看出，較之等長(含明線間距)單個隧道，列車通過隧道群過程中，由于較為“頻繁”地進(jìn)出隧道，使得隧道群內(nèi)列車車體承受的壓力波動次數(shù)明顯增多，即列車在隧道群中運(yùn)行時，車體表面保持壓力恒定的時間明顯短于單個等長隧道。組成隧道群的隧道長度越短，明線間距越小，這種現(xiàn)象就越明顯，對車體強(qiáng)度和車內(nèi)乘客舒適度的保持就愈加不利。

1.2 空氣阻力

為考察隧道群與單個隧道在空氣阻力方面的差異，分別對列車通過等長單一隧道和隧道群的空氣阻力進(jìn)行計算，計算工況如表1所示。其中，隧道群由3個長度分別為1 km、3 km和5 km的隧道組成，明線間距均為50 m。

表1 空氣阻力計算工況表

列車分別通過隧道群及等長單個隧道時的空氣阻力計算結(jié)果如表2所示，列車通過隧道群時的空氣阻力曲線如圖2所示。

表2 空氣阻力計算結(jié)果表

圖2 列車通過隧道群時的空氣阻力曲線圖

由表2和圖2可知，列車通過隧道群時的平均空氣阻力和最大空氣阻力均較通過等長單個隧道時有所減小，其中平均空氣阻力減小了1.6%，最大空氣阻力減小了0.3%。其原因在于列車在隧道群中運(yùn)行時，部分時間處于明線之上，且前一個隧道的活塞風(fēng)對后一個隧道有所影響。

1.3 洞口微氣壓波

(1)單個列車運(yùn)行時洞口微氣壓波的差異

車速350 km/h、車長200 m的列車分別通過明線間距為30 m、50 m、75 m、100 m的隧道群時，第一個隧道出口20 m、50 m處的微氣壓波峰值和單個隧道(隧道長與隧道群中的第一個隧道長度相等)同一位置處的微氣壓波峰值計算結(jié)果如表3所示，相對量曲線如圖3所示。隧道斷面面積為70 m2，隧道群中每個隧道的長度均為 1 000 m。

表3 微氣壓波計算結(jié)果表

圖3 微氣壓波峰值相對量圖

由表3和圖3可知，受相鄰隧道洞門墻的影響，隧道群明線間距上測點(diǎn)的微氣壓波峰值較單個隧道同一位置處有所增大，且明線間距越小，增大越顯著。隧道群明線間距大于100 m時，隧道群洞口微氣壓波峰值與單個隧道基本相同。

(2) 兩列列車相向運(yùn)行時洞口微氣壓波的差異

兩列列車分別從隧道群兩側(cè)相向運(yùn)行時，兩隧洞口的微氣壓波可能會同時出現(xiàn)在明線范圍內(nèi)，當(dāng)微氣壓波頻率十分接近時，兩隧洞口的微氣壓波會在明線某處產(chǎn)生疊加，使得微氣壓波峰值大幅增加，如圖4所示。

圖4 隧道群微氣壓波疊加示意圖

2 隧道群空氣動力學(xué)效應(yīng)變化規(guī)律

隧道群是由具有一定明線間距的單個隧道組成的，單個隧道的空氣動力學(xué)效應(yīng)變化規(guī)律同樣適用于隧道群，但隧道群和單個隧道在空氣動力學(xué)效應(yīng)上的差異，使得道群空氣動力學(xué)效應(yīng)的影響因素及變化規(guī)律具有獨(dú)特之處。

2.1 隧道群壓力波動

(1)隧道內(nèi)及車體表面壓力波動

模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果均表明，高速列車通過隧道群時，隧道間距對隧道內(nèi)及車體表面壓力波動的影響不大，可以忽略。

(2) 密封列車車內(nèi)壓力波動

計算車長為200 m的列車，以350 km/h的速度通過由3個隧道組成的隧道群時，車頭和車尾內(nèi)的瞬變壓力，以考察不同明線間距下密封列車車內(nèi)瞬變壓力的變化規(guī)律。3個隧道的斷面面積均為100 m2，長度均為0.5 km。列車動態(tài)密封指數(shù)為2～20 s(2 s為1個計算間隔)。隧道群中各隧道之間明線間距相同，分別為30 m、50 m、100 m、150 m和200 m。列車通過隧道群時車內(nèi)瞬變壓力的計算結(jié)果如表4所示，列車通過明線間距為30 m的隧道群時，車頭和車尾內(nèi)的氣壓變化曲線分別如圖5、圖6所示。

表4 列車通過隧道群時車內(nèi)瞬變壓力計算結(jié)果表

圖5 車頭內(nèi)壓力變化曲線圖

圖6 車尾內(nèi)壓力變化曲線圖

由計算結(jié)果可知，密封列車車頭瞬變壓力與明線間距無關(guān)，車尾瞬變壓力總體上隨著明線間距的增大而減小。

2.2 隧道群空氣阻力

通過計算列車通過3個長度相同，明線間距不同的隧道群時對應(yīng)的空氣阻力，來考察明線間距對隧道群空氣阻力的影響，計算工況如表5所示。

表5 計算工況表

列車通過單個隧道以及明線間距分別為50 m、100 m和150 m隧道群時的平均空氣阻力和最大空氣阻力如表6所示。

表6 列車通過單個隧道及不同明線間距隧道群時的空氣阻力表

工況平均空氣阻力/kN平均空氣阻力增加值/%最大空氣阻力/kN最大空氣阻力增加值/%單個隧道(長2 km)84.52-112.82-隧道群(每個隧道長2 km,間距50 m)84.780.15115.512.38隧道群(每個隧道長2 km,間距100 m)84.890.28114.721.68隧道群(每個隧道長2 km,間距150 m)85.110.54113.670.75

由表6可以看出，較之單個隧道，隧道群明線間距為50 m時，列車平均空氣阻力和最大空氣阻力分別增大0.15%和2.38%；明線間距為100 m時，列車平均空氣阻力和最大空氣阻力分別增大0.28%和1.68%；明線間距為150 m時，列車平均空氣阻力和最大空氣阻力分別增大0.54%和0.75%。這說明隧道群的列車平均空氣阻力和最大空氣阻力較單個隧道均有一定程度的增加。隨著明線間距的增大，列車在明線上運(yùn)行時間的占比提高，最大空氣阻力增加的趨勢有所減小；但前一個隧道活塞風(fēng)對后一個隧道影響的減弱，使得平均空氣阻力的增加趨勢有所提升。

2.3 隧道群洞口微氣壓波

(1)單列列車通過隧道群

隧道群明線間距小于100 m時，隧道群洞口微氣壓波峰值有所增大，但其隨著明線間距的增加而減小；明線間距大于100 m時，隧道群洞口微氣壓波峰值基本與列車通過單個隧道時相同。這一變化規(guī)律無論對有砟軌道隧道群還是無砟軌道隧道群均適用。

(2)兩列列車相向運(yùn)行通過隧道群

兩列列車在隧道群中相向運(yùn)行且在同一個隧道內(nèi)交會時，隧道洞口微氣壓波變化規(guī)律與單列列車通過隧道群時洞口微氣壓波的變化規(guī)律相同。

兩列列車相向運(yùn)行但未在同一個隧道內(nèi)交會時，兩隧道洞口微氣壓波在明線上可能存在疊加現(xiàn)象(微氣壓波頻率十分接近時)。車速為350 km/h的兩列列車相向運(yùn)行，通過明線間距為50 m的有砟軌道和無砟軌道隧道群(斷面面積為100 m2)時，距前一隧道出口20 m處明線疊加點(diǎn)的微氣壓波峰值曲線如圖7所示。從圖中可以看出，微氣壓波的疊加效應(yīng)隨明線間距的增大而減弱，當(dāng)明線間距大于100 m時，基本上可以不考慮微氣壓波的疊加效應(yīng)。

3 減緩隧道群空氣動力學(xué)效應(yīng)的技術(shù)措施

減緩隧道群空氣動力效應(yīng)的措施很多，主要可以從列車和隧道(土建)兩方面入手。列車方面主要通過降低列車速度、減小列車通過密度、提高列車密封性能、減小車體橫斷面積、改善車頭形狀和增加車體外圍部件平滑性等措施來實(shí)現(xiàn)。隧道方面可通過增大隧道有效凈空面積、洞口設(shè)置緩沖結(jié)構(gòu)、洞身設(shè)置輔助坑道(如括豎井、斜井、橫通道、平行導(dǎo)坑等)等土建措施來達(dá)到目的。對于明線間距較小的隧道群，還可通過連接明洞來減緩隧道空氣動力效應(yīng)。

3.1 列車方面減緩隧道空氣動力學(xué)效應(yīng)的技術(shù)措施

列車方面減緩隧道空氣動力學(xué)效應(yīng)的技術(shù)措施及其優(yōu)缺點(diǎn)如表7所示。

3.2 隧道方面減緩隧道空氣動力學(xué)效應(yīng)的技術(shù)措施

隧道方面減緩隧道空氣動力學(xué)效應(yīng)的技術(shù)措施及其優(yōu)缺點(diǎn)如表8所示。

圖7 明線間距50 m隧道群距隧道出口20 m處的微氣壓波峰值圖

表7 列車方面減緩空氣動力學(xué)效應(yīng)的技術(shù)措施及其優(yōu)缺點(diǎn)表

表8 隧道方面減緩空氣動力學(xué)的技術(shù)措施及其優(yōu)缺點(diǎn)表

4 隧道群連接明洞設(shè)置原則

4.1 不開口連接明洞

(1)車內(nèi)外壓力波動方面

采用連接明洞可有效地減小車外壓力波動次數(shù)，但應(yīng)注意明洞連接后的隧道長度，避免與對應(yīng)時速的瞬變壓力最不利隧道長度接近，以免對乘客舒適度產(chǎn)生不利影響。

(2)列車空氣阻力方面

隧道群連接明洞后，列車空氣阻力較未連接時有所增加。根據(jù)單個隧道列車空氣阻力研究成果，單線隧道群中隧道長度大于7 km或雙線隧道群中隧道長度大于3 km時，即使采用明洞連接形成了一個更長的隧道，列車受到的空氣阻力也無明顯增加。

(3)隧道洞口微氣壓波方面

基于有砟軌道隧道洞口微氣壓波隨隧道長度增大而減小的特點(diǎn)，有砟軌道隧道群連接明洞可更加有效地減緩微氣壓波；無砟軌道隧道存在“微氣壓波激化效應(yīng)”，隧道群連接明洞應(yīng)盡量避免連接后的隧道長度接近產(chǎn)生“微氣壓波激化效應(yīng)”所對應(yīng)的隧道長度。

4.2 開口連接明洞

在連接明洞結(jié)構(gòu)上開口，列車進(jìn)入隧道產(chǎn)生的壓縮波到達(dá)連接明洞位置時，部分壓力波將從開口處釋放，可消減壓縮波波前梯度，從而降低隧道出口的微氣壓波峰值，開口連接明洞對隧道洞口微氣壓波減緩作用如圖8所示。

圖8 開口連接明洞對隧道洞口微氣壓波減緩作用示意圖

假定列車以350 km/h的速度通過2個長度均為500 m、斷面面積均為100 m2、明線間距為100 m的隧道，按照隧道之間是否設(shè)置連接明洞及連接明洞的開口方式分為4種工況，各工況設(shè)計參數(shù)及對應(yīng)的明洞結(jié)構(gòu)布設(shè)如表9所示。

表9 各工況設(shè)計參數(shù)及對應(yīng)的明洞結(jié)構(gòu)布設(shè)

分別計算4種工況下隧道出口處的波前氣壓梯度，以考察連接明洞開口參數(shù)對洞口微氣壓波的減緩作用。4種工況下，后一個隧道出口處的波前氣壓梯度計算結(jié)果及曲線分別如表10和圖9所示。

表10 氣壓梯度計算結(jié)果表

注：“+”表示增加，“-”表示減小

圖9 氣壓梯度曲線圖

從表10和圖9可以看出，隧道之間采用帶有開口的明洞連接時，出口處測點(diǎn)的氣壓梯度最大值均較無明洞和采用不開口明洞連接時有所減小。工況4的開口形式對降低波前壓力梯度效果明顯，微氣壓可降低16.3%，這說明采用帶有開口的明洞可減緩洞口微氣壓波，但開口尺寸并不是越大越好，應(yīng)盡量遵循“多開口、開小口”的原則，多階段地對氣壓梯度進(jìn)行減緩，從而達(dá)到降低洞口微氣壓波的目的。

5 結(jié)束語

經(jīng)過多年的努力，我國高速鐵路再隧道空氣動力學(xué)效應(yīng)研究方面取得了一系列世界領(lǐng)先的創(chuàng)新科研成果，豐富和發(fā)展了中國隧道的設(shè)計理論和方法，對相關(guān)學(xué)科的發(fā)展起到了積極的促進(jìn)作用。結(jié)合多年生產(chǎn)和科研經(jīng)驗(yàn)，針對中國高速鐵路隧道群空氣動力學(xué)效應(yīng)研究中存在的問題，提出如下建議：

(1)實(shí)測表明，高速列車通過隧道群時，由于車外壓力頻繁波動，導(dǎo)致車內(nèi)氣壓3 s變化值，雖小于舒適度標(biāo)準(zhǔn)的要求，但仍會使乘客感到不適，這一點(diǎn)對于長大鐵路隧道群尤為突出。因此，建議提出適合中國國情的隧道群復(fù)合型耳膜舒適度標(biāo)準(zhǔn)，如分別對1 s、3 s、10 s、60 s車內(nèi)氣壓變化提出相應(yīng)控制標(biāo)準(zhǔn)。

(2)目前我國隧道洞口微氣壓波的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)是參照日本新干線標(biāo)準(zhǔn)制定的，日本新干線多數(shù)經(jīng)過城市，線路周邊居民密度較大，因此，建議我國隧道設(shè)計時，根據(jù)線路周邊居民居住和野生動物活動范圍的實(shí)際情況，在達(dá)到環(huán)評要求的前提下，適當(dāng)放松微氣壓波標(biāo)準(zhǔn)。

(3)建議在確定高速鐵路隧道群緩沖結(jié)構(gòu)、橫通道、豎井、聯(lián)絡(luò)通道以及中隔墻等結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)過程中，重視數(shù)值模擬發(fā)揮的作用。