高速铁路隧道气动效应研究存在的问题及展望.pdf

隧 道／ 地 下 工 程 高速铁路隧道气动效应研究存在的问题及展望 马伟斌 ，程 爱君 ，郭小雄 ，吴敏敏 ，张千里 中国铁道科学研究院铁道建筑研究所 ，北京 1 0 0 0 8 1 摘 要 论述近年来我国高速铁路 隧道 气动 效应 的研 究历程 ， 对研 究中存在 的问题进 行初步探讨 ， 包括 隧道 内乘车 舒适度标准 、 洞 口微 气压波控 制标 准、 隧道净空断面积设计 标准 、 隧道微 气压波减缓措 施等 ， 并从设计 角度 对我 国 高速铁路 隧道 气动效应研 究的发展趋势提 出了展望。 关键词 高速铁路 ；隧道 工程 ；气动效应 ；展望 中图分类号 U 2 3 8 ； U 4 5 1 ． 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 4 2 9 5 4 2 0 1 3 1 1 0 0 8 4 0 4 Ex i s t i n g Pr o b l e ms a nd Pr o s p e c t i n Re s e a r c h o f Ae r o dy na mi c Ef f e c t s o f Hi g h- s pe e d Ra i l wa y Tu n ne l MA We i b i n ， C H E N G A i - j u n ，G U O X i a o x i o n g ， WU Mi n m i n ， Z H A N G Q i a n l i Ra i l w a y E n g i n e e r i n g Re s e a r c h I n s t i t u t e，C h i n a Ac a d e my o f Ra i l wa y S c i e n c e s ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 1 ，C h i n a Abs t r a c t Re g a r d i n g t h e a e r o d y n a mi c e f f e c t s o f hi g h - s p e e d r a i l wa y t un n e l ， t he r e s e a r c h p r o g r e s s i n Ch i n a i n r e c e n t y e a r s wa s e x p o un d e d i n t h i s t h e s i s ．An d t h e n t h e p r o b l e ms e x i s t i n g i n t h e r e s e a r c h we r e d i s c u s s e d， i n c l ud i ng t h e s t a n d a r d o f r i d e c o mf o r t wi t hi n t u n n e l ， s t a n da r d o f mi c r o - p r e s s u r e wa v e c o n t r o l l i n g，s t a n d a r d f o r t h e d e s i g n o f n e t c r o s s s e c t i o n a r e a i n s i d e o f t u n n e l ，mi t i g a t i o n me a s u r e s t o t u n n e l mi c r o - p r e s s u r e wa v e， a n d S O o n． F i n a l l y， f r o m a p e r s p e c t i v e o f d e s i g n， t h e p r o s p e c t o f d e v e l o p me n t t r e n d i n t h e r e s e a r c h o f a e r o d y n a mi c e f f e c t o f hi g h s p e e d r a i l wa y t u n n e l i n Ch i n a wa s p r e d i c t e d ． Ke y wo r ds h i g h- s p e e d r a i l wa y；t un n e l e n g i n e e r i ng；a e r o d y n a mi c e f f e c t ；p r o s p e c t 1 高速铁路隧道气动效应研究历程 自2 0世纪 6 0年代 日本新干线投入运行后 ， E t 本 和欧洲一些 国家相继围绕高速铁路隧道气动效应问题 开展了一系列研究。其研究范围主要集中在压力波的 变化梯度及乘客的舒适度 、 压力波和微压波 的传播 和 形成机理及其计算方法 、 削减压缩波和微压波的各种 方案以及相关试验方法等方 面的研究 。研究结果表 明 ， 高速铁路隧道气动效应的影响因素主要有 ①列车 方 面 运行 速度 、 横 截面积 、 车头 和车 尾形 状 、 编 组长度 及车辆的气密性等 ； ②隧道方面 隧道有效净空面积 、 隧道断面形状 、 隧道长度 、 复线间距 、 隧道坡度 、 线路曲 线半 径 、 隧道 壁 面 粗糙 度 及 辅 助 结 构 物 形 式 隧道 口 缓冲结 构、 通 风通道 、 隔墙 、 道 床类型 等 ； ③其他方 面 列车在复线隧道 中交会及相对运行列车各 自进入 收稿 目期 2 0 1 3 0 41 4 ；修回 日期 2 0 1 3 0 4 2 0 基金项目 铁道 部科技研究开发计划项 目 2 0 1 2 G 0 1 3 ． D 作者简介 马伟斌 1 9 7 7 一 ， 男 ， 副研究 员 ， 2 0 0 6年毕 业于铁 道科 学研 究院 ， 工学博 士 ， E ma i l d w a n s f e i 1 6 3 ． c o rn。 隧道 口的时间差等 ， 多种因素交织在一起 ， 使隧道气动 效应研究远比明线空气动力问题复杂。 我 国铁路从 2 0世纪 9 0年代开始高速铁路隧道空 气动力学技术 的研究。2 0 0 8年 1 1月至 2 0 1 1年4月先 后结合合武铁路 、 石太客运专线、 武广客运专线 、 郑西 客运 专线与 京沪 高速 铁 路联 调 联试 ， 较 为 系统 地 研究 了 2 0 0～ 2 5 0 、 3 0 0～ 3 8 0 k m ／ h速度隧道气动效应 。 2 0 0～ 2 5 0 k m ／ h隧道气 动效应的试验研究 ， 是结 合合武铁路和石太客运专线 的联调联试进行的 ， 是我 国铁路首次进行较 为系统的隧道气动效应试验研究 ， 涉及 不 同列 车 通 过 隧 道 和 隧 道 内 交 会 的 车 内压 力 变 化、 车体承受气动荷载、 瞬变压力 、 列 车风 、 微气压波 、 辅助设施气 动力 、 隧道 附加阻力 和货 物列车 运行安 全等 。 3 0 0～ 3 8 0 k m ／ h隧道气动效应 的试验研究 ， 是结 合武广客运专线 、 郑西客运专线 、 京沪高速铁路联调联 试进行的。主要验证了动车组 以 3 8 0 k m ／ h速度 通过 隧道和隧道内交会时列车运行安全性 、 乘坐舒适 性以 及 车 内压 力 的 3 S 变 化 量 随 隧 道 长 度 、 隧道 内位 置 和 铁道标准设计R A I LW AY S T A N DA R D D E S I G N 2 0 1 3 1 1 马伟 斌 ， 程 爱君 ， 郭 小雄 ， 等一 高速铁路隧道气动效应研究存在 的问题及 展望 速度 的变 化规 律 ； 得 到 了 3 0 0～ 3 8 0 k m ／ h速 度 下 隧 道 内瞬变压力 、 洞 口微气压波 和列车风随车速 的变化规 律和经验关系； 得到 了微气压波 随隧道长度 的变化规 律和不同速度下的关 系曲线 ， 指 出存在一个导致微气 压波显著增长的隧道长度范 围， 得到 了不 同车速下需 要采取缓冲措施的隧道临界长度 ； 得到 了特定车辆密 封条件下隧道 内与车内瞬变压力的相关关系及其随隧 道长度的变化规律 ， 提出了不 同长度隧道 内瞬变压力 的临界限值 ； 获得 了隧道 内辅助设施受到的气动力与 列车 速度 的关 系 ， 得 到 了横 通 道 防护 门 、 水 沟盖 板升力 及 其他 辅 助设 施受 到 的气 动力 。 2存在 的问题及 技 术关 键 高速列车在隧道中运行时所诱发的空气动力效应 关 系到旅 客乘 车 耳膜舒 适 度 、 隧道洞 口附近 环境 保护 、 隧道设计参数合理性 、 铁路运营条件等 ， 是高速铁路隧 道 设计 和运 营 中必 须考 虑 的关键 技 术 问题 。我 国高速 铁路隧道存在山区修建较多、 长及特长隧道较多 、 隧道 群较多、 普遍采用无砟轨道等特点 ， 这些特点在空气动 力学问题上还有待进行深入研究 。 结合联调联试 ， 铁科 院对合武铁路 、 石太客运专线 等 2 0多条高速铁路 隧道空气动力学问题 开展系列研 究 工作 ， 并取得 了大量 现场 测试 数据 ， 同时也 提 出 了针 对我国上述国情而对隧道空气动力学问题进行进一步 研究的必要性 。即通过进一步研究 ， 提高旅客乘 车舒 适程度 ， 体现 “ 以人 为本” 的理念 ， 进一步优化隧道设 计参数特别是 隧道 断面面积 参数 ， 响应 “ 低 碳经济 ” “ 安全第一” 的要求 ， 并为相关规范和标准 的制订提供 依据。 目前 ， 高速铁路隧道气动效应存在的主要问题及 技术关键有 1 舒 适 度 标 准 特 别 是 复合 式 舒 适 度 标 准 的 研 究 ； 2 隧 道洞 口微 气压 波控 制标 准 的研 究 ； 3 特 长 隧 道 和 隧 道 群 瞬 变 压 力 的 变 化 特 征 ， 考 虑列 车密 封情 况下 隧道 长 度 同瞬变 压力 波动 程度 的非 单 调关 系研 究 ； 4 压缩波在无砟轨道隧道 的传播特性 ， 减压竖 井 、 辅助坑道等对压缩波传播特性的影响研究 ； 5 缓冲结构结构型式优化设计及其相关减缓措 施 研究 。 3 隧道 气动 效应 相关 标准 与机 理 深化 分析 3 ． 1 舒 适度标 准 欧洲各 国、 E l 本 主要采用 “ 七分 法” 调查 表 ， 运用 室 内压力仓调查和现场实车试 验调查 的手段 ， 针对其 铁道 标准设计R AI L WA Y S T A ND A RD DE S I G N 2 0 1 3 1 1 隧 道／ 地 下工 程 本国人种制定舒适度标准。2 0世纪世界各 国的舒适 度 标准 主要 为单 一型 指标 ， 主要 根据 运输类 型 、 气压 波 动 频繁 程 度 、 运 输 服 务舒 适 度 等级 ， 对 车 内 3 S 或 4 S 内的气 压变 化提 出控 制标 准 。2 l世 纪 以来 ， 为 了更 好 地保 证 旅客乘 车舒 适 度 ， 欧洲 铁 路 联 盟 、 德 国、 荷 兰 等 提出了更为全面和严格的复合 型舒适度标准 ， 即分别 对 车 内 1 、 4 、 1 0 、 ⋯ 、 5 0 s内 的气 压变 化 提 出控 制标 准 。 同时， 从医学角度出发 ， 为保证旅客和乘员的健康 ， 国 外规 定 车 内气 压 变化 幅度 最 大 允许 值 为 1 0 k P a ， 并 且 要考 虑列 车 密封性 完 全丧失 的最 坏情 况 。 我国参考国外相关标准提出了客运专线隧道舒适 度标 准 ， 即单线 不 会车 隧 道 小于 0 ． 8 0 k P a ／ 3 S 、 双 线 会车 隧道小于 1 ． 2 5 k P a ／ 3 S ， 已经纳入“ 铁路隧道设 计施 工有 关 标 准 补 充 规 定 ” 中 。在 遂 渝 铁 路 、 合 武 铁 路 、 石太客运专线现场试验 中， 通过现场调查和测试 ， 对单线 不会车 隧道 0 ． 8 0 k P a ／ 3 S的舒适度标准进行 了初 步验 证 。但进 一步 的完 善和 验证 尚需进 行大 量 现 场调查 ， 复合型舒适度标准也有待研究 。 3 ． 2 瞬 变压 力 波动 程 度与 隧 道长 度 间的 非 单调 变 化 规律 影 响瞬变 压力 的 因素包括 车 速 、 列 车 长度 、 车形 、 列车 断 面面积 、 列 车壁 摩 擦 系 数 、 隧 道 净 空 面积 、 隧道 长度 、 隧 道壁摩 擦 系数等 。 世界各国在瞬变压力研究时 ， 认为对于瞬变压力 存在“ 最不利长度” 隧道 ， 非“ 最不利长度” 隧道 中的瞬 变压力相对较小， 如法 国专家认为隧道长度为列车 长 度 的 0 ． 8 、 1 ． 2 、 3 ． 5倍 时较 为不 利 。我 国针对 客 运专 线 建设 中 隧道较 多 的情况 ， 分 析 了 瞬变 压 力 与 隧道 长 度 的关 系 ， 并 通过 对 隧道 内气 压 传 递 、 反 射 、 叠 加 规律 的 分析 ， 提出了对于瞬变压力“ 最不利长度” 隧道的计算 公式 ， 其与列车速度 、 长度等因素有关。 世界各国在修建高速铁路隧道时为控制车内瞬变 压力 基本采 用 了 2种 模式 一是 以欧洲各 国为代表 ， 采 用大断面隧道来降低对列 车密封性能的要求 ， 减小运 营成本 ； 一是以 日本为代表 ， 采用密封性能较高的列车 来减 小 隧道断 面 面积 要 求 ， 降低 工 程 投 资 。我 国通 过 对瞬 变压 力 的计 算 和分 析 ， 针 对 “ 最 不 利 长 度 ” 隧 道 ， 提 出了不 同速 度 目标 值 时与 车辆 密封性 能相 适应 的 隧 道净 空 断面面 积 建议 值 时 速 2 0 0 k m 单 线 5 2 m ， 双 线 8 0 m ； 时 速 2 5 0 k m 单 线 5 8 I n ， 双 线 9 0 m ； 时 速 3 0 0～3 5 0 k m 单 线 7 0 m ， 双 线 1 O 0 m ， 并 已经 纳 入 高速铁路设计规范 试行 、 新建时速 2 0 0 k m客货 共线铁路设计暂行规定中。但是 ， 在分析隧道长度 同瞬变压力波动程度之 间关 系时 ， 必须对不同密封情 况下车内压力的不 同响应效果加 以考虑 ， 而这种响应 效果 显然 同隧道长 度 有关 ， 在 采用 隧道 群 的线路 情 况 8 5 隧 道／ 地 下 工 程 马伟斌， 程爱君， 郭小雄， 等一高速铁路隧道气动效应研究存在的问题及展望 时还应 该与相邻洞 口的 间距有 关， 这是 需要深入 研 究 的。 德 国 、 英 国 、 瑞士 等 国均 开展 过隧道 中辅 助坑 道设 置对 瞬变压 力影 响 的理 论计 算 和 现 场试 验 研 究 ， 并 发 现在长度1 0 0 0～ 2 0 0 0 i n 的隧道 中通过合理设置辅助 坑道 可 以 将 瞬 变 压 力 降 低 5 0 ％ 左 右，如 瑞 士 E m me q u e r u n g隧道 。但 国外 的研究 主要 针对具 体隧 道 ， 没有给出不同长度隧道中辅助坑道如何设置的普 遍规 律 。我 国通过理 论 分 析 和模 型 试 验 ， 确 定 了 长 隧 道中辅助坑道 的最有利 、 最不利位置计算方法和辅助 坑道面积的影响规律， 并在合武铁路 、 武广客运专线进 行 了现 场试验 验证 。但 是 ， 如 何 在 隧 道 断面 设 计 中具 体考虑辅助坑道的影响尚须进一步的研究 。 3 ． 3 微气 压波 日本 、 德国 、 中国等均制定了高速铁路隧道洞口微 气压 波控制标 准 。我 国 目前执 行 的标准 是参 照 日本 标 准制定 的， 由于国情不同， 建 构 筑物 的要求也不同， 需要针对我 国的实际情况制定适合本地特点的微气压 波标 准 。 欧洲各 国、 日本均 开展 了微气 压波机 理研 究 ， 分 为 3个 阶段 进行 研究 ， 首波 在隧 道入 口的形 成 、 首 波在 隧 道 中的传递 、 首 波在 隧道 出 口释放 形成微 气压 波 ， 并通 过理 论计算 和 现场试 验提 出了有 砟轨 道隧 道微气 压波 的计算方法， 同时提出了削减微气压波 的缓冲结构洞 门型 式及设 计参 数 。我 国引进 了 国外微 气压 波 的计算 方法并通过现场试验进行 了验证 ， 结合模型试验和三 维数值计算提出了削减隧道口微气压波的洞门缓冲结 构型式 阶梯 型 及设计 参数 建议 值 长度 1 d L 5 0 m 、 断面面积 1 ． 5 5倍隧道断面面积 、 开 口面积 0 ． 3倍 隧道 断面 面积 ， 开 口位 置应 根 据具 体 隧道 的情 况确 定 等 。 合武铁路 、 石太客运专线 、 武广客运专线现场试验 结果和三维数值计算均表 明， 辅助坑道的开启能够对 微 气压 波起 到削减 作 用 ， 其 削减 率 与 辅 助坑 道 面 积 和 隧道面 积 比例 成正 比 ， 多 个 辅助 坑 道 对微 气 压 波 的 削 减率 为单个辅助坑道对微气压波削减率的乘积。 日本在长隧道现场试验中发现 了无砟轨道对微气 压波的激化作用 ， 如时速 2 0 0 k m， 隧道长度 8 k m， 碎石 道床隧道洞 口2 0 m处微气压波为 7 P a 左右 ， 而板式道 床隧道洞 口2 0 m处微气压波为 1 2 0 P a左右。但 国外 对长隧道中无砟轨道对微气压波激化作用的理论研究 较少 ， 相关研 究成 果 也 没有 对 外 公 布 。我 国在 武 广 客 运 专线 现场试 验 中在 国 内首 次发 现 了无 砟轨 道对微 气 压波的激化作用 ， 并实际听到了微气压波大于 5 0 P a时 的爆破噪声 ， 如当时速 3 3 0 k m， 长度约 3 k m 的九子仙 隧道 洞 口 2 0 m 处 微 气压 波 为 5 0 P a左 右， 长 度 约 1 0 ． 8 k m 的大瑶 山 1号 隧 道 洞 口 2 0 m 处 微 气 压 波 为 1 3 0 P a 左 右 ， 长隧 道 中 无砟 轨 道 对 微 气 压 波 激 化 作 用 的理 论研 究需要 进一 步深 化 。 4 建议 4 ． 1 优 化 与完 善 隧道 洞 口缓 冲 结 构 、 洞 口 吸能 材 料 等 减缓 洞 口微 气压 波措施 的设计 由于微 气压波 的大小 和压 缩波 到达 隧道 出 口时 的 压力梯 度大致 成正 比 ， 所 以 当前 所 采用 的微 气 压 波减 缓措施的基本指导原则是在压缩波的形成或传播阶段 减小其压力梯度。具体减缓措施包括列车方面的优化 措施 和隧道 方面 的改 造措 施 ， 列 车 方 面 的措 施 主要 包 括改 善列 车头部 形状 、 增 大 列 车头 部 的 长 细 比和 缩 小 列车 断面 积 即减 小 阻 塞 比 等 3种措 施 。 由于 列 车 方面的改造将会给运营商带来经济上的不利 如列车 定员 减少 等 ， 而 在保 证 列 车定 员 等条 件 的制 约 下 ， 优 化列 车带 来 的微 气 压 波 减 缓 效 果 还 是 很 有 限 的 。所 以 ， 当前 微压波 的减 缓 主要 还 是 通 过 隧道 方 面 的改 造 来 实现 的 ， 较为有 效 的主要 是增 大隧道 断面 积 ， 在 隧道 入 口增设 适 当形 式 的缓冲结 构 ， 利 用斜 井 、 竖 井 和横通 道 ， 在 隧道 内和出 口增 设设 施 ， 在 隧道 密 集 地 区 ， 这些 措施 的采 用将使 得 隧道 建 设 成本 大 大 增 加 ， 而 对 于 已 建 成 的既有 隧道 ， 扩 大断 面 、 增设 缓 冲结构 等工程 措施 几 乎是不 可实 施 的。 现场 实测 表 明 ， 无 砟轨 道 结 构 对 隧道 微 气 压 波具 有显著的激化效应 。在其他条件相同的情况下， 无砟 轨道 隧道 出 口的微 气压 波峰值 要 比碎石道 床有 砟轨道 的隧道 出 口微 气压 波 峰值 大 得 多 ， 这 是 因 为碎 石 道 床 作为多孔材料对空气压力波具有吸能和削减作用， 使 隧道 内传播 的压缩 波 波 面压 力 梯 度减 小 ， 微 气 压 波 也 相应减 小 。这种情 况 表 明 ， 在 无砟 轨 道 隧 道 中科 学 合 理地 布置多 孔材料 吸 收和削 减空气 压力 波 的传播是 减 缓微气 压波 的一种 有效 途径 。通过 在 隧道 内设 置一 定 装置 吸收 和削减 空气 压 力 波 的传 播 能量 ， 以 达 到减 缓 隧道 洞 口微 气压 波 的 目的 ， 因此 ， 对 于新 建隧 道与 既有 隧道 来说 ， 进一步 优化 与 完 善 隧道 洞 口缓 冲结 构 设 计 形式 以及 研究 隧道 内吸能材 料等 减缓 洞 口微 气压 波 的 措施 ， 对实 现铁路 运 营的安 全 、 快 速 、 舒 适 、 低 炭 和环境 保护以及降低成本等具有重大意义。 4 ． 2 探 讨 不 同 速 度 等 级 线 路 的 最 经 济 合 理 的 隧 道 截 面 根据 隧道 截面 积和动 车组 头型等 对动 车组 空气 动 力 学 以及 动车 组运 行安 全 性 影 响 的研 究 成 果 ， 探讨 不 同速度等 级线 路 的最经济合 理 的隧道 截 面 。铁 路隧道 断面分为双线单洞和单线双洞 2种情况 ， 隧道断面 内 轮 廓 主要 根据 下列 条件确 定 8 6 铁道标准设计R A I L W AY S T A ND A R D D E S I G N 2 0 1 3 1 1 马伟 斌 ， 程 爱君 ， 郭 小雄 ， 等一 高速铁路隧道气动效应研究存在 的问题及 展望 1 隧 道 净 空 面 积 应 满 足 空 气 动 力 学 效 应 影 响 标 准 ； 2 受其他专业领域要求控制 ， 满足不 同等级线 路建筑限界要求 ； 3 救援 、 养护维修以及其他使用对空间的要求。 空 气 动力学 效 应 影 响标 准 为 空 气压 力最 大变 化 值 A P 1 ． 2 5 k P a ／ 3 s 舒适度 标准 ； 距隧道洞 口 2 0 m 处微气压波 P ⋯ 5 0 P a ； 列车在隧道 内运行 时的空气 阻力增量一般不超过明线上空气阻力的 3 0 ％ 。 根据动车组 的密封指数和隧道 内净空面积的多种 组合进行对 比计算 ， 得 出不同速度等级线路时 ， 既满足 空气动力学效应标准的要求 ， 又完全满足救援通道空 间需要且留有富余量的单双线隧道断面净空面积。 提高列车密封性能与列车速度 以及增大隧道净空 面积 是 相互联 系 相互 矛 盾 的制 约 体 ， 目前 既 有 线 隧道 很多满足不了高速铁路隧道净空断面积 的要求 ， 需要 进行改造扩建 。新建高速铁路隧道 由于种种影响因素 也有 不满 足空 气 动力 学 影 响 标 准 的 ， 对 于 隧 线 比较 大 的线路 ， 势必会增加工程投资与影响正常运输 ， 因此需 要经过充分技术论证 ， 经济性 比选 ， 才能确定更合理的 断 面 ， 有必 要开 展不 同速 度 等 级 线路 隧 道净 空 断 面 合 理 性 匹配 的研究 。 参 考 文献 [ 1 ] 中国铁道科学研究院． 京沪 高速铁路 综合试验 研究分 报告之 八 高 速 铁 路 气 动 效 应 试 验 研 究 『 R] ． 北 京 中 国 铁 道 科 学 研 究 隧 道／ 地 下工 程 院， 2 0 1 1 ． [ 2 ] 马伟斌 ， 张千 里 ， 刘 艳青． 中国高速 铁路 隧道气 动效应 研究 进展 [ J ] ． 交通运输工程学报 ， 2 0 1 2 ， 1 2 4 2 53 2 [ 3 ] 田红旗． 中国列车空气动力学研究 进展 [ J ] ． 交 通运输工 程学报 ， 2 0 0 6， 6 1 1 9 ． [ 4 ] 中铁西南科学研究院． 客运专 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