基于車內(nèi)瞬變壓力變化的400 km/h高速鐵路隧道凈空面積探討

史憲明， 吳 劍, ， 萬曉燕， 陳洋宏

(1. 中鐵西南科學研究院有限公司， 四川 成都 611731； 2. 中國鐵道科學研究院集團有限公司， 北京 100081)

0 引言

長期以來，由于列車運營速度較低，隧道空氣動力學效應(yīng)在我國一直未引起足夠重視。隨著客運專線及高速鐵路的大量開通，國內(nèi)學者相繼開展了高速鐵路隧道空氣動力學效應(yīng)研究工作[1-4]，并參考國外關(guān)于高速鐵路隧道凈空面積的相關(guān)標準，提出速度目標值為200～350 km/h時隧道凈空面積建議值并納入規(guī)范[5]。為推進中國高速鐵路隧道技術(shù)標準深化研究，國內(nèi)已經(jīng)開展400 km/h隧道空氣動力學效應(yīng)的基礎(chǔ)研究工作，以期為列車進一步提速做好理論準備，其中一項重要的研究內(nèi)容為對應(yīng)速度目標值下的隧道凈空面積。

文獻[6]有關(guān)條款規(guī)定，高速鐵路隧道斷面尺寸的確定最重要的考量因素就是列車內(nèi)瞬變壓力的變化能否符合乘客舒適度標準。因此，確定高速鐵路隧道凈空面積時除考慮隧道建筑限界和機車車輛限界外，還需重點關(guān)注列車通過隧道時的車內(nèi)瞬變壓力是否超標，文獻[7]正是基于此對我國城際鐵路隧道凈空斷面進行討論。然而，目前國內(nèi)外學者對400 km/h列車通過隧道時的車內(nèi)瞬變壓力變化規(guī)律研究較少，尚未有結(jié)合我國現(xiàn)役列車密封性能根據(jù)舒適度標準提出400 km/h高速鐵路隧道凈空面積建議值的文獻。

本文從列車車內(nèi)瞬變壓力入手，首先建立基于舒適度標準的高速鐵路隧道凈空面積確定方法，隨后通過計算和分析討論了現(xiàn)有350 km/h隧道運營400 km/h列車的可能性，而后提出400 km/h隧道凈空斷面建議值。文中提出的400 km/h高速鐵路隧道凈空面積建議值和對應(yīng)的密封性能要求可為有關(guān)標準、規(guī)范的制訂提供參考。

1 基于舒適度標準的高速鐵路隧道凈空面積研究方法

據(jù)以往研究成果[8]，當其他參數(shù)不變而僅是隧道凈空面積變化時，車內(nèi)瞬變壓力對應(yīng)的最不利隧道長度是不變的。由此確定基于舒適度標準的高速鐵路隧道凈空面積研究方法為： 首先，以現(xiàn)有規(guī)范規(guī)定的運營時速最接近的隧道凈空面積為基準，計算列車通過不同長度隧道時的車外瞬變壓力，同時根據(jù)不同列車動態(tài)密封指數(shù)計算車內(nèi)瞬變壓力，并找出最不利隧道長度；然后，改變隧道凈空面積計算車內(nèi)瞬變壓力，直至剛好滿足舒適度標準。

2 關(guān)于列車動態(tài)密封指數(shù)的說明

文獻[6]表明： 反映列車密封性能的指標有準靜態(tài)密封指數(shù)和動態(tài)密封指數(shù)2種，并著重強調(diào)在隧道設(shè)計中對列車氣密性的衡量應(yīng)采用能夠真實反映列車-隧道動態(tài)系統(tǒng)中列車內(nèi)外的氣壓變化的動態(tài)密封指數(shù)。文獻[6]同時給出了2種得到列車動態(tài)密封指數(shù)的方法： 一種是通過整車全尺寸現(xiàn)場試驗，根據(jù)車內(nèi)外氣壓曲線反推出列車的動態(tài)密封指數(shù)；另一種為對一節(jié)車廂的準靜態(tài)密封指數(shù)做1/3～1/2的折減來估算動態(tài)密封指數(shù)，其中通過現(xiàn)場試驗的方法得出的動態(tài)密封指數(shù)較為準確。文獻[9]在新建高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試試驗中基于動態(tài)密封指數(shù)的定義，在測得車內(nèi)外氣壓隨時間的變化曲線后，得到了列車的動態(tài)密封指數(shù)。

3 既有高速鐵路隧道運營400 km/h列車的可能性分析

3.1 列車內(nèi)外瞬變壓力計算方法

列車內(nèi)外瞬變壓力的計算方法及驗證見文獻[7]，本文不再贅述。

3.2 列車內(nèi)外瞬變壓力計算參數(shù)

3.2.1 隧道計算參數(shù)

我國既有運營速度最高的高速鐵路隧道為350 km/h。根據(jù)TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》[5]，350 km/h單、雙線隧道凈空斷面面積分別為70、100 m2，對應(yīng)的斷面周長分別為30.79、36.14 m。隧道壁面摩擦因數(shù)取為0.005，隧道長度取為0.4～30 km。其中： 長度小于5 km時，取0.1 km為一計算步長；長度在5～10 km時，取0.5 km為一計算步長；長度在10～20 km時，取2 km為一計算步長；長度在20～30 km時，取5 km為一計算步長。

本文不考慮單個列車在雙線隧道中運行的情況，因為列車在雙線隧道內(nèi)交會運行時的車內(nèi)瞬變壓力顯然要大一些。列車在隧道中交會位置不同，車內(nèi)瞬變壓力也不相同。根據(jù)文獻[10]可知，列車在隧道中點交會時車內(nèi)瞬變壓力最大，因此取中點交會這一種工況進行計算。

3.2.2 列車計算參數(shù)

選取CRH3型動車組為研究對象。短編組列車長度為200 m，長編組列車長度為400 m。車速取為400 km/h，列車斷面面積取為11.6 m2，斷面周長取為12.74 m，車體表面摩擦因數(shù)取為0.004 5，車頭壓力損失系數(shù)取為0.060，車尾壓力損失系數(shù)取為阻塞比的平方，列車動態(tài)密封指數(shù)取為0～25 s，其中1 s為一計算步長。

3.2.3 其他計算參數(shù)

空氣密度取為1.225 kg/m3，空氣比熱比取為1.4，聲速取為340 m/s，隧道洞口氣壓損失系數(shù)取為0.5，隧道洞口大氣壓取為101 325 Pa。

3.2.4 舒適度標準

根據(jù)鐵建設(shè)[2007]88號《鐵路隧道設(shè)計施工有關(guān)標準補充規(guī)定》[11]，當線路中隧道所占比例大于25%或通過隧道大于4座/h時，單、雙線隧道對應(yīng)的舒適度標準分別為0.8、1.25 kPa/3 s。

3.3 計算結(jié)果與分析

列車車速為400 km/h時，短編組列車(車長200 m)和長編組列車(車長400 m)在單線隧道內(nèi)運行時不同隧道長度對應(yīng)的車內(nèi)瞬變壓力最大值(車頭、車尾)分別見圖1和圖2。

(a) 車頭

(b) 車尾

圖1短編組列車通過單線隧道時的車內(nèi)瞬變壓力

Fig. 1 Internal transient pressure when short marshaling trains pass through single-line tunnels

(a) 車頭

(b) 車尾

圖2長編組列車通過單線隧道時的車內(nèi)瞬變壓力

Fig. 2 Internal transient pressure when long marshaling trains pass through single-line tunnels

列車車速為400 km/h時，短編組列車(車長200 m)和長編組列車(車長400 m)在雙線隧道內(nèi)中點交會運行時不同隧道長度對應(yīng)的車內(nèi)瞬變壓力(車頭、車尾)分別見圖3和圖4。

(a) 車頭 (b) 車尾

圖3短編組列車中點交會通過雙線隧道時的車內(nèi)瞬變壓力

Fig. 3 Internal transient pressure when short marshaling trains operating in opposite directions and meet at middle of double-line tunnels

(a) 車頭

(b) 車尾

圖4長編組列車中點交會通過雙線隧道時的車內(nèi)瞬變壓力

Fig. 4 Internal transient pressure when long marshaling trains operating in opposite directions and meet at middle of double-line tunnels

不同動態(tài)密封指數(shù)下400 km/h的短、長編組列車在350 km/h單、雙線隧道內(nèi)運行時對應(yīng)的車內(nèi)瞬變壓力見表1—4。

由表1—4可知，350 km/h高速鐵路隧道以400 km/h運營時，列車所需的動態(tài)密封性能要求如表5所示。

表1 單線隧道列車車內(nèi)瞬變壓力(車長200 m)

表2 單線隧道列車車內(nèi)瞬變壓力(車長400 m)

表3雙線隧道中點交會列車車內(nèi)瞬變壓力(車長200m)

Table 3 Internal transient pressure when trains operate in opposite directions and meet at middle of double-line tunnels (train length of 200 m)

隧道凈空面積計算基準/m2動態(tài)密封指數(shù)/s最不利隧道長度/m位置瞬變壓力最大值/(kPa/3 s)動態(tài)密封指數(shù)/s最不利隧道長度/m位置瞬變壓力最大值/(kPa/3 s)1000600車頭12.49131 400車頭1.231700車頭7.43141 400車頭1.1521 000車頭5.13151 400車頭1.0831 200車頭3.94161 400車頭1.0241 200車頭3.24171 400車頭0.9651 300車頭2.75181 400車頭0.9161 300車頭2.39191 400車頭0.8771 300車頭2.11201 400車頭0.8381 300車頭1.89211 400車頭0.7991 300車頭1.71221 400車頭0.76101 300車頭1.56231 400車頭0.73111 400車頭1.43241 400車頭0.70121 400車頭1.32251 400車頭0.67

表4雙線隧道中點交會列車車內(nèi)瞬變壓力(車長400m)

Table 4 Internal transient pressure when trains operate in opposite directions and meet at middle of double-line tunnels (train length of 400 m)

隧道凈空面積計算基準/m2動態(tài)密封指數(shù)/s最不利隧道長度/m位置瞬變壓力最大值/(kPa/3 s)動態(tài)密封指數(shù)/s最不利隧道長度/m位置瞬變壓力最大值/(kPa/3 s)10001 200車頭14.24137 000車頭1.6211 200車頭11.08147 000車頭1.5121 300車頭8.04157 000車頭1.4131 300車頭6.06169 500車頭1.3341 300車頭4.78179 500車頭1.2551 400車頭3.92189 500車頭1.1961 400車頭3.33199 500車頭1.1271 400車頭2.88209 500車頭1.0781 400車頭2.53219 500車頭1.0296 500車頭2.27229 500車頭0.97106 500車頭2.07239 500車頭0.93116 500車頭1.89249 500車頭0.89127 000車頭1.752510 000車頭0.85

表5350km/h高速鐵路隧道以400km/h運營時對應(yīng)的列車密封性能要求

Table 5 Dynamic airtightness requirements for trains operating in 350 km/h high-speed railway tunnel at 400 km/h

車長/m列車動態(tài)密封指數(shù)要求/s單線隧道雙線隧道中點交會200≥16≥13400≥22≥17

由表5可知: 短編組列車通過單線隧道或中點交會通過雙線隧道時所需動態(tài)密封指數(shù)要求分別為不小于16 s和不小于13 s；長編組列車所需動態(tài)密封指數(shù)要求分別為不小于22 s和不小于17 s。在實際行車調(diào)度中，采用長編組列車不可避免。因此可認為，從舒適度標準角度考慮，列車密封性能要求是由長編組列車通過單線隧道控制的，現(xiàn)有350 km/h高鐵隧道中運行400 km/h列車時對應(yīng)的動態(tài)密封指數(shù)應(yīng)不小于22 s。

按照相關(guān)標準[12]，350 km/h動車組的準靜態(tài)密封指數(shù)要求為不小于50 s。由第2節(jié)關(guān)于列車動態(tài)密封指數(shù)的說明可知，列車動態(tài)密封指數(shù)可認為是準靜態(tài)密封指數(shù)的1/3～1/2，這樣可得出350 km/h動車組的估算動態(tài)密封指數(shù)為18～25 s。同樣,通過對車內(nèi)瞬變壓力的計算發(fā)現(xiàn)(見表6)，現(xiàn)有350 km/h高鐵隧道內(nèi)運行350 km/h列車時，對應(yīng)的動態(tài)密封指數(shù)為不小于18 s，與依據(jù)相關(guān)標準得出的估算動態(tài)密封指數(shù)下限值恰好相符，而上限值預(yù)留了相對足夠的空間，對應(yīng)列車密封性能隨著運營時間的增長而下降這一客觀事實。

表6350km/h高速鐵路隧道以350km/h運營時對應(yīng)的列車密封性能要求

Table 6 Dynamic airtightness requirements for trains operating in 350 km/h high speed rail tunnel at 350 km/h

車長/m列車動態(tài)密封指數(shù)要求/s單線隧道雙線隧道中點交會200≥12≥10400≥18≥14

國內(nèi)現(xiàn)無針對400 km/h動車組密封性能的標準。但顯然，對現(xiàn)有350 km/h列車密封性能標準而言，22 s這個動態(tài)密封指數(shù)要求較高，超過了估算動態(tài)密封指數(shù)的下限值，接近估算動態(tài)密封指數(shù)的上限值，沒有預(yù)留足夠的下降空間。因此，從舒適度標準的角度而言，現(xiàn)役350 km/h列車在既有隧道內(nèi)以400 km/h運營存在較大風險，列車的密封性能可能在出廠時就達不到要求，或者運營一段較短的時間后密封性能下降使得車內(nèi)瞬變壓力超標。

4 對400 km/h高速鐵路隧道凈空面積的探討

在現(xiàn)有列車密封水平的前提下，為降低400 km/h列車在隧道內(nèi)運營時車內(nèi)瞬變壓力超標的可能，有必要對現(xiàn)有350 km/h隧道凈空面積進行調(diào)整。根據(jù)第1節(jié)提出的基于舒適度標準的高速鐵路隧道凈空面積研究方法，以既有350 km/h隧道凈空斷面為基準，首先計算得出不同動態(tài)密封指數(shù)(不超過22 s)的長編組列車通過最不利長度單線隧道(最不利長度數(shù)值見表2)時的車內(nèi)瞬變壓力在滿足隧道舒適度標準的前提下,對應(yīng)的列車動態(tài)密封指數(shù)要求以及對應(yīng)的單線隧道凈空面積，然后保持列車動態(tài)密封指數(shù)不變，計算長編組列車在雙線隧道內(nèi)中點交會運行時滿足隧道舒適度標準的雙線隧道凈空面積。值得注意的是，從經(jīng)濟性考慮，本次研究假定隧道凈空面積上限為單線90 m2、雙線120 m2。

400 km/h長編組列車在滿足舒適度標準的基礎(chǔ)上對應(yīng)的單、雙線隧道凈空面積如表7所示。由于動態(tài)密封指數(shù)小于14 s后，單、雙線隧道凈空面積超出研究假定，故未列出。

表7 滿足舒適度標準前提下的400 km/h單、雙線隧道凈空面積

可見，在保持現(xiàn)有列車密封水平的前提下，即取列車動態(tài)密封指數(shù)為350 km/h列車估算動態(tài)密封指數(shù)下限值18 s時，對應(yīng)的400 km/h單、雙線隧道凈空面積建議值分別為84、94 m2。為方便設(shè)計，將單、雙線隧道凈空面積分別放大到85、100 m2，這樣就可以保持現(xiàn)有350 km/h雙線隧道凈空面積不變，僅對相應(yīng)時速單線隧道凈空面積進行調(diào)整即可。由于在推薦隧道凈空面積以400 km/h運營時對列車密封要求與現(xiàn)有標準中350 km/h列車估算動態(tài)密封指數(shù)的下限值一致，車內(nèi)瞬變壓力超標的可能性大幅降低。

5 結(jié)論與建議

以舒適度標準為依據(jù)，從列車內(nèi)部瞬變壓力角度出發(fā)討論了既有高速鐵路隧道運營400 km/h列車的可能性，提出了400 km/h隧道凈空斷面建議值。結(jié)論與建議如下：

1)現(xiàn)有350 km/h高鐵隧道中運行400 km/h列車時對應(yīng)的動態(tài)密封指數(shù)最低要求為22 s，接近現(xiàn)有350 km/h列車估算動態(tài)密封指數(shù)的上限值，沒有預(yù)留足夠的下降空間，車內(nèi)瞬變壓力超標的可能性較大。

2)400 km/h單、雙線隧道凈空面積建議值分別為85、100 m2，對應(yīng)的列車動態(tài)密封指數(shù)為18 s，與現(xiàn)有350 km/h列車估算動態(tài)密封指數(shù)的下限值一致，車內(nèi)瞬變壓力超標的可能性大幅降低。

3)為使列車在長期運營后仍能保持足夠的密封性，建議加強對列車動態(tài)密封指數(shù)的定期監(jiān)測，并保證及時進行檢修維護。

本文提出的400 km/h高速鐵路隧道凈空面積建議值僅考慮車內(nèi)瞬變壓力這一指標，未開展其他氣動效應(yīng)指標(如車體內(nèi)外壓差、微氣壓波、空氣阻力、列車風和氣動荷載等)的匹配性研究，也未考察線路條件和隧道結(jié)構(gòu)對隧道凈空斷面的影響，在今后的研究中有必要對這些因素進行深入探討。