復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)高速鐵路隧道群空氣動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jì)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(dòng)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(dòng)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(gè)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(xiǎn)山區(qū)高速鐵路隧道群空氣動(dòng)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(dòng)、空氣阻力和微氣壓波這幾個(gè)方面入手，明確了隧道群空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)與單個(gè)隧道的差異，闡述了隧道群空氣動(dòng)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(jì)工作提供參考。

1 隧道群與單個(gè)隧道空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的差異

1.1 壓力波動(dòng)

車長為200 m的列車以350 km/h的速度，通過由3個(gè)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(shí)，其車頭氣壓曲線如圖1所示。

圖1 列車通過隧道群時(shí)的車頭壓力波動(dòng)曲線圖

由圖1可以看出，較之等長(含明線間距)單個(gè)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(dòng)次數(shù)明顯增多，即列車在隧道群中運(yùn)行時(shí)，車體表面保持壓力恒定的時(shí)間明顯短于單個(gè)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(gè)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(jì)算，計(jì)算工況如表1所示。其中，隧道群由3個(gè)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(jì)算工況表

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

表2 空氣阻力計(jì)算結(jié)果表

圖2 列車通過隧道群時(shí)的空氣阻力曲線圖

由表2和圖2可知，列車通過隧道群時(shí)的平均空氣阻力和最大空氣阻力均較通過等長單個(gè)隧道時(shí)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(shí)，部分時(shí)間處于明線之上，且前一個(gè)隧道的活塞風(fēng)對后一個(gè)隧道有所影響。

1.3 洞口微氣壓波

(1)單個(gè)列車運(yùn)行時(shí)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(shí)，第一個(gè)隧道出口20 m、50 m處的微氣壓波峰值和單個(gè)隧道(隧道長與隧道群中的第一個(gè)隧道長度相等)同一位置處的微氣壓波峰值計(jì)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(gè)隧道的長度均為 1 000 m。

表3 微氣壓波計(jì)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(gè)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(shí)，隧道群洞口微氣壓波峰值與單個(gè)隧道基本相同。

(2) 兩列列車相向運(yùn)行時(shí)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(shí)，兩隧洞口的微氣壓波可能會(huì)同時(shí)出現(xiàn)在明線范圍內(nèi)，當(dāng)微氣壓波頻率十分接近時(shí)，兩隧洞口的微氣壓波會(huì)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(dòng)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(gè)隧道組成的，單個(gè)隧道的空氣動(dòng)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(gè)隧道在空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)上的差異，使得道群空氣動(dòng)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(dòng)

(1)隧道內(nèi)及車體表面壓力波動(dòng)

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(shí)，隧道間距對隧道內(nèi)及車體表面壓力波動(dòng)的影響不大，可以忽略。

(2) 密封列車車內(nèi)壓力波動(dòng)

計(jì)算車長為200 m的列車，以350 km/h的速度通過由3個(gè)隧道組成的隧道群時(shí)，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(gè)隧道的斷面面積均為100 m2，長度均為0.5 km。列車動(dòng)態(tài)密封指數(shù)為2～20 s(2 s為1個(gè)計(jì)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(shí)車內(nèi)瞬變壓力的計(jì)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(shí)，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(shí)車內(nèi)瞬變壓力計(jì)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(jì)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(jì)算列車通過3個(gè)長度相同，明線間距不同的隧道群時(shí)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(jì)算工況如表5所示。

表5 計(jì)算工況表

列車通過單個(gè)隧道以及明線間距分別為50 m、100 m和150 m隧道群時(shí)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(gè)隧道及不同明線間距隧道群時(shí)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(gè)隧道(長2 km)84.52-112.82-隧道群(每個(gè)隧道長2 km,間距50 m)84.780.15115.512.38隧道群(每個(gè)隧道長2 km,間距100 m)84.890.28114.721.68隧道群(每個(gè)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(gè)隧道，隧道群明線間距為50 m時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(gè)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(shí)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(gè)隧道活塞風(fēng)對后一個(gè)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(shí)，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??；明線間距大于100 m時(shí)，隧道群洞口微氣壓波峰值基本與列車通過單個(gè)隧道時(shí)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(gè)隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)，隧道洞口微氣壓波變化規(guī)律與單列列車通過隧道群時(shí)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(gè)隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)，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(shí))。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(shí)，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(shí)，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(dòng)力學(xué)效應(yīng)的技術(shù)措施

減緩隧道群空氣動(dòng)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(dòng)力效應(yīng)。

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

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

隧道方面減緩隧道空氣動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)方面

采用連接明洞可有效地減小車外壓力波動(dòng)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(shí)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(shí)有所增加。根據(jù)單個(gè)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(shí)，即使采用明洞連接形成了一個(gè)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(shí)，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(gè)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(jì)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(jì)參數(shù)及對應(yīng)的明洞結(jié)構(gòu)布設(shè)

分別計(jì)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(gè)隧道出口處的波前氣壓梯度計(jì)算結(jié)果及曲線分別如表10和圖9所示。

表10 氣壓梯度計(jì)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(shí)，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(shí)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(dòng)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(jì)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(dòng)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(shí)，由于車外壓力頻繁波動(dòng)，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(huì)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(jì)時(shí)，根據(jù)線路周邊居民居住和野生動(dòng)物活動(dòng)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(jì)參數(shù)過程中，重視數(shù)值模擬發(fā)揮的作用。