隧道附屬設施氣動效應分析

2022-05-10 04:32:24方雨菲馬偉斌程愛君郭小雄王辰杜曉燕

鐵道建筑 2022年4期

方雨菲馬偉斌程愛君郭小雄王辰杜曉燕

中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

作為基礎工程，隧道工程是鐵路工程特別是高速鐵路的重要組成部分。每座隧道中存在數量不等的附屬設施，包括信號燈、指示燈、通信電纜支架（邊墻）、設備洞室門（邊墻）、風機（邊墻）、聯絡通道防護門、水溝蓋板、信號設備箱等。早期我國對附屬設施重視不足，相關研究也較少。近年來部分隧道出現了附屬設施疲勞損傷、使用性能下降甚至影響列車運營安全的問題。列車高速通過隧道及在隧道內交會時會產生壓力波并在隧道內傳播，該壓力波會對隧道內附屬設施產生影響，附屬設施受環境因素及壓力波長期作用，會出現疲勞損傷，使用性能下降，從而對附屬設施的使用壽命產生影響。附屬設施的變形、松動或脫落可能引發安全事故。隨著列車速度的提高，列車通過隧道時氣動效應對附屬設施的影響更為顯著，為實現高速鐵路安全運營的要求，需要對氣動荷載對附屬設施的作用進行深入細致的研究。

自20世紀60年代日本新干線投入運營后，國內外專家學者相繼圍繞高速鐵路空氣動荷載學問題開展了一系列研究。Howe等［1-2］用相似理論試驗研究了隧道內壓縮波對隧道洞口微氣壓波的影響規律，提出了列車進入隧道產生的壓縮波的解析模型。Schetz［3］分析了高速列車空氣動力學問題與其他交通工具的區別，尤其是現代高速列車，包括磁懸浮列車。Mok［4］研究了斜切式洞門和多孔緩沖結果對壓力時間梯度的降低效果。Raghunathan等［5］研究了高速列車氣動研究現狀，重點介紹了緩解高速列車氣動問題的合理控制措施。Rabani［6］采用重構網格法研究了隧道入口處車-隧相互作用特性，分析了列車運行速度、通風口等對壓力波、阻力、側向力系數的影響。梅元貴［7］分析了高速鐵路隧道壓力波的傳播特性。田紅旗［8］討論了典型列車的空氣動力學性能，建立了列車交會壓力波、線間距、安全避讓距離的理論關系式。王劍英等［9］針對高速列車進出雙線大斷面隧道的空氣動力學問題，對不同結構形式的隧道出口微氣壓波進行了數值模擬及理論推導。史憲明等［10］研究了單列列車通過無輔助坑道長大鐵路隧道時的空氣阻力計算方法，建立了基于非恒定流和車頭車尾壓差的空氣阻力計算公式。施成華等［11］分析了高速列車在隧道內運行過程中所產生的壓力變化過程和分布特性，計算了列車運行過程中隧道內不同位置最大負壓。馬偉斌等［12］分析了隧道洞口微氣壓波的影響因素及洞口微氣壓波的產生機理。劉峰等［13］采用實車試驗方法對高速列車穿越雙線隧道引發的隧道壁面氣動壓力進行測試，分析了不同位置測點在列車通過階段和列車駛出階段的壓力峰值。馬輝等［14］基于一維、可壓縮、非定常的流動假設，推導了車內瞬變壓力、洞口微氣壓波和空氣阻力計算公式。房倩等［15］分析了高速鐵路隧道壁面氣動荷載特征和變化規律，論述了現場實車測試、動模型試驗以及數值仿真模擬三種研究手段的技術現狀與未來發展趨勢。

目前隧道空氣動力學研究集中于壓縮波的特征、微氣壓波影響因素及緩解方案研究等方面，關于隧道內壓力波對附屬設施的影響的現場測試研究相對較少。本文介紹隧道附屬設施及隧道主體結構氣動荷載、加速度和列車風測試方法，對速度、車型、隧道長度、編組、季節等對氣動荷載的影響及速度和車型對加速度和列車風的影響進行分析。

1 現場測試

選取1號隧道（2.8 km）、2號隧道（1.0 km）和3號隧道（6.8 km）作為測試對象，在隧道內不同附屬設施表面及隧道壁上布置氣壓傳感器、加速度傳感器，在隧道內布置超聲波風速儀，測試動車組分別以速度300、350 km/h通過隧道時附屬設施和隧道壁承受的氣動荷載、振動特性和隧道內列車風。隧道附屬設施主要包括插座箱、大型箱、監控箱、照明控制箱、低壓箱、軌旁設備、水溝蓋板、照明箱、下墜錨護板、照明燈和指示燈等。

在隧道內附屬設施及隧道壁安裝氣壓傳感器和加速度傳感器，測試動車組高速通過時附屬設施和主體結構氣動荷載、振動特性。在隧道內邊墻位置安裝超聲波風速儀，測試動車組高速通過時列車風變化。氣壓傳感器選取CYG516型薄形壓力傳感器，量程有2、5、10、25、40、60、100 kPa等規格，準確度等級0.15%FS。該傳感器外形為薄圓扣式，最小直徑為12 mm，厚度為4.5 mm，可以直接貼裝或挖淺坑埋下平貼齊模型表面安裝，基本不影響被測流場。加速度傳感器選用北京泰澤科技開發有限公司采用微集成電路芯片設計制造的TG系列IC加速度傳感器。超聲波風速儀為英國Gill公司的Wind Sonic，量程為60 m/s，分辨率為0.01 m/s。