高速铁路隧道空气动力学效应控制
隧道.地下工程及岩石破碎理论与应用
!生型型垒婴!!苎l竺!!卫竺!!!!g:旦塑!坚竺型!!照苎!竖竺!垦!!!!翌墅!坐苎!竺
高速铁路隧道空气动力学效应控制
’
常翔,张献伟
(中铁隧道集团有限公司总工办,河南洛阳471009)
摘要:空气动力学效应对高速铁路隧道内行车,旅客乘车舒适度.洞口环境均有不利的影响。通过本文对隧道内空气动力学效应的分析研究,找出解决问题的对应措施,为高速铁路隧道设计、施工,运营提供科学的理论依据.
关键词:高速铁路;隧道;空气动力学效应;控制
l概述
铁路高速铁路隧道设计主要由限界、构造尺寸、使用空间和缓解或消减列车进入隧道诱发的空气动力学效应两方面的要求确定。研究表明。当列车以200公里以上时速通过铁路隧道时,空气动力学效应对行车、旅客乘车舒适度、洞口环境的不利影响已十分明显且起控制作用,因此,隧道的设计除须遵照现行《铁路隧道设计规范》(TBl0003)规定及提高防灾救援要求外,还应考虑下列因素:
①隧道内形成的瞬变压力对乘员舒适度及相关车辆结构的影响:
②空气阻力的增大对行车的影响;
③隧道口所形成的微压波对环境的影响;
④列车风对隧道内作业人员待避条件的影响。
2空气动力学效应现象
当列车进入隧道时,原来占据着空间的空气被排开。空气的粘性以及气流对隧道壁面和列车表面的摩阻作用使得被排开的空气不能象在隧道外那样及时,顺畅地沿列车两侧和上部流动,列车前方的空气受压缩,随之产生特定的压力变化过程,引起相应的空气动力学效应并随着行车速度的提高而加剧。
在隧道端口处产生音爆并对乘客耳膜造成损伤,主要发生在隧道入口。
2.1列车进入隧道引起的瞬变压力
列车进入隧道引起的压力变化是两部分的叠加:・
①列车移动时从挤压、排开空气到留下真空整个过程引起的压力变化
作者简舟:常翔(1964_).第一学历专科.上海铁道学院,铁道工程专业。第二学历大学本科.华中科技大学,工程管理专业。研究方向是隧道施工技术。中铁隧道集团有限公司,中国土术工程学会隧道及地f工程分舍。工程师.电话:0379-626320卯,E,fmiI:c喀x@163蛐・
常期等:高速铁路隧道空气动力学效应控制
②列车车头进入隧道产生的压缩波以及车尾进入隧道产生的膨胀波在隧道两洞口之间来回反射产生的压力变化(Mach波)。
当双线隧道中同时有不同方向列车相向行驶时,叠加所产生的情况则更为复杂。列车在隧道中运行时(无相向行驶列车)车上测得的最大压力波动发生在第一个反射波到达列车时。
2.1.1隧道长度的影响
Mach波以声速传播,对于长隧道,来回反射的周期相应较长。同时,在反射的过程中能量有所衰减。
而对于短隧道,Mach波反射的周期大为缩短。同时,在反射过程中能量损失也较少,致使压力波动程度加剧。试验表明,压力波动绝对值,并不随隧道长度的减小而减小。
当隧道长度为1km时,压力波动明显加剧,而当隧道长度进一步增大到3km时,压力波动则并无显著加剧,反而有缓解趋向。
列车交会的双线隧道,最不利情况发生在列车交会在隧道中点时。
2.1.2列车速度的影响
根据研究,压力波动同列车速度平方成正比。
2.1'3隧道净空断面面积的影响
对于压力波动,诸因素中隧道横截面积的影响是最大的。ORE曾经系统地研究了各种因素对压力波动的影响。结果也表明,隧道净空断面面积,或者说,隧道阻塞比是最主要的因素。根据计算分析,提出压力波动与隧道阻塞比之间有下列关系:
P=舻。
单一列车在隧道中运行时,口=1.3±0.25。考虑列车交会时,口_2.16±0.06。(1)式中卜是系数
2.1.4竖井的影响卜—_3秒内压力变化的最大值;,——阻塞比,,=列车横截面积/隧道内轨项面以上净空面积。
竖井(斜井、横洞)的存在会缓解压力波动的程度。竖井位置对减压效果的影响很大,并不是处于任何位置的竖井都能有较好的效果。竖井断面积5~lOm2即可,加大竖井的横断面积,并不能收到好的效果。
根据Mach波叠加情况可以理论地得到竖井的最佳位置:
式中v一行车速度;卜竖井距隧道进口距离;
£——隧道长度;耵EF2埘疆1+^毋(2)
^产—_M∞h数。
2.1.5列车交会的影响
双线隧道列车在隧道中交会引起压力波动的叠加,情况十分复杂。ORE研究报告说,列车交会时,压力波动最大值是单一列车运行情况的2.8倍。83
隧道、地下工程及岩石破碎理论与应用
实际上.列车交会时所产生的压力波动同列车长度、隧道长度、会车位置、车速等多种因素有关。
2.1.6列车密封条件对车内压力波动的影响
计算结果表明,车辆的密封对车内压力波动的影响可以归结为“缓解”和“滞后”两种效应。
值得指出的是,在考虑到列车交会的情况下,就车外压力而言,洞口会车有时会成为最不利情况,然而在列车密封的条件下,洞口会车并非最不利情况。由于“滞后”效应,车内压力来不及“响应”列车就出洞了。
2.1,7压力波动程度阁值的确定
高速铁路隧道设计应通过正确地选择隧道设计参数,将压力波动控制到“允许”范围内。
评定压力波动程度一般采用的参数有:
①“峰对峰”最大值。即最大压力变化的绝对值:
②压力变化率的最大值。
目前较通用的评估参数是相应于某一指定短时间内的压力变化值,例如3S内最大压力变化值或钳内最大压力变化值。
所谓3S或驰大致相当于完成耳腔压力调节所需的时间。
2.2列车进入隧道引起的行车阻力
行车阻力由机械阻力和空气阻力两部分组成。
机械阻力一般同行车速度成正比。
空气阻力则同行车速度二次方成正比。在隧道中,空气阻力问题更为突出。
2.2.1隧道条件对空气阻力的影响
①隧道长度的影响
研究表明,空气阻力随隧道长度的增加而单调增加,但其增加率越来越小,最后趋于~常数。阻塞比卢越小,趋于常数所需的隧道长度越短。当口=0.15时,隧道长度超过3km以后,空气阻力已变化不大:而对于伊田.42的隧道在长度超过lm}血以后仍有较大的变化。
②阻塞比对空气阻力的影响
空气阻力随卢的增加而单调增加,并且斜率越来越大。当以P250k砒为例,卢从O.15增加到0.20时,空气阻力将增加工13%。而当芦从0.4增加到0.45时。空气阻力将增加16%。
⑧列车在隧道中交会的影响
以乒100m2、口=0.1为例,当两列车车体重合时,空气阻力系数将增加23%(车长360m,隧道长3000m1。
一般说来会车阻力只对确定机车最大牵引能力时有意义。④竖井的影响
常翔等:高速铁路隧道空气动力学效应控帝J
竖井的存在,可降低行车阻力。但这种影响并不很大。以设在隧道中断面积为5m2的竖井为例,当卢-o.42时,空气阻力减小7%,当卢:o.15时,空气阻力仅降低1.2%。23列车进入隧道引起的微压波
微压波是隧道出口微气压波的简称,是高速铁路隧道运营过程中产生的空气动力学问题之一。微压波使得列车高速进入隧道时,在另一侧出口产生突然爆炸声响,对隧道出口附近的环境构成危害。
23.1国外有关国家的研究及应用情况简介
欧洲国家对此研究较少,而日本由于采用的隧道断面较小,微压波问题特别突出。针对这一现象,日本铁道技术研究所等在现场测试、模型实验、理论分析及工程措施等方面进行了全面地研究,并取得了成功的应用。研究认为,隧道出口的爆炸声响是由列车高速进入隧道产生的压缩波在隧道内传播到达出口时,由出口向外部放射脉冲状压力波而引起的。微压波的太小与列车进洞速度、隧道长度、道床类型及隧道入口形式等有关。
2.3.2降低隧道微压波的工程措施
①采用特殊隧道入口形式(称为洞口缓冲结构);
②采用道碴道床或具有相同效果的贴附有吸音材料的洞壁:
③连接相邻隧道并在连接部分适当开口,对单一隧道可在埋深浅的地方设窗孔;④利用斜井、竖井、平行导坑等辅助坑道。
2.3.3高速铁路隧道微压波问题的提出及实态
①1973年,Hanm】m通过对有关列车隧道空气动力学问题的理论研究,提出了微压波问题的预见。1975年,在日本新干线冈山以西段的试运营过程中首次观察到。
②此后,随着新干线投入运营和列车速度的提高,在日本的其它地方也相继出现了由微压波产生的洞口气压噪声现象。
2.3.4微压波的产生
隧道微压波是列车高速进入隧道产生的压缩波在隧道内以音速传播,当到达隧道的出口时,向外放射的脉冲状压力波。其大小与到达出口的压缩波形态密切相关,在靠近低频段与压缩波波前的压力梯度成正比。
2r3.5微压波波形
图l微压波波形(r=20n)85
隧道,地下工程及岩石破碎理论与应用
其中矿为列车的进洞速度,r为测点到洞口中心的距离。隧道短时,可能出现多个波峰,而对于长隧道来说,由于压缩波的反射波(即稀疏波,亦称膨胀波)波前较为模糊,使得第一个波峰最为显著。
2.3.6微压波和道床种类及列车进洞速度的关系
当隧道较短(如小于1km)时,道碴道床和板式道床几乎没什么差别,微压波的大小基本上与M(列车进洞速度)成正比,即尸m。=缸√r。其中,足为隧道出口地形影响系数。对于长隧道来说,道碴道床隧道的微压波较短隧道要小,基本上也符合”关系。2.3.7微压波和隧道长度的关系
比较短的隧道(小于1km)微压波的大小不受隧道长度的影响。较长的道碴道床隧道的微压波最大值随隧道长度的增加减少;相反,板式道床隧道的微压波最大值随隧道长度的增加而增加,到某一隧道长度时达最大值,其后随隧道长度的增加而减小。2.4空气动力学效应对高速铁路运营的影响
①由于瞬变压力造成乘员舒适度降低,并对车辆产生危害
②微压波引起爆破噪声并危及洞口建筑物;
③行车阻力加大;
④空气动力学噪声;
⑤列车风加剧。
2.5高速铁路隧道空气动力学效应的影响因素
2.5.1机车车辆方面
行车速度,车头和车尾形状,列车横断面,列车长度,列车外表面形状和粗糙度。车辆的密封性等。
2.5.2隧道方面
隧道净空断面面积,双线单洞还是单线双洞,隧道壁面的粗糙度,洞口及辅助结构物形式,竖井、斜井和横洞,道床类型等。
2.5.3其它方面
列车在隧道中的交会等。
26主要设计措施
缓解或消减列车进入隧道诱发的空气动力学效应的主要设计措施是:在列车相关参数一定的条件下,适当加大隧道内轨顶面以上净空面积(减小阻塞比),优化断面形状和尺寸,在洞口修建缓冲结构,利用辅助坑道等。
2.6.1隧道断面内轮廓
隧道断面内轮廓主要根据下列条件确定:
①隧道净空横断面面积应满足空气动力学效应影响标准;
②满足铁路建筑接近限界要求,双线隧道还应满足线问距要求:③养护、维修和救援空间要求。
常翔等:高速铁路隧道空气动力学效应控制
空气动力学效应影响标准为:空气压力最大变化值△P<3卯“3s(舒适度标准),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30%。
国外高速铁路隧道断面见表1。
表l国外高速铁路隧道断面一览表
从表中所列阻塞比的数据,可将隧道归纳为两类:一为阻塞比卢<O.15(德、法)、德国IcE车辆横断面积为10.3m2,法国T(Ⅳ车辆横断面积为lOln2,隧道有效净空面积相对较大;另一类阻塞比声>O.18(日、意)。相对来说隧道有效净空面积要小,而在长隧道洞口必须增设缓冲结构,以减轻隧道的空气动力效应。意大利是欧洲最早修建高速铁路的国家,也曾在长隧道洞口采用过缓冲结构,但在新线建设中已将隧道有效净空面积由53.8n12扩大为76。日本是在高速铁路试运行中发现了隧道出口的微压波问题,因而只得采用增设洞口缓冲结构来解决其危害。由于新干线已形成了完整的体系,现在仍采用此种措施。
2.6.2降低隧道空气动力效应的结构工程措施
为了降低及缓解空气动力学效应,除了采用密封车辆及减小车辆横断面积外,必须采取有力的结构工程措施,增大隧道有效净空面积及在洞口增设缓冲结构;另外还有其它辅助措施,如在复线上双孔单线隧道设置一系列横通道;以及在隧道内适当位置修建通风竖井、斜井或横洞。
增大隧道有效净空面积其效果显著。但因增加工程数量,从而提高了造价;在洞口增设缓冲结构、将隧道出入口作成喇叭型、增设混凝土明洞或钢结构的棚洞等,并且在其洞壁上开设通气孔洞或窗口,既可降低洞内瞬变压力,又可减弱微压波产生洞口附近的“爆炸”声。
理论及试验研究表明,影响隧道中压力变化的因素有:列车的速度、头部及尾部形式、横断面面积、长度;车辆外表型式及粗糙度;隧道的有效净空面积大小及突变、长度及洞壁的粗糙度等。而在这些影响因素中列车的速度和阻塞比二者是至关重要的。研究还表明,隧道中最大压力变化与列车速度的平方成正比,同时也与阻塞比的口次方成正比。因此列车速度确定之后,阻塞比就成为关键的因素。而当列车车型选定以后(列车横断面面积己确定),隧道有效净空面积就又成为决定性因素。
隧道、地下工程及岩石破碎理论与应用
隧道横断面形式
当v=250km,Il时,卢=0.14;v=350lⅫ曲时,哥司.11。
隧道横断面形式一般为圆形(部分或全部)、具有或没有仰拱的马蹄形断面。而影响隧道横断面尺寸的因素有:①建筑限界;②电气化铁路接触网的标准限界及接触网支承点和接触网链形悬挂的安装范围:③线路数量:是双线单洞还是单线双洞;④线间距;⑤线路轨道横断面;⑥需要保留的空间如安全空间,施工作业工作空间等;⑦空气动力学影响;⑧与线路设备的结构相适应。
200公里暂规
①单线隧道内轨顶面以上净空面积应不小于50m2;
②双线隧道内轨顶面以上净空面积应不小于80m2。
京沪高速铁路暂轨
①单洞双线隧道断面有效面积为loom2。
②单线隧道断面有效面积为70o。
③限速地段当检算行车速度<200km,h时,可采用较小的隧道断面有效面积,但双线隧道断面有效面积不应小于80m2。
单线隧道断面有效面积不应小于52m2。
3结语
我国的高速铁路隧道建设刚刚开始.在借鉴国外技术经验的基础上,我们克服了日本的小断面缺点,采用了大断面,这样有利于解决和有效控制高速铁路隧道内空气动力学效应问题。但,我国对于高速铁路隧道内空气动力学效应研究还是不够的,需要广大技术工作者继续研究和探讨,使该问题得到更好的解决。
参考文献【1]王建宇.高速铁路隧道空气动力学若干问题探讨口田北京:中国铁道出版社,2006
高速铁路隧道空气动力学效应控制
作者:
作者单位:常翔, 张献伟中铁隧道集团有限公司总工办,河南,洛阳,471009
本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_6436283.aspx