高速動車組通過合武鐵路湖北段隧道空氣動力性能測試

周亞宇

(鐵道部 工程管理中心，北京 100844)

高速列車進(jìn)入隧道后的空氣動力學(xué)效應(yīng)主要表現(xiàn)在三個(gè)方面，即瞬變壓力、洞口微氣壓波和行車阻力，其中瞬變壓力主要表現(xiàn)在使人的聽覺感到不適。洞口微氣壓波是高速列車進(jìn)入隧道時(shí)的壓縮波在另一端釋放時(shí)發(fā)出爆炸聲，影響周圍環(huán)境。在行車速度、列車斷面積和列車密封系數(shù)一定的情況下，主要影響因素為隧道凈空面積。列車進(jìn)出隧道時(shí)空氣動力學(xué)效應(yīng)影響較為明顯，兩座隧道洞口間距較近時(shí)，列車進(jìn)出隧道時(shí)間間隔很短，短時(shí)間內(nèi)的空氣壓力變化對乘客舒適度影響較大，同時(shí)對列車結(jié)構(gòu)安全也不利。因此在合武鐵路湖北段工程開通運(yùn)營前，有必要對列車通過合武鐵路湖北段隧道時(shí)的空氣動力性能進(jìn)行測試。

1 測試方案和評判標(biāo)準(zhǔn)

1.1 測試目的

①測試雙線隧道內(nèi)瞬變壓力變化規(guī)律，為論證隧道斷面參數(shù)合理性提供依據(jù)。②測試雙線隧道洞口微氣壓波，分析其對周邊環(huán)境的影響，并為研究長隧道中無砟軌道對微氣壓波的激化問題積累試驗(yàn)數(shù)據(jù)。③測試長隧道中輔助坑道對瞬變壓力、微氣壓波的影響，為輔助坑道的設(shè)計(jì)參數(shù)確定及合理利用提供依據(jù)。

1.2 測試方案

1.2.1 測試地點(diǎn)

試驗(yàn)列車為時(shí)速250 km的動車組，在合武鐵路湖北段(灄口—墩義堂區(qū)間)中選擇大別山、碧綠河2座隧道進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。大別山隧道長13 256 m，斷面面積92 m2，無砟軌道，隧道進(jìn)出口均未設(shè)置緩沖結(jié)構(gòu)，隧道中設(shè)置1號、2號斜井(其位置示意見圖1)。

圖1 大別山隧道輔助坑道位置示意(單位:m)

碧綠河隧道長212 m，斷面面積92 m2，有砟軌道，隧道進(jìn)出口均未設(shè)置緩沖結(jié)構(gòu)。大別山隧道出口距離碧綠河隧道進(jìn)口248 m。

1.2.2 測試內(nèi)容及方法

1)瞬變壓力

采用氣壓傳感器測試隧道內(nèi)瞬變壓力，隧道內(nèi)測試斷面縱向布置示意見圖2和圖3。

大別山隧道內(nèi)布置10個(gè)測試斷面，分別位于隧道出口內(nèi) 347 m，377 m，407 m，647 m，677 m，707 m，4 207 m，4 237 m，4 267 m處和斜井內(nèi)。測試斷面邊墻和拱腰位置布置測點(diǎn)。

碧綠河隧道內(nèi)布置3個(gè)測試斷面，分別位于隧道出口內(nèi)76 m，106 m和136 m處，測試斷面邊墻和拱腰位置布置測點(diǎn)。

2)微氣壓波

采用微氣壓波傳感器測試隧道洞口微氣壓波。隧道洞口微氣壓波測點(diǎn)布置示意見圖4。大別山隧道出口外布置3個(gè)微氣壓波測試斷面，分別位于隧道出口外10 m、20 m和50 m處。碧綠河隧道進(jìn)口外布置3個(gè)微氣壓波測試斷面，分別位于隧道進(jìn)口外10 m，20 m和50 m處。

圖2 大別山隧道內(nèi)測試斷面縱向布置示意(單位:m)

圖3 碧綠河隧道內(nèi)測試斷面縱向布置示意(單位:m)

圖4 隧道洞口微氣壓波測點(diǎn)布置示意(單位:m)

3)數(shù)據(jù)采集

采用多通道高速動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的自動采集和存貯，并實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)各測試斷面數(shù)據(jù)的長距離同步實(shí)時(shí)采集和傳輸。

1.3 評判參考標(biāo)準(zhǔn)

1)瞬變壓力。單列列車通過隧道瞬變壓力ΔP＜0.80 kPa/3 s;列車在隧道內(nèi)交會情況瞬變壓力 ΔP＜1.25 kPa/3 s。

2)微氣壓波。隧道洞口20 m處微氣壓波Pmax＜50 Pa。

2 隧道內(nèi)瞬變壓力

2.1 隧道輔助通道打開動車組通過時(shí)隧道內(nèi)瞬變壓力

CRH2-010A動車組通過時(shí)，大別山、碧綠河隧道內(nèi)測點(diǎn)瞬變壓力試驗(yàn)數(shù)據(jù)和氣壓變化曲線(車速200 km/h，250 km/h)見圖 5、圖 6 和圖 7。

動車組車速250 km/h時(shí)，測試數(shù)據(jù)顯示，大別山隧道內(nèi)測得的氣壓變化3 s極值為1.78 kPa、峰對峰極值為2.27 kPa，碧綠河隧道內(nèi)測得的氣壓變化3 s極值為1.70 kPa、峰對峰極值為1.70 kPa。

從圖5和圖6中可以看出，輔助坑道的開啟會使隧道內(nèi)增加一處氣壓反射界面，其位置等參數(shù)的變化會對隧道內(nèi)氣壓變化造成一定影響。

圖5 動車組通過時(shí)大別山隧道距出口377 m測點(diǎn)氣壓變化曲線(車速200 km/h，灄口—墩義堂，2號斜井開啟，隧道長度13 256 m)

圖6 動車組通過時(shí)大別山隧道距出口377 m測點(diǎn)氣壓變化曲線(車速250 km/h，灄口—墩義堂，1號斜井開啟，隧道長度13 256 m)

圖7 動車組通過時(shí)碧綠河隧道距進(jìn)口106 m測點(diǎn)氣壓變化曲線(車速250 km/h，灄口—墩義堂，隧道長度212 m)

2.2 輔助通道關(guān)閉動車組通過時(shí)隧道內(nèi)瞬變壓力

CRH2-010A動車組和CRH2-041A動車組重聯(lián)通過時(shí)，大別山、碧綠河隧道內(nèi)測點(diǎn)瞬變壓力試驗(yàn)數(shù)據(jù)和氣壓變化曲線(車速250 km/h)見圖8和圖9。

圖8 動車組重聯(lián)時(shí)大別山隧道距出口377 m測點(diǎn)氣壓變化曲線(車速250 km/h，灄口—墩義堂，隧道長度13 256 m)

圖9 動車組重聯(lián)時(shí)碧綠河隧道距進(jìn)口106 m測點(diǎn)氣壓變化曲線(車速250 km/h，灄口—墩義堂，隧道長度212 m)

動車組重聯(lián)車速250 km/h時(shí)，大別山隧道內(nèi)測得的氣壓變化3 s極值為1.84 kPa、峰對峰極值為2.54 kPa，碧綠河隧道內(nèi)測得的氣壓變化3 s極值為1.64 kPa、峰對峰極值為1.64 kPa。

從圖5、圖6和圖8的比較可以看出，輔助坑道關(guān)閉時(shí)隧道內(nèi)無新的氣壓反射界面顯現(xiàn)。

2.3 動車組和動車組交會時(shí)隧道內(nèi)瞬變壓力

CRH2-010A動車組和CRH2-041A動車組交會時(shí)，由于大別山隧道進(jìn)口附近區(qū)段限速，動車組(墩—灄)進(jìn)入大別山隧道進(jìn)口時(shí)速度僅達(dá)到200 km/h左右，雖然交會點(diǎn)速度達(dá)到了250 km/h，而隧道內(nèi)氣壓變化規(guī)律主要取決于列車進(jìn)洞速度控制的首波。

CRH2-010A動車組和CRH2-041A動車組交會時(shí)，大別山隧道內(nèi)測點(diǎn)瞬變壓力試驗(yàn)數(shù)據(jù)和氣壓變化曲線(動車組計(jì)劃交會車速250 km/h和250 km/h，實(shí)際進(jìn)洞車速為250 km/h和200 km/h)見圖10。

圖10 動車組和動車組交會時(shí)大別山隧道距出口377 m測點(diǎn)氣壓變化曲線(實(shí)際進(jìn)洞車速為250 km/h和200 km/h，隧道長度13 256 m)

動車組實(shí)際進(jìn)洞車速250 km/h和動車組實(shí)際進(jìn)洞車速200 km/h交會時(shí)，大別山隧道內(nèi)測得的氣壓變化3 s極值為1.93 kPa、峰對峰極值為2.83 kPa。

3 隧道洞口微氣壓波

微氣壓波測點(diǎn)布置在大別山隧道出口和碧綠河隧道進(jìn)口，大別山隧道出口的微氣壓波由墩義堂—灄口方向列車進(jìn)入大別山隧道進(jìn)口的實(shí)際進(jìn)洞車速控制，碧綠河隧道進(jìn)口的微氣壓波由灄口—墩義堂方向列車進(jìn)入碧綠河隧道出口的實(shí)際進(jìn)洞車速控制。由于大別山隧道進(jìn)口附近區(qū)段限速，動車組(墩義堂—灄口)進(jìn)入大別山隧道進(jìn)口時(shí)速度限制在200 km/h左右。

3.1 動車組通過時(shí)隧道洞口微氣壓波

CRH2-010A動車組通過時(shí)，大別山、碧綠河隧道洞口微氣壓波試驗(yàn)(計(jì)劃車速200、250 km/h)測試數(shù)據(jù)顯示，動車組計(jì)劃車速250 km/h時(shí)，大別山隧道洞口20 m處測得微氣壓波極值為8 Pa(實(shí)際進(jìn)洞車速200 km/h)，碧綠河隧道洞口20 m處測得的微氣壓波極值為 22.9 Pa，均 ＜50.0 Pa。

3.2 動車組重聯(lián)時(shí)隧道洞口微氣壓波

CRH2-010A動車組和CRH2-041A動車組重聯(lián)通過時(shí)，大別山、碧綠河隧道洞口微氣壓波試驗(yàn)(計(jì)劃車速250 km/h)測試數(shù)據(jù)顯示，動車組重聯(lián)計(jì)劃車速250 km/h時(shí)，大別山隧道洞口20 m處測得的微氣壓波極值為3 Pa(實(shí)際進(jìn)洞車速190 km/h)，碧綠河隧道洞口20 m處測得的微氣壓波極值為23.4 Pa，均 ＜50.0 Pa。

3.3 動車組和動車組交會時(shí)隧道洞口微氣壓波

CRH2-010A動車組和CRH2-041A動車組交會時(shí)，大別山隧道洞口微氣壓波試驗(yàn)(動車組計(jì)劃交會車速250 km/h和250 km/h，實(shí)際進(jìn)洞車速250 km/h和200 km/h)測試數(shù)據(jù)顯示，動車組計(jì)劃交會車速250 km/h和250 km/h時(shí)，大別山隧道洞口20 m處測得微氣壓波極值為9.7 Pa(實(shí)際進(jìn)洞車速200 km/h)，＜50.0 Pa。

3.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

隧道洞口20 m測點(diǎn)典型微氣壓波變化曲線見圖11、圖 12。

圖11 大別山隧道出口20 m測點(diǎn)微氣壓波變化曲線(動車組實(shí)際進(jìn)洞車速205 km/h，墩義堂—灄口，1號斜井開啟)

圖12 碧綠河隧道進(jìn)口20 m測點(diǎn)微氣壓波變化曲線(動車組車速250 km/h，灄口—墩義堂)

合武鐵路湖北段除大別山隧道外，其余隧道均為有砟軌道隧道，根據(jù)理論分析和國內(nèi)外現(xiàn)場測試資料，有砟軌道隧道洞口的微氣壓波在隧道長度1 km內(nèi)時(shí)變化不大，然后隨著隧道長度的增加而減小。

4 結(jié)論

1)乘客舒適度。動車組在隧道內(nèi)無交會通過合武鐵路湖北段隧道時(shí)，測得的車內(nèi)氣壓變化均＜0.80 kPa/3 s;動車組在大別山隧道內(nèi)交會時(shí)，測得的車內(nèi)氣壓變化小于1.25 kPa/3 s，符合旅客舒適度準(zhǔn)則要求。

2)隧道洞口微氣壓波。① 動車組車速為250 km/h時(shí)，碧綠河隧道洞口20 m處微氣壓波測試值為22.9 Pa，該隧道長度小于1 km，為212 m。根據(jù)理論分析和國內(nèi)外現(xiàn)場測試資料，有砟軌道隧道洞口的微氣壓波在隧道長度為1 km內(nèi)時(shí)變化不大，然后隨著隧道長度的增加而減小，可以推斷，合武鐵路湖北段其余有砟軌道隧道洞口20 m處微氣壓波值也能滿足建議標(biāo)準(zhǔn)(＜50 Pa)的要求。② 合武鐵路湖北段中大別山隧道為無砟軌道隧道，其1號、2號輔助坑道關(guān)閉，動車組重聯(lián)實(shí)際進(jìn)洞車速190 km/h時(shí)，其隧道洞口20 m處微氣壓波測試值為3 Pa，遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)值。由此推算，當(dāng)動車組車速250 km/h時(shí)，大別山隧道洞口20 m處微氣壓波計(jì)算值應(yīng)為19 Pa，也滿足建議標(biāo)準(zhǔn)(＜50 Pa)的要求。③ 大別山隧道1號或2號輔助坑道開啟，動車組實(shí)際進(jìn)洞車速205 km/h時(shí)，其隧道洞口20 m處微氣壓波測試值為8 Pa，計(jì)算得到動車組車速250 km/h時(shí)其隧道洞口20 m處微氣壓波值為16.0 Pa;大別山隧道1號和2號輔助坑道關(guān)閉，動車組重聯(lián)實(shí)際進(jìn)洞車速190 km/h時(shí)，其隧道洞口20 m處微氣壓波測試值為3 Pa，動車組交會實(shí)際進(jìn)洞車速200 km/h時(shí)，其隧道洞口20 m處微氣壓波測試值為9.7 Pa，計(jì)算得到動車組車速250 km/h時(shí)其隧道洞口20 m處微氣壓波值為19 Pa?？梢姶髣e山隧道輔助坑道開啟對隧道洞口微氣壓波起到了一定的消減作用(15%左右)。

綜上所述，合武鐵路湖北段按目標(biāo)速度250 km/h運(yùn)營時(shí)，由列車通過隧道產(chǎn)生的瞬變壓力所決定的乘客舒適度及隧道洞口微氣壓波峰值均能滿足有關(guān)準(zhǔn)則和建議標(biāo)準(zhǔn)的要求。從而證明了合武鐵路湖北段隧道工程設(shè)計(jì)參數(shù)能夠滿足時(shí)速250 km列車運(yùn)行條件。

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