第2期 马伟斌,等:中国高速铁路隧道气动效应研究进展 在洞口空间立体角为3π/2,隧道断面积为行了测量,分析了列车运行速度、列车外形、运行工 lo0m2,阻塞比为0.l1的情况下,当动车组分别以况、附属设施位置等对附属设施气动力的影响规律 350、380km·hˉ通过时,洞口外20m处微气压波并对横通道、水沟盖板、下锚坠砣、照明灯具、指示灯 值小于50Pa(标准限值)的隧道临界长度分别为等附属设施在350km·hˉ速度等级下的安全性进 1.6、1.0km,见图8 行了评价,这对高速铁路隧道内附属设施的设计和 00km·h 评价方法的制定具有重要的指导意义。 多条高铁线路测试数据表明,动车组在300 钟3 380km·h-速度单列与交会通过隧道时,隧道内 330 活塞风风速超过20m·s-1。动车组单列或重联通 过隧道时,隧道内活塞风风速与列车运行速度成线 性关系。同等速度下,重联动车组通过隧道时的列 隧道长度/km 车风风速比单列动车组大,即列车编组越长,列车风 图8隧道长度与洞口微气压波关系曲线 风速越大 ig. 8 Relationship between tunnel lengths 单列动车组通过隧道时,附属设施受到的气动 力近似与车速的平方成正比,交会时隧道内附属设 4.2.3缓冲结构与辅助坑道对洞口微气压波的减施受到的气动力比单列通过时大5%~10%,动车 缓作用 组重联时隧道内附属设施受到的气动力比单列通过 通过测试有无缓冲结构的隧道洞口微气压波值,时大20%~25% 并按同一空间立体角进行换算,分析了缓冲结构对洞4.4隧道附加阻力 口微气压波的减缓作用。根据微气压波与隧道长度 与明线情况不同,隧道空气阻力的边界条件为 的关系,无缓冲结构条件下,350km·h-速度时,有限空间,增加了一处摩擦界面,导致隧道空气阻力 1.7km隧道对应的洞口微气压波值大于53.1Pa,而问题较复杂。隧道空气附加阻力主要包含压差阻力 有缓冲结构的相近长度隧道洞口微气压波实测值为与摩擦阻力,其与隧道断面面积、长度、表面摩擦系 15.3Pa,换算同一空间立体角后为25.5Pa,隧道缓数、隧道内风速和列车车速、外形、长度、表面摩擦系 冲结构对洞口微气压波削减幅度约为52% 数、阻力系数以及在隧道内的位置等因素有关[1。 通过测试辅助坑道开启与关闭时洞口微气压波 隧道附加阻力的绝对值随着车速的增大而增 值,分析了辅助坑道对洞口微气压波的消减作用。大,随着隧道断面面积的增大而减小;隧道附加阻力 实测辅助坑道开启时长度为6.8km与10.8km隧与明线总阻力的比值随着隧道断面面积的增大而减 道分别削减了约54%、26%。微气压波激化作用越小,但车速变化对其影响不大,隧道附加阻力与明线 大的隧道,辅助坑道对微气压波的消减作用越明显。总阻力的比值主要由隧道断面面积控制。 辅助坑道对隧道洞口微气压波有显著消减作用 动车组分别以300、350km·h-速度通过长度 4.3隧道内活塞风与附属设施气动力 为2.7km隧道时,惰行试验和数值计算分析得到 目前,国内外学者对高速铁路隧道空气动力对隧道附加阻力分别为4.99、7.95kN,隧道总阻力比 隧道内附属设施的疲劳耐久性和安全性所产生的不明线增加9%、11%,总阻力D1为 利影响尚没有进行深入研究,各国高速铁路规范中 D1=0.55+0.0045v+0.000143x2 关于附属设施的设计也没有全面和系统地考虑隧道通过长度为10.8km隧道时,惰行试验和数值计 空气动力特性的影响。随着列车运行速度的提高,算分析得到隧道附加阻力分别为8.71、10.24kN 高速列车进入隧道后的活塞风与反复冲击力对隧道隧道总阻力比明线总阻力均约增加15%,总阻力 附属设施的影响将会加剧,并主要取决于列车行驶D2为 速度、离列车侧面的距离以及列车的外形等,该作用 D2=0.55+0.0045+0.00015z2 力较大时可能危及到附属设施的安全, 本文采用现场试验的方法,对不同动车组、不同5结语 运行速度下单列通过隧道、在隧道内交会以及重联 经过多年的努力,中国高速铁路隧道气动效应 过隧道时隧道内活塞风与附属设施受到的气动力进研究取得了一系列世界领先的创新科研成果,丰富在洞 口 空 间 立 体 角 为 ３π／２，隧 道 断 面 积 为 １００ｍ２，阻塞比为０．１１的情况下，当动车组分别以 ３５０、３８０ｋｍ·ｈ－１通过时，洞口外２０ｍ 处微气压波 值小于５０Ｐａ（标准限值）的隧道临 界 长 度 分 别 为 １．６、１．０ｋｍ，见图８。 图８ 隧道长度与洞口微气压波关系曲线 Ｆｉｇ．８ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｃｕｒｖｅｓｂｅｔｗｅｅｎｔｕｎｎｅｌｌｅｎｇｔｈｓ ａｎｄｍｉｃｒｏｐｒｅｓｓｕｒｅｗａｖｅｓ ４．２．３ 缓冲结构与辅助坑道对洞口微气压波的减 缓作用 通过测试有无缓冲结构的隧道洞口微气压波值， 并按同一空间立体角进行换算，分析了缓冲结构对洞 口微气压波的减缓作用。根据微气压波与隧道长度 的关系，无缓冲结构条件下，３５０ｋｍ·ｈ－１ 速度时， １．７ｋｍ隧道对应的洞口微气压波值大于５３．１Ｐａ，而 有缓冲结构的相近长度隧道洞口微气压波实测值为 １５．３Ｐａ，换算同一空间立体角后为２５．５Ｐａ，隧道缓 冲结构对洞口微气压波削减幅度约为５２％。 通过测试辅助坑道开启与关闭时洞口微气压波 值，分析了辅助坑道对洞口微气压波的消减作用。 实测辅助坑道开启时长度为６．８ｋｍ 与１０．８ｋｍ 隧 道分别削减了约５４％、２６％。微气压波激化作用越 大的隧道，辅助坑道对微气压波的消减作用越明显。 辅助坑道对隧道洞口微气压波有显著消减作用。 ４．３ 隧道内活塞风与附属设施气动力 目前，国内外学者对高速铁路隧道空气动力对 隧道内附属设施的疲劳耐久性和安全性所产生的不 利影响尚没有进行深入研究，各国高速铁路规范中 关于附属设施的设计也没有全面和系统地考虑隧道 空气动力特性的影响。随着列车运行速度的提高， 高速列车进入隧道后的活塞风与反复冲击力对隧道 附属设施的影响将会加剧，并主要取决于列车行驶 速度、离列车侧面的距离以及列车的外形等，该作用 力较大时可能危及到附属设施的安全。 本文采用现场试验的方法，对不同动车组、不同 运行速度下单列通过隧道、在隧道内交会以及重联 过隧道时隧道内活塞风与附属设施受到的气动力进 行了测量，分析了列车运行速度、列车外形、运行工 况、附属设施位置等对附属设施气动力的影响规律， 并对横通道、水沟盖板、下锚坠砣、照明灯具、指示灯 等附属设施在３５０ｋｍ·ｈ－１速度等级下的安全性进 行了评价，这对高速铁路隧道内附属设施的设计和 评价方法的制定具有重要的指导意义。 多条高铁线路测试数据表明，动车组在３００～ ３８０ｋｍ·ｈ－１速度单列与交会通过隧道时，隧道内 活塞风风速超过２０ｍ·ｓ－１。动车组单列或重联通 过隧道时，隧道内活塞风风速与列车运行速度成线 性关系。同等速度下，重联动车组通过隧道时的列 车风风速比单列动车组大，即列车编组越长，列车风 风速越大。 单列动车组通过隧道时，附属设施受到的气动 力近似与车速的平方成正比，交会时隧道内附属设 施受到的气动力比单列通过时大５％～１０％，动车 组重联时隧道内附属设施受到的气动力比单列通过 时大２０％～２５％。 ４．４ 隧道附加阻力 与明线情况不同，隧道空气阻力的边界条件为 有限空间，增加了一处摩擦界面，导致隧道空气阻力 问题较复杂。隧道空气附加阻力主要包含压差阻力 与摩擦阻力，其与隧道断面面积、长度、表面摩擦系 数、隧道内风速和列车车速、外形、长度、表面摩擦系 数、阻力系数以及在隧道内的位置等因素有关［１１］。 隧道附加阻力的绝对值随着车速的增大而增 大，随着隧道断面面积的增大而减小；隧道附加阻力 与明线总阻力的比值随着隧道断面面积的增大而减 小，但车速变化对其影响不大，隧道附加阻力与明线 总阻力的比值主要由隧道断面面积控制。 动车组分别以３００、３５０ｋｍ·ｈ－１速度通过长度 为２．７ｋｍ 隧道时，惰行试验和数值计算分析得到 隧道附加阻力分别为４．９９、７．９５ｋＮ，隧道总阻力比 明线增加９％、１１％，总阻力 犇１ 为 犇１ ＝０．５５＋０．００４５狏＋０．０００１４３狏２ 通过长度 为 １０．８ｋｍ 隧 道 时，惰 行 试 验 和 数 值 计 算分析得到隧道附加阻力分别为８．７１、１０．２４ｋＮ， 隧道总阻力比明线总阻力均约增加１５％，总阻力 犇２ 为 犇２ ＝０．５５＋０．００４５狏＋０．０００１５狏２ ５ 结 语 经过多年的努力，中国高速铁路隧道气动效应 研究取得了一系列世界领先的创新科研成果，丰富 第２期 马伟斌，等：中国高速铁路隧道气动效应研究进展 ３１