铁路隧道变截面空气动力学效应分析.pdf

2 0 1 6年第 1 期 铁道建筑 Ra i l wa y Eng i n e e r i n g 29 文 章编 号 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 6 0 1 ． 0 0 2 9 0 4 铁路隧道变截面空气动力学效应分析 程 爱君 ， 马伟 斌 1 ． 中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所 ， 北京 1 0 0 0 8 1 ； 2高速铁路轨道技术 国家重 点实验室 ， 北京 1 0 0 0 8 1 摘要 通过分析隧道 内瞬变压力、 洞 口微气压波与隧道长度、 列车速度的关系， 结合相近长度 隧道的现场 实测 结 果 ， 得 出了动 车组 以 3 0 0和 3 5 0 k m ／ h速 度通 过 一长度 8 0 0 m 隧道 时隧道 内瞬变压 力界 限值 与洞 口微气压波。分析结果表 明， 该隧道 内变截 面处断面面积 由 1 0 0 m 减为 9 3 m 后 ， 瞬变压力与微 气压 波能满足设计标准的要求。通过仿真计算进一步验证 了分析结果。 关键 词 高速铁 路 隧道 变截 面 气动 效应 仿 真 实测 中 图分 类 号 T U 3 7 5 ． 4文献标 识码 A D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 3 ． 1 9 9 5 ． 2 0 1 6 ． O 1 ． 0 7 1 工程概 况 一 时速 3 5 0 k m高速铁路隧道全长 8 0 0 m， 为双线 隧道， 隧道净空面积为 1 0 0 m 。在距 隧道进 口4 0 0 m 处增设长度为 8 m的套衬 ， 其两端各设一段 0～3 0 c m 的渐变段 ， 总长约 1 0 m。施工完成后断面面积由原来 的 1 0 0 m 减为 9 3 m 。由于隧道 净空面积减小 ， 需要 对动车组通过变截面隧道的空气动力效应尤其是对隧 道内瞬变压力及洞 口微气压波的影响进行分析。 隧道 横 断面如 图 1所示 。 图 1隧道断面 单位 c m 2气 动效 应影响分析 2 ． 1 洞 口微气 压 波 根据 中国铁道科学研究 院“ 高速铁路气 动效应试 验研究” 的研究成果 ， 长度 3 k m以下隧道洞外 2 0 m处 微气压波基本与车速的 3 4次方成正比， 如图 2 a 。 结合理论分析， 将不同长度隧道 断面面积 1 0 0 m 及 收稿 日期 2 0 1 5 - 1 1 - 2 8 ； 修 回日期 2 0 1 5 1 2 - 1 0 作者简介 程爱君 1 9 7 4 一 ， 男 ， 副研究员 ， 硕士。 阻塞 比为 0 ． 1 1 洞 口微气压波测试值均转化为空间立 体角为 3 “r r ／ 2后 的数据 ， 对现场试验数据做归一化处 理 ， 得出微气压波与隧道长度的关系， 见图 2 b 。 4 0 0 3 5 0 3 0 0 1 5 0 器1 0 0 5O 0 0 ◆54 7m 9 7 7m ▲ 2 7 2 8 m 低 于3 1 6 8 5 7 m f 低于3 1 x l 0 0 8 1 m 低于3 2 7 2 8 mf 高于3 1 1 O 0 8 1 m 高于3 ‘ 6 8 5 7 m 高于3 1 2 0 0 2 2 0 2 4 0 2 6 0 2 8 0 3 0 0 3 2 0 3 4 0 3 6 0 速 度／ ／ h 、 a 1 不同长度隧道微气压波与行车速度的关系曲线 隧道长度／ k m f b 微气压波与隧道长度的关系曲线 图 2 微气压波 与行 车速度 、 隧道长度的关系曲线 由图 2 b 可知 当动车组分别以速度 3 0 0 ， 3 5 0和 3 8 0 k m ／ h通过 时 ， 洞 口外 2 0 m 处微气 压 波 5 0 P a的 隧道 临界 长 度分 别 为 5 ． 5 ， 1 ． 6和 1 ． 0 k m， 长 度 8 0 0 m 的隧道 无套 衬 ， 洞 口外 2 0 m处 微气 压 波分别 为 2 0 ． 3 0 ， 3 4 ． 9 7和 4 7 ． 5 1 P a 。 该隧道长度与银岭头隧道 武广高铁 ， 长 9 7 7 m， 无砟轨道 及李家湾隧道 郑武高铁 ， 长 8 2 2 m， 无砟轨 道 接 近 ， 隧 道净 空 断面 面积 相 同。动 车 组 以速 度 3 1 0 ， 3 5 0 k m ／ h通过长度相近隧道时洞 口微气压波测试 值及换算为无缓冲结构后洞口微气压波如表 1 所示。 ．n h 胁 m m h m h m k k k k O O 1 O l O c ； 叶 _ 兰 ； _ 阱J 。 加体 m 8 6 4 2 ． 、 鲻出 搭 3 0 铁道建筑 表 1 相近 长度 隧道 洞口 2 0 m 处微气压 波 根据洞外点微气压波压力与到达隧道出E l 的压缩 波 的关 系可得 距洞 口 r 处 的微 气压 波压 力 P ⋯ 为 P⋯ 篇 ⋯ ⋯ 1 1 一 1一R ， 1 、 r d 1 一 [ M 1一 R ] 式中 d P ／ d t ⋯ 为 出 口处压 力 随时间 的变化 率； S为隧道 的有 效 面 积 ； 为 反 映 出 口地 形 条 件 的空 间 立体角 ； C为标准声速 ； p 。 为空气标准密度 ；U为列车 进洞速度 ； 7 - 为反应压力上升时间 的参数； d为隧道 的 水力直径 ； R为阻塞比； 为马赫数 。 该隧道增设套衬后 ， 按 隧道全长范 围内净空面积 均变为9 3 m 的最不利情况考虑 ， 由公式 1 换算得到 洞 口微 气 压波 ， 见表 2 。 表 2 隧道净空断面积变小后各隧道洞外 2 1 m 处微气 压波换算值 综上分析可知 ， 该隧道内加 1 0 m套衬后 ， 动车组 以速 度 3 1 0 ， 3 5 0 ， 3 8 0 k m ／ h通 过 时 洞 口微 气 压 波小 于 标准值 5 0 P a ， 2 0 m处 。 2 ． 2瞬变压 力 影响 分析 根据文献 [ 1 ] ， 不同隧道瞬变压力临界值 车 内压 力 3 s 变化极值达到 1 ． 2 5 k P a 对应的瞬变压力 与隧 道长度关系包络曲线如 图 3所 示。可知 隧道 内瞬变 压力临界值随隧道长度 的增加而减小 ； 对 于 C R H z动 车组 ， 当隧道长度为 0 ． 5 ， 1 ． 0 k m时瞬变压力临界值分 别超过 6 ． 8 0 ， 5 ． 9 0 k P a 。对于 8 0 0 m长隧道 无套衬 ， 隧道 内瞬 变压力 临 界值 为 6 ． 2 5 k P a 。 日 8 皇7 磐5 3 魃 2 图 3 隧道 内瞬变压力临界值与隧道长度的关系包络 曲线 不同动车组速度下隧道 内瞬变压力 3 s 变化极 值 随隧道长度变化 曲线如图 4所示 。 6 日5 皇4 奋s 2 t t ；1 图 4 不 同速度下瞬变压力随隧道长度变化 曲线 由图 4可 知 ， 动 车组 分别 以 2 5 0 ， 3 0 0和 3 5 0 k m ／ h 速度通过 时， 长度 8 0 0 m 的隧道 内瞬变压 力分别 为 2 ． 6 3 ， 3 ． 7 7和 5 ． 1 1 k P a ， 瞬变压力均 6 ． 2 5 k P a ， 能够 满足要求。 已有 研究 表 明 ， 列 车 进 洞 时 产 生 的压 缩 波 波 形 P 如下 1 U2 丽 1 l盯 a rc ta n 2 I 盯 J 根据式 2 可知列车进洞时产生的压缩波最大值 JP ⋯ 为 P m 1。u 2 丽 3 根据式 3 计算 出动车组通过 时， 截面净空面积 9 3 I n 隧道 内瞬变压 力为 截面净 空面积 1 0 0 m 的 1 ． 0 3 7 倍 ， 由此计算出动车组通过长度相近隧道时洞内瞬变压 力值， 见表 3 。 表 3 动车组通 过时长度相近 隧道瞬变压力值 3 2 铁道建筑 J a n u a r y ， 2 0 1 6 4 结论 依据相近长度隧道 的现场实测数据 ， 结合仿真计 算 ， 从隧道内瞬变压力和洞 口微气压波两个角度分析 ， 该隧道 内4 0 0 I n处存在 1 0 1 T I 长的变截面区段时， 隧道 气动效应能满足要求 。 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 学研究院 ， 2 0 1 1 ． 『 2] OZ AWA S， MAED A T， MA T S UMU RA T， e t a 1 ． O n t h e Ae r o d y n a mi c s a n d Ve n t i l a t i o n o f V e h i c l e T u n n e l s 『C] ／ ／ Ha e r t e r A． Pr o c e e d i ng o f 7t h Sy rup． Ams t e r d a m El s e v i e r Sc i e n c e Pu b l i s h e r s L t d．。 1 991 2 53 2 56． [ 3 ] O Z A WA S ， T A N E MO T O K， MA E D A T ． Mo d e l E x p e r i m e n t s o n D e v i c e s t o R e d u c e P e r s s u r e Wa v e [ R] ． J a p a n R a i l w a y T e c h n i c a l Re s e a r c h I n s t i t u t e， 1 97 6． 『 4 1 S A T ORUO． T AT S UOM． T u n n e l E n t r a n c e Ho o d s f o r Re d u c t i o n o f Mi c r o - p r e s s u r e Wa v e [ J ] ． Q u a r t e r l y R e p o r t o f R a i l w a y T e c h n i c a l Re s e a r c h I n s t i t u t e o f J a p a n e s e Na t i o n a l R a i l w a y s ， 1 9 8 8， 2 9 3 l 3 4 - 1 3 9 ． [ 5 ] 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 5 - 3 2 ． An a l y s i s o f a e r o d y n a mi c s e ffe c t i n c ha n g e a b l e c r o s s - s e c t i o n t u n n e l C H E N G A i j u n 一， MA We i b i n ’ 1 ． R a i l w a y E n g i n e e r i n g R e s e a r c h I n s t i t u t e ， C h i n a A c a d e my o f R a i l w a 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 ； 2 ． S t a t e K e y L a b o r a t o ry fo r T r a c k T e c h n o l o g y o f H i g h S p e e d R a i l w a y ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 1 ， C h i n a Ab s t r a c t Th r o u g h a n aly z i n g t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n the t r a n s i e n t p r e s s u r e i n s i d e t u n n e l ， the t u n n e l e n t r a n c e mi c r o p r e s s u r e wa v e a nd the t un ne l l e n g t h， th e t r a i n s pe e d， the tran s i e nt p r e s s ur e l i mi t valu e in s i d e tun ne l a nd e n t r a nc e mi c r o p r e s s ur e wa v e wa s ob t a ine d b y c omb i n in g wi th thc fie l d t e s t r e s u l t s o f the t unn e l s wi th s i m i l a r l e n g t h whe n EM U p a s s e d thr o ug h 8 00 m t u nn e l wi th r u nn in g s pe e d o f 3 0 0 k m ／ h an d 3 5 0 km ／ h． The r e s ul t s s ho w th a t t r a ns i e nt p r e s s u r e a n d mi c r o - p r e s s u r e wa v e c a n me e t the r e q u i r e me n t s o f d e s i g n s t a n d a r d s wh e n the v a r i a b l e s e c t i o n are a ins i d e tun n e l wa s r e d u c e d f r o m 1 0 0 m。 t o 9 3 m ． Th e a n a l y s i s r e s u l t s we r e v e r i f i e d b y the s i mu l a ti o n c alc u l a t i o n． Ke y wo r d s Hi g h s p e e d r a i l wa y； Tu n n e l ； Va r i a b l e s e c t i o n； Ae r o d y n a mi c e ff e c t ； S i mu l a t i o n； M e a s u r e me n t 责任审编李付军 编写摘要注意事项 I 摘要 中应排 除本学科领域 已成为常识的 内容； 切忌把应在引言 中出现的 内容写入摘要 ； 一般也不要 对论 文 内容作 诠释 和评 论 尤其 是 自我评 价 。 2 不得 简单重复题名中已有的信息。 3 结构严谨 ， 表达 简明， 语 义确切。先写什 么， 后 写什 么， 要按逻辑顺序来安排。句子之间要上下连贯 ， 互相呼应。摘要慎用长句， 句型应 力求简单。每 句话 要表意明白， 无空泛、 笼统、 含 混之词 。摘要是 一篇 完 整 的短 文 ， 不分段 。 4 用第三人称。建议采用“ 对 ⋯⋯进行 了研究” 、 “ 报告 了⋯⋯现状” 、 “ 进行 了⋯⋯调查” 等记述方法标 明一次文献 的性质和文献主题 ， 不必使 用“ 本文” 、 “ 作 者” 等作为主语。 5 要 使 用规 范化 的 名词 术 语 ， 不 用 非公 知 公 用 的 符 号和 术语 。新 术语 或 尚无 合 适 汉 文术 语 的 ， 可 用原 文或译 出后 加括 号 注明原 文 。 6 除了实在 无法变通以外， 一般不 用数 学公 式， 不出现插 图、 表格 。 7 不 用 引文 ， 除非 该 文献 证 实或 否 定 了他 人 已出 版的著作。 8 缩 略语 、 略称 、 代 号 ， 除 了相 邻 专 业 的 读 者也 能 清楚理解的以外， 在首次出现 时必须加 以说明。 9 科技 书刊编排 时应 注意的其他事项， 如采用法 定计量单位、 正确使用语 言文字和标点符号等。 本刊编辑部