高速动车组通过合武铁路湖北段隧道空气动力性能测试.pdf

2 0 1 1 年第 4期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i ne e r i n g 73 文章编 号 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 1 0 4 0 0 7 3 0 4 高速动车组通过合 武铁路湖北段 隧道 空气 动力性能测试 周 亚宇 铁 道部 工 程管理 中心 ， 北京1 0 0 8 4 4 摘 要 合武铁 路 是我 国首批 开通 的 时速 2 5 0 k m 的客 运 专线之 一 。获得 高速 列车进 入 隧道后 的空 气动 力 学效应相关测试试验数据， 对于我 国高速铁路设计 中隧道断面参数和辅助坑道的设计参数合理性评价 等具有 重要 意 义。合 武铁 路联 调联 试期 间 ， 对 列车通 过 合武 铁路 湖北段 隧 道 时进 行 了空 气动 力 性 能测 试 ， 测试 结 果表 明 ， 我 国高速铁 路 隧道 工程 设计 能够 满足舒 适 度要 求 。 关键 词 动 车组 隧道 气动 力性 能 测试 中图分 类号 U 4 5 1 ． 3文 献标 识码 B 高速 列车进 入 隧道后 的空气 动力 学效 应 主要表 现 在三个 方 面 ， 即瞬变 压 力 、 洞 口微 气 压 波 和 行 车 阻 力 ， 其 中瞬变 压力 主要表 现在 使 人 的听觉 感到 不适 。洞 口 微气压 波是 高速 列车 进人 隧道 时 的压缩 波 在另 一端 释 放时发 出爆 炸声 ， 影 响周 围环境 。在行 车速 度 、 列车 断 面积和 列车 密封 系数 一 定 的 情 况 下 ， 主 要 影 响 因 素为 隧道净空面积 。列车进 出隧道时空气动力学效应影响 较 为明 显 ， 两 座隧 道洞 口间 距较 近时 ， 列 车进 出 隧道 时 间间隔很 短 ， 短 时 间 内的 空 气 压 力 变化 对 乘 客舒 适 度 影 响较大 ， 同时 对 列 车结 构 安 全 也 不 利 。 因此 在 合 武 铁路 湖北段 工程 开通 运 营前 ， 有 必 要 对 列 车 通 过 合 武 铁路湖 北段 隧道 时 的空气 动力 性 能进行 测试 。 1 测试 方案和评判标准 1 ． 1 测 试 目的 ①测 试 双线 隧道 内瞬 变 压 力变 化 规 律 ， 为论 证 隧 道 断面参 数合 理性 提供 依据 。② 测试 双线 隧 道洞 口微 气压波 ， 分析其对周边环境的影响， 并为研究长隧道 中 无砟轨道对微气压波的激化问题积累试验数据。③测 试长隧道中辅助坑道对瞬变压力、 微气压波 的影响 ， 为 辅 助坑 道 的设 计参 数确 定 及合 理 利用提 供依 据 。 1 ． 2测 试方 案 1 ． 2 ． 1 测 试 地 点 试验列车为时速 2 5 0 k m的动车组 ， 在合武铁路湖 北段 滠 口～墩义堂区间 中选择大别山、 碧绿河 2座 收稿 日期 2 0 1 0 1 2 1 0； 修回 日期 2 0 1 1 - 0 1 1 5 作者简介 周亚宇 1 9 7 O 一 ， 男 ， 湖北武汉人 ， 高级工程 师， 硕士 。 隧道进 行 现 场 试 验 。大 别 山隧 道 长 1 3 2 5 6 I n ， 断 面 面 积 9 2 r n ， 无 砟 轨 道 ， 隧 道 进 出 口均 未 设 置 缓 冲结 构 ， 隧道 中设置 1 号 、 2号斜 井 其位 置示 意见 图 1 。 隧 道进 口 大别 山隧道 1 3 2 5 6 隧道 出口 图 l 大别 山隧道辅 助坑 道位置示 意 单位 m 碧 绿河 隧 道长 2 1 2 m， 断 面 面积 9 2 m ， 有砟 轨道 ， 隧道进 出 口均 未设 置缓 冲结构 。大别 山隧 道 出 口距离 碧 绿河 隧道进 口 2 4 8 m。 1 ． 2 ． 2 测 试 内容 及 方 法 1 瞬变压 力 采用 气压 传感 器 测 试 隧 道 内 瞬变 压 力 ， 隧道 内测 试断 面纵 向布 置示 意见 图 2和 图 3 。 大别山隧道内布置 l 0个测试断面， 分别位于隧道 出 口内 3 4 7 m， 3 7 7 m， 4 0 7 I T I ， 6 4 7 i n， 6 7 7 IT I ， 7 0 7 m， 4 2 0 7 m， 4 2 3 7 m， 4 2 6 7 m处 和 斜 井 内。测 试 断 面 边 墙 和拱 腰位 置 布置测 点 。 碧绿河隧道内布置 3个测试断面 ， 分别位于 隧道 出 口内 7 6 m， 1 0 6 I l l 和 1 3 6 m处 ， 测试 断 面边墙 和拱 腰 位 置布置 测点 。 2 微气 压 波 采用微气压波传感器测试隧道洞 口微气压波。隧 道洞 口微气压波测点布置示意见图 4 。大别山隧道出 口外 布置 3个微 气压 波 测试 断 面 ， 分别 位 于 隧 道 出 口 外 1 0 m、 2 0 m 和 5 0 m 处 。碧 绿 河 隧道 进 口外 布 置 3 7 4 铁道 建筑 a 出口 【 b 进 口 图 2大别 山隧道 内测试断面 纵向布置示意 单位 n 1 向 个微 气压波 测试 断 面 ， 分别 位 于 隧 道进 口外 1 0 m， 2 0 1 1 1 和 5 0 m处 。 3 数 据 采集 采 用多通 道高 速动态数 据采集 系统 进行 数据 的 自 动采集 和存贮 ， 并实 现 隧道 内各 测试 断 面 数据 的长距 离同步实时采集和传输。 1 ． 3评 判参 考标 准 1 瞬变压 力 。单列列 车通过 隧道 瞬变压 力 △ P 0 ． 8 0 k P a ／ 3 s ； 列车 在隧道 内交 会情 况 瞬 变压 力 △ P 1 ． 2 5 k Pa ／ 3 S 。 2 微气 压波 。隧道洞 口 2 0 m 处微 气压 波 JP ⋯ 5 0 P a。 1 O O 0 8 0 0 6 0 04 0 0 20 0 - 0 2 0 - 0 4 0 - 0 6 0 一 O 8 O 、 。、 0 口0 n ⋯ I I ’ } 一 隧 道 出 口 i ； 图 3碧 绿 河 隧道 内测 试 断面纵 向布置示意 单位 m 隧道 口 微气压 波测点 、 图 4隧道 洞 口微 气 压 波 测点布置示 意 单位 m 2隧道 内瞬变压力 2 ． 1 隧道辅助通道打开动车组通过 时隧道内瞬变压力 C R H 2 0 1 0 A动车组通 过 时 ， 大 别 山 、 碧绿 河 隧道 内测 点瞬变 压力 试 验数 据 和 气 压 变 化 曲线 车 速 2 0 0 k m／ h， 2 5 0 k m／ h 见 图 5、 图 6和 图 7。 动车组车速 2 5 0 k m ／ h时， 测试数据显示 ， 大别山 隧道 内测得 的 气 压变 化 3 s 极值 为 1 ． 7 8 k P a 、 峰对 峰 极值 为 2 ． 2 7 k P a ， 碧 绿 河 隧 道 内测 得 的气 压 变 化 3 s 极 值 为 1 ． 7 0 k P a 、 峰对 峰极值 为 1 ． 7 0 k P a 。 从 图 5和图 6中可 以看 出 ， 辅 助 坑道 的开 启会 使 隧道 内增加 一处气 压 反射 界 面 ， 其 位 置等 参 数 的变 化 会 对 隧道 内气压变 化造成 一定 影响 。 ，l l 2 号斜井开 启影响 J ， ～ 一 ～． 一一 l r _ 一 、 L ⋯ 、 ， V V一 8 1 6 2 4 3 2 f 4 0 4 8 5 6 6 4 7 2 8 0 8 8 9 6 1 0 4 l 1 2 1 2 0 1 2 8 l 3 6 、 ‘ 时间， s 图 5动车组通过时大别 山隧道距 出口3 7 7 m测点气压变化 曲线 车速 2 0 0 k m ／ h ， 滠 口一墩义堂 ， 2号斜井开启 ， 隧道长度 1 3 2 5 6 iT 1 1 5 0 1 0 O 重0 ．5 0 o 3 ． 5 0 1 0 0 f l J ] 1 号 蔗 无 瘪 誓 响 八． 8 1 6 2 4 b _4 0 4 7 6 4 7 2 ～ 8 0 - 8 8 - 、 一 、 J 时间／ 图 6动车组通过时大别 山隧道距 出口3 7 7 1T I 测点气压变 化曲线 车速 2 5 0 k m ／ h ， 滠 口～墩义堂 ， 1 号斜井开启 ， 隧道长度 1 3 2 5 6 m 1 2 1 ． O 0 8 0 6 0． 4 0 ．2 0 - 0 2 - 04 - 0 6 -0 ．8 n 【 1 l l l h I． ． j L J - I nn， l ／ I ．．．．．．． ．． 一 4 8 『l 纠 、 ％ 6 I B d 2 O 1 1年第 4期 高速动车组通过合武铁路湖北段 隧道 空气 动力性能测试 7 5 2 ． 2辅助通 道 关 闭动车 组通 过 时隧道 内瞬 变压 力 C R H 2 0 1 0 A动 车组 和 C R H 2 0 4 1 A动车 组重 联 2 0 l 5 1 0 O 5 0 -0 5 一l O 通 过 时 ， 大 别 山 、 碧 绿河 隧道 内测 点 瞬变压 力试 验数 据 和气 压变化 曲线 车 速 2 5 0 k m／ h 见 图 8和图 9 。 ． 1 号 、2 号斜井关 闭，基本 无影响 9 ． f 2 8 5 4 7 5 6 6 5 5 5 1 0 4 5 1 2 3 ， 5 时 问／ s 图 8 动车组重 联时大别山隧道距 出口 3 7 7 m测点气 压变化曲线 车速 2 5 0 k m ／ h ， 滠 口一墩义堂 ， 隧道长度1 3 2 5 6 m 1 0 0 0 0 一 0 0 0 一O 『} J 『 I 儿 f L _J 1 J l J } l l n．t l n ⋯．．．．．． 4 8 1 2 f 1 d 2 0 ’ 1 1 2 4 ’1 ／ 2 8 V 3 2 V V 4 0 l4 4 4 8 S 6 5 6 l J l ， ⋯ V 时 间／ s 图 9 动车组重联时碧绿河隧道距进 口 1 0 6 11 1 测 点气压变化曲线 车 速 2 5 0 k m／ h ， 滠 口一 墩 义 堂 ， 隧道 长 度 21 2 ln 动车 组重联 车 速 2 5 0 k m／ h时 ， 大别 山隧 道 内测得 的气 压变 化 3 S 极 值 为 1 ． 8 4 k P a 、 峰 对 峰极 值 为 2 ． 5 4 k P a ， 碧 绿 河 隧 道 内 测 得 的 气 压 变 化 3 S 极 值 为 1 ． 6 4 k P a 、 峰对 峰极 值 为 1 ． 6 4 k P a 。 从 图 5 、 图 6和 图 8的 比较 可 以 看 出 ， 辅 助 坑 道 关 闭时隧道 内无 新 的气 压反 射界 面显 现 。 2 ． 3 动车 组和 动车 组 交会 时隧 道 内瞬变 压 力 C R H 2 0 1 0 A动 车组 和 C R H 2 0 4 1 A动 车组交 会 时 ， 由于大 别 山隧 道 进 口附近 区段 限速 ， 动 车 组 墩一 滠 进 入大 别 山 隧 道 进 口时 速 度 仅 达 到 2 0 0 k m ／ h左 右 ， 虽 然 交 会 点 速度 达 到 了 2 5 0 k m ／ h ， 而 隧 道 内气 压 变 化规 律 主要取 决 于列 车进 洞速度 控 制 的首波 。 C R H 2 0 1 0 A动 车组 和 C R H 2 0 4 l A动 车组 交会 时 ， 大别 山 隧道 内测 点 瞬 变压 力 试 验 数 据 和 气压 变 化 曲线 动 车组 计划交 会 车速 2 5 0 k m／ h和 2 5 0 k m ／ h ， 实 际进 洞车 速为 2 5 0 k m ／ h和 2 0 0 k m ／ h 见 图 1 0 。 图 1 O动车组和动车组交会时大别 山隧道距 出 口 3 7 7 m测点气压变化 曲线 实际进洞车速为 2 5 0 k m ／ h和 2 0 0 k m ／ h ， 隧道长度 1 3 2 5 6 1 1 1 动车组 实 际进 洞 车速 2 5 0 k m ／ h和 动 车组 实 际进 洞车速 2 0 0 k m ／ h交会 时 ， 大 别 山隧道 内测 得 的气 压变 化 3 S 极值 为 1 ． 9 3 k P a 、 峰 对峰 极值 为 2 ． 8 3 k P a 。 3 隧道洞 口微气压 波 微气 压波测 点 布置 在大 别 山隧 道 出 口和 碧绿 河隧 道进 口， 大 别 山隧 道 出 口的 微 气 压 波 由墩 义 堂一滠 口 方 向列 车进 入大 别 山 隧道 进 口的实 际进 洞 车 速 控 制 ， 碧绿河隧道进 口的微气压波由滠 口一墩义堂方向列车 进 入碧 绿河 隧道 出 口的实 际进 洞 车速 控制 。 由于大别 山隧道 进 口附近 区段 限速 ， 动 车组 墩 义 堂一 滠 口 进 人 大别 山隧道 进 口时速 度 限制 在 2 0 0 k m ／ h左 右 。 3 ． 1 动 车组通 过 时隧道 洞 口微气 压 波 C R H 2 0 1 0 A动 车组 通过 时 ， 大别 山 、 碧 绿河 隧道 洞 口微 气 压波 试 验 计 划 车 速 2 0 0 、 2 5 0 k m ／ h 测试 数 据 显示 ， 动 车组 计划 车速 2 5 0 k m ／ h时 ， 大 别 山隧道 洞 口 2 0 i n处 测 得 微 气 压 波 极 值 为 8 P a 实 际 进洞 车 速 2 0 0 k m ／ h ， 碧绿 河 隧道 洞 口 2 0 IT I 处测 得 的微气 压 波 极值 为 2 2 ． 9 P a ， 均 5 0 ． 0 P a 。 3 ． 2动 车组重 联 时隧道 洞 口微气 压 波 C R H 2 0 1 0 A动 车组 和 C R H 2 0 4 1 A动车组 重 联 通过时， 大别山、 碧绿河 隧道洞 口微气压波试验 计划 车 速 2 5 0 k m ／ h 测 试数 据显 示 ， 动 车 组 重联 计 划 车 速 2 5 0 k m ／ h时 ， 大 别 山 隧 道 洞 口 2 0 i n处 测 得 的微 气 压 波极 值 为 3 P a 实 际进 洞车 速 1 9 0 k m ／ h ， 碧 绿河 隧道 洞 口2 0 m处测 得 的微 气压 波极值 为 2 3 ． 4 P a ， 均 7 6 铁道建筑 5 0． 0 Pa。 3 ． 3 动 车组 和动车 组交会 时隧道 洞 口微气压 波 C R H 2 0 1 0 A动 车组 和 C R H 2 0 4 1 A动 车组交 会 时 ， 大别 山隧道 洞 口微 气 压 波试 验 动 车 组 计 划 交 会 车速 2 5 0 k m ／ h和 2 5 0 k m ／ h ， 实 际进 洞 车速 2 5 0 k m ／ h 和 2 0 0 k m ／ h 测 试 数 据 显 示 ， 动 车 组 计 划 交 会 车 速 。 6 蕈4 籍 一2 0 一 d f ／ ／I_ ． O 1 2 ’ V6 8 时间／ s 图 1 1 大别 山隧道 出口 2 0 IT I 测 点微气压波变化 曲线 动车组实 际进洞车速 2 0 5 k m ／ h ， 墩义堂～滠 口， 1 号斜井开启 合武铁路湖北段除大别 山隧道外 ， 其余隧道均为 有 砟轨道 隧道 ， 根据理 论分 析和 国内外现 场测试 资料 ， 有砟 轨道 隧道洞 口的微 气压 波 在 隧道 长 度 1 k m 内时 变化 不大 ， 然后 随着 隧道长 度的增加 而减 小 。 4 结 论 1 乘客舒 适 度 。动 车组 在 隧道 内无 交 会 通 过合 武铁 路湖北 段隧 道 时 ， 测 得 的车 内气 压 变 化 均 0 ． 8 0 k P a ／ 3 s ； 动车组 在 大 别 山 隧道 内交 会 时 ， 测 得 的 车 内 气 压变化 小 于 1 ． 2 5 k P a ／ 3 S ， 符 合 旅 客 舒 适 度 准则 要 求 。 2 隧 道 洞 口微 气 压 波 。 ① 动 车 组 车 速 为 2 5 0 k m ／ h时 ， 碧 绿河 隧道 洞 口 2 0 m处 微 气压 波测 试 值为 2 2 ． 9 P a ， 该隧道 长 度 小 于 1 k m， 为 2 1 2 m。根 据 理论 分 析和 国 内外现 场测 试 资 料 ， 有砟 轨 道 隧道 洞 口的微 气 压波在 隧道 长度 为 1 k m 内时变化 不 大 ， 然后 随着 隧 道长度的增加而减小 ， 可以推断 ， 合武铁路湖北段其余 有 砟轨道 隧道洞 口 2 0 m处 微 气 压波 值 也 能满 足 建议 标准 5 0 P a 的要求 。② 合武铁路湖北段 中大别山 隧 道为 无砟 轨道 隧 道 ， 其 1号 、 2号辅 助 坑 道关 闭 ， 动 车组重联 实 际进洞 车速1 9 0 k m ／ h 时 ， 其 隧道 洞 口 2 0 1 33 处 微气压 波测试 值 为 3 P a ， 远小 于标准值 。由此推算 ， 当动车组 车速 2 5 0 k m ／ h时 ， 大 别 山 隧道 洞 口 2 0 m处 微气压波计算值应 为 1 9 P a ， 也满足建议标准 5 0 P a 的要求。③ 大别 山隧道 1号或 2号辅 助坑道开 启 ， 动车组 实 际进洞 车速 2 0 5 k m ／ h时 ， 其 隧道 洞 口 2 0 m处 微气 压 波 测 试 值 为 8 P a ， 计 算 得 到 动 车 组 车 速 2 5 0 k m ／ h时 其 隧 道 洞 口 2 0 1／ 1 处 微 气 压 波 值 为 1 6 ． 0 P a ； 大别 山隧道 1号 和 2号辅 助坑道 关 闭 ， 动车组 重联 实际进洞车速 1 9 0 k m ／ h时 ， 其隧道洞 口2 0 m处微气 压波测试值 为 3 P a ， 动 车组交会 实 际进涧 车速 2 0 0 2 5 0 k m ／ h和 2 5 0 k m ／ h时， 大别 山隧道洞 口2 0 r fl处测 得微气压波极值为 9 ． 7 P a 实际进洞车速 2 0 0 k m／ h ， 5 0 ． 0 Pa 。 3 ． 4试验数 据分 析 隧道洞 口 2 0 m 测 点典 型微 气 压 波 变化 曲线 见 图 1 1 、 图 1 2 。 日 2 3 4 0 皂1 8 蕈 2 耀 一 o 6 一 i 2 ．～一 『 ⋯ ⋯一 w ’ [ 时间 图 l 2 碧绿河 隧道进 口 2 0 m测 点微气压波变化 曲线 动车组车速 2 5 0 k n a ／ h ， 滠 口一墩义堂 k m／ h时 ， 其 隧道洞 口 2 0 m 处微 气 压 波测 试 值 为 9 ． 7 P a ， 计算 得 到 动 车组 车 速 2 5 0 k m ／ h时 其 隧 道 洞 口 2 0 1 T I 处微气 压波值 为 1 9 P a 。可 见 大 别 山隧 道 辅 助坑 道 开 启对 隧 道 洞 口微 气 压 波 起 到 了 一 定 的 消 减 作 用 1 5 ％左 右 。 综上所述 ， 合武铁路湖北段按 目标速度 2 5 0 k m ／ h 运 营 时 ， 由列 车通过 隧 道 产生 的瞬 变压 力 所 决定 的乘 客 舒适 度及 隧道洞 口微气 压波 峰值均 能满 足有关 准则 和建议 标准 的要求 。从 而证 明了合武 铁路 湖北 段 隧道 工程设 计参数 能够满 足 时速 2 5 0 k m列车 运行条 件 。 参 考 文 献 [ 1 ] 关永久． 高速列车在隧道 内会车过程 的气 动特性研究 [ D] ． 成都 西南交通大学 ， 2 0 1 0 ． [ 2 ] 王剑英． 大断面隧道气动效 应 的研 究 [ D] ． 成都 西南交通 大 学 ， 2 0 0 6． [ 3 ] 赵文成 ， 高波 ， 琚娟 ， 等 ． 高速列车通过 喇叭形入 口隧道 的试 验研究 [ J ] ． 铁道建筑 ， 2 0 0 4 7 3 5 - 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