交通运输工程学报 2012年 ATTZ=3. 6(LP/vA +LP/vB) (5)获得了动车组以300~350km·h-在隧道 式中:△Tmz为调整时间;L为偏差距离;vA为动车内运行及交会时动车组车内外空气压力变化规律和 组A的速度;c为动车组B的速度。 变化范围,以及隧道气动效应对动车组动力学性能 3.5车外压力变化最大幅值的隧道临界交会理论的影响程度,为高速铁路隧道设计和确定动车组隧 根据低速空气动力学中马赫波的传播规律和叠道内最高通过速度提供了参考 加原理,本文提出了隧道内交会工况下车外气压变 (6)当动车组通过短隧道时,对车内压力变化的 化最大幅值的临界交会快速算法,即 影响较小,而对隧道本身及其辅助设施的影响则不 容忽视;对于长隧道,因列车在隧道中的时间较长, 隧道内相对较小的瞬变压力变化就会引起车内压力 的变化,因此,长隧道应更关注车内压力的变化情 况,短隧道应更关注隧道内压力的变化和这种变化 式中:△为两动车组进出隧道时差;m为动车组A对隧道本身及其辅助设施的影响 车长,m为对面来动车组B车长;m为临界交会隧4.2洞口微气压波 通过现场实车试验研究,得出了高速铁路隧道 通过车外气压变化最大幅值临界交会理论的研洞口微气压波不同速度下的关系曲线,揭示了300 究,可为动车组车体强度和密封性能优化设计以及350km·h-速度下洞口微气压波随隧道长度变化规 线路与隧道结构优化设计、隧道内附属设施的布置律,提出了需要采取减缓措施的临界隧道长度。 方面提供理论支撑。 1.2.1洞口微气压波规律 4试验研究成果 合武、石太高速铁路隧道气动效应测试数据表 明,列车250km·h-及以下速度通过隧道时,洞 4.1隧道内与车内瞬变压力 微气压波基本与车速的3次方成正比。本文测试结 通过现场实车试验研究,揭示了动车组300 果表明,当动车组高速通过隧道时,洞口微气压波具 350km·h高速通过隧道和在隧道内交会时隧道有与低速时不同的规律,即当动车组通过隧道时,洞 内与车内压力(3s变化极值)随隧道长度、车型和车口20m处微气压波值基本与车速的3~5次方成正 速变化规律,具体如下 比;当速度在310km·h-1以上,隧道长度超过 (1)不同动车组通过不同长度隧道时,隧道内瞬3km时,微气压波增长显著,与车速的6~15次方 变压力3s变化极值基本与车速平方成正比。动车成正比,不同长度隧道微气压波与速度关系见图7。 组通过不同断面积的隧道时瞬变压力值不同,但其 随车速变化及叠加规律一致 2728m(低于310kmh 2)车长、头型与断面积相接近动车组进入隧道 10081m(低于310km·h) 产生的压力波动基本一致。车体长度不同的动车组 2728m(高于310km·h2) 进入隧道产生的气压增加和尾波发生时间各有差 6857m(高于310km·h 异,导致隧道内瞬变压力测试数据与叠加规律不同。 (3)隧道长度不同时,造成的气压增加和尾波发 80200220240260280300320340360 生的时间各有差异,导致隧道内瞬变压力叠加规律 图7微气压波与速度关系曲线 不同,从而引起瞬变压力值不同。不同速度级时,隧 Fig 7 Relationship curves between velocities 道内瞬变压力(3s变化极值)在隧道长度接近1km and micropressure waves 时有极值点,但随着隧道长度的进一步增加,隧道内4.2.2洞口微气压波与隧道长度的关系 瞬变压力(3s变化极值)变化不大,基本趋于稳定。 对于有砟轨道,较短隧道(小于1km)的微气压 (4)当动车组在隧道内同一位置附近交会时,隧波受隧道长度影响不显著,较长隧道的微气压波最 道内瞬变压力3s极值和峰峰值随车速的增大而增大值随隧道长度的增大而减小;对于无砟轨道隧道 大。当动车组在隧道内交会时,由于两列动车组进洞口微气压波随隧道长度的增大而增大,当隧道长 入隧道的时间不同,产生气压波的时间存在差异,导度达到4km时增大明显,在7km左右达到最大 致隧道内瞬变压力叠加规律不同。 值,其后随长度增大逐渐减小Δ犜ＴＺ ＝３．６（犔ＰＪ／狏Ａ ＋犔ＰＪ／狏Ｂ） 式中：Δ犜ＴＺ为调整时间；犔ＰＪ为偏差距离；狏Ａ 为动车 组 Ａ 的速度；狏Ｂ 为动车组 Ｂ的速度。 ３．５ 车外压力变化最大幅值的隧道临界交会理论 根据低速空气动力学中马赫波的传播规律和叠 加原理，本文提出了隧道内交会工况下车外气压变 化最大幅值的临界交会快速算法，即 Δ狋＝犾ｃｒｔｕ 犮 －犾ｔｒＡ 狏Ａ 犾ｃｒｔｕ ＝ 犮 ２ 犾ＴＲＡ 狏Ａ ＋犾ｔｒＢ （ 狏Ｂ ） 式中：Δ狋为两动车组进出隧道时差；犾ｔｒＡ 为动车组 Ａ 车长；犾ｔｒＢ为对面来动车组Ｂ车长；犾ｃｒｔｕ为临界交会隧 道长度。 通过车外气压变化最大幅值临界交会理论的研 究，可为动车组车体强度和密封性能优化设计以及 线路与隧道结构优化设计、隧道内附属设施的布置 方面提供理论支撑。 ４ 试验研究成果 ４．１ 隧道内与车内瞬变压力 通过现场实车试验研究，揭示了动车组３００～ ３５０ｋｍ·ｈ－１高速通过隧道和在隧道内交会时隧道 内与车内压力（３ｓ变化极值）随隧道长度、车型和车 速变化规律，具体如下。 （１）不同动车组通过不同长度隧道时，隧道内瞬 变压力３ｓ变化极值基本与车速平方成正比。动车 组通过不同断面积的隧道时瞬变压力值不同，但其 随车速变化及叠加规律一致。 （２）车长、头型与断面积相接近动车组进入隧道 产生的压力波动基本一致。车体长度不同的动车组 进入隧道产生的气压增加和尾波发生时间各有差 异，导致隧道内瞬变压力测试数据与叠加规律不同。 （３）隧道长度不同时，造成的气压增加和尾波发 生的时间各有差异，导致隧道内瞬变压力叠加规律 不同，从而引起瞬变压力值不同。不同速度级时，隧 道内瞬变压力（３ｓ变化极值）在隧道长度接近１ｋｍ 时有极值点，但随着隧道长度的进一步增加，隧道内 瞬变压力（３ｓ变化极值）变化不大，基本趋于稳定。 （４）当动车组在隧道内同一位置附近交会时，隧 道内瞬变压力３ｓ极值和峰峰值随车速的增大而增 大。当动车组在隧道内交会时，由于两列动车组进 入隧道的时间不同，产生气压波的时间存在差异，导 致隧道内瞬变压力叠加规律不同。 （５）获得了动车组以３００～３５０ｋｍ·ｈ－１在隧道 内运行及交会时动车组车内外空气压力变化规律和 变化范围，以及隧道气动效应对动车组动力学性能 的影响程度，为高速铁路隧道设计和确定动车组隧 道内最高通过速度提供了参考。 （６）当动车组通过短隧道时，对车内压力变化的 影响较小，而对隧道本身及其辅助设施的影响则不 容忽视；对于长隧道，因列车在隧道中的时间较长， 隧道内相对较小的瞬变压力变化就会引起车内压力 的变化，因此，长隧道应更关注车内压力的变化情 况，短隧道应更关注隧道内压力的变化和这种变化 对隧道本身及其辅助设施的影响。 ４．２ 洞口微气压波 通过现场实车试验研究，得出了高速铁路隧道 洞口微气压波不同速度下的关系曲线，揭示了３００～ ３５０ｋｍ·ｈ－１速度下洞口微气压波随隧道长度变化规 律，提出了需要采取减缓措施的临界隧道长度［１０］。 ４．２．１ 洞口微气压波规律 合武、石太高速铁路隧道气动效应测试数据表 明，列车２５０ｋｍ·ｈ－１及以下速度通过隧道时，洞口 微气压波基本与车速的３次方成正比。本文测试结 果表明，当动车组高速通过隧道时，洞口微气压波具 有与低速时不同的规律，即当动车组通过隧道时，洞 口２０ｍ 处微气压波值基本与车速的３～５次方成正 比；当速 度 在 ３１０ｋｍ·ｈ－１ 以 上，隧 道 长 度 超 过 ３ｋｍ 时，微气压波增长显著，与车速的６～１５次方 成正比，不同长度隧道微气压波与速度关系见图７。 图７ 微气压波与速度关系曲线 Ｆｉｇ．７ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｃｕｒｖｅｓｂｅｔｗｅｅｎｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓ ａｎｄｍｉｃｒｏｐｒｅｓｓｕｒｅｗａｖｅｓ ４．２．２ 洞口微气压波与隧道长度的关系 对于有砟轨道，较短隧道（小于１ｋｍ）的微气压 波受隧道长度影响不显著，较长隧道的微气压波最 大值随隧道长度的增大而减小；对于无砟轨道，隧道 洞口微气压波随隧道长度的增大而增大，当隧道长 度达到４ｋｍ 时增大明显，在 ７ｋｍ 左右达到最大 值，其后随长度增大逐渐减小。 ３０ 交 通 运 输 工 程 学 报 ２０１２年