高速動車組通過合武鐵路湖北段隧道空氣動力性能測試

周亞宇

(鐵道部 工程管理中心，北京 100844)

高速列車進入隧道后的空氣動力學效應主要表現在三個方面，即瞬變壓力、洞口微氣壓波和行車阻力，其中瞬變壓力主要表現在使人的聽覺感到不適。洞口微氣壓波是高速列車進入隧道時的壓縮波在另一端釋放時發出爆炸聲，影響周圍環境。在行車速度、列車斷面積和列車密封系數一定的情況下，主要影響因素為隧道凈空面積。列車進出隧道時空氣動力學效應影響較為明顯，兩座隧道洞口間距較近時，列車進出隧道時間間隔很短，短時間內的空氣壓力變化對乘客舒適度影響較大，同時對列車結構安全也不利。因此在合武鐵路湖北段工程開通運營前，有必要對列車通過合武鐵路湖北段隧道時的空氣動力性能進行測試。

1 測試方案和評判標準

1.1 測試目的

①測試雙線隧道內瞬變壓力變化規律，為論證隧道斷面參數合理性提供依據。②測試雙線隧道洞口微氣壓波，分析其對周邊環境的影響，并為研究長隧道中無砟軌道對微氣壓波的激化問題積累試驗數據。③測試長隧道中輔助坑道對瞬變壓力、微氣壓波的影響，為輔助坑道的設計參數確定及合理利用提供依據。

1.2 測試方案

1.2.1 測試地點

試驗列車為時速250 km的動車組，在合武鐵路湖北段(灄口—墩義堂區間)中選擇大別山、碧綠河2座隧道進行現場試驗。大別山隧道長13 256 m，斷面面積92 m2，無砟軌道，隧道進出口均未設置緩沖結構，隧道中設置1號、2號斜井(其位置示意見圖1)。

圖1 大別山隧道輔助坑道位置示意(單位:m)

碧綠河隧道長212 m，斷面面積92 m2，有砟軌道，隧道進出口均未設置緩沖結構。大別山隧道出口距離碧綠河隧道進口248 m。

1.2.2 測試內容及方法

1)瞬變壓力

采用氣壓傳感器測試隧道內瞬變壓力，隧道內測試斷面縱向布置示意見圖2和圖3。

大別山隧道內布置10個測試斷面，分別位于隧道出口內 347 m，377 m，407 m，647 m，677 m，707 m，4 207 m，4 237 m，4 267 m處和斜井內。測試斷面邊墻和拱腰位置布置測點。

碧綠河隧道內布置3個測試斷面，分別位于隧道出口內76 m，106 m和136 m處，測試斷面邊墻和拱腰位置布置測點。

2)微氣壓波

采用微氣壓波傳感器測試隧道洞口微氣壓波。隧道洞口微氣壓波測點布置示意見圖4。大別山隧道出口外布置3個微氣壓波測試斷面，分別位于隧道出口外10 m、20 m和50 m處。碧綠河隧道進口外布置3個微氣壓波測試斷面，分別位于隧道進口外10 m，20 m和50 m處。

圖2 大別山隧道內測試斷面縱向布置示意(單位:m)

圖3 碧綠河隧道內測試斷面縱向布置示意(單位:m)

圖4 隧道洞口微氣壓波測點布置示意(單位:m)

3)數據采集

采用多通道高速動態數據采集系統進行數據的自動采集和存貯，并實現隧道內各測試斷面數據的長距離同步實時采集和傳輸。

1.3 評判參考標準

1)瞬變壓力。單列列車通過隧道瞬變壓力ΔP＜0.80 kPa/3 s;列車在隧道內交會情況瞬變壓力 ΔP＜1.25 kPa/3 s。

2)微氣壓波。隧道洞口20 m處微氣壓波Pmax＜50 Pa。

2 隧道內瞬變壓力

2.1 隧道輔助通道打開動車組通過時隧道內瞬變壓力

CRH2-010A動車組通過時，大別山、碧綠河隧道內測點瞬變壓力試驗數據和氣壓變化曲線(車速200 km/h，250 km/h)見圖 5、圖 6 和圖 7。

動車組車速250 km/h時，測試數據顯示，大別山隧道內測得的氣壓變化3 s極值為1.78 kPa、峰對峰極值為2.27 kPa，碧綠河隧道內測得的氣壓變化3 s極值為1.70 kPa、峰對峰極值為1.70 kPa。

從圖5和圖6中可以看出，輔助坑道的開啟會使隧道內增加一處氣壓反射界面，其位置等參數的變化會對隧道內氣壓變化造成一定影響。

圖5 動車組通過時大別山隧道距出口377 m測點氣壓變化曲線(車速200 km/h，灄口—墩義堂，2號斜井開啟，隧道長度13 256 m)

圖6 動車組通過時大別山隧道距出口377 m測點氣壓變化曲線(車速250 km/h，灄口—墩義堂，1號斜井開啟，隧道長度13 256 m)

圖7 動車組通過時碧綠河隧道距進口106 m測點氣壓變化曲線(車速250 km/h，灄口—墩義堂，隧道長度212 m)

2.2 輔助通道關閉動車組通過時隧道內瞬變壓力

CRH2-010A動車組和CRH2-041A動車組重聯通過時，大別山、碧綠河隧道內測點瞬變壓力試驗數據和氣壓變化曲線(車速250 km/h)見圖8和圖9。

圖8 動車組重聯時大別山隧道距出口377 m測點氣壓變化曲線(車速250 km/h，灄口—墩義堂，隧道長度13 256 m)

圖9 動車組重聯時碧綠河隧道距進口106 m測點氣壓變化曲線(車速250 km/h，灄口—墩義堂，隧道長度212 m)

動車組重聯車速250 km/h時，大別山隧道內測得的氣壓變化3 s極值為1.84 kPa、峰對峰極值為2.54 kPa，碧綠河隧道內測得的氣壓變化3 s極值為1.64 kPa、峰對峰極值為1.64 kPa。

從圖5、圖6和圖8的比較可以看出，輔助坑道關閉時隧道內無新的氣壓反射界面顯現。

2.3 動車組和動車組交會時隧道內瞬變壓力

CRH2-010A動車組和CRH2-041A動車組交會時，由于大別山隧道進口附近區段限速，動車組(墩—灄)進入大別山隧道進口時速度僅達到200 km/h左右，雖然交會點速度達到了250 km/h，而隧道內氣壓變化規律主要取決于列車進洞速度控制的首波。

CRH2-010A動車組和CRH2-041A動車組交會時，大別山隧道內測點瞬變壓力試驗數據和氣壓變化曲線(動車組計劃交會車速250 km/h和250 km/h，實際進洞車速為250 km/h和200 km/h)見圖10。

圖10 動車組和動車組交會時大別山隧道距出口377 m測點氣壓變化曲線(實際進洞車速為250 km/h和200 km/h，隧道長度13 256 m)

動車組實際進洞車速250 km/h和動車組實際進洞車速200 km/h交會時，大別山隧道內測得的氣壓變化3 s極值為1.93 kPa、峰對峰極值為2.83 kPa。

3 隧道洞口微氣壓波

微氣壓波測點布置在大別山隧道出口和碧綠河隧道進口，大別山隧道出口的微氣壓波由墩義堂—灄口方向列車進入大別山隧道進口的實際進洞車速控制，碧綠河隧道進口的微氣壓波由灄口—墩義堂方向列車進入碧綠河隧道出口的實際進洞車速控制。由于大別山隧道進口附近區段限速，動車組(墩義堂—灄口)進入大別山隧道進口時速度限制在200 km/h左右。

3.1 動車組通過時隧道洞口微氣壓波

CRH2-010A動車組通過時，大別山、碧綠河隧道洞口微氣壓波試驗(計劃車速200、250 km/h)測試數據顯示，動車組計劃車速250 km/h時，大別山隧道洞口20 m處測得微氣壓波極值為8 Pa(實際進洞車速200 km/h)，碧綠河隧道洞口20 m處測得的微氣壓波極值為 22.9 Pa，均 ＜50.0 Pa。

3.2 動車組重聯時隧道洞口微氣壓波

CRH2-010A動車組和CRH2-041A動車組重聯通過時，大別山、碧綠河隧道洞口微氣壓波試驗(計劃車速250 km/h)測試數據顯示，動車組重聯計劃車速250 km/h時，大別山隧道洞口20 m處測得的微氣壓波極值為3 Pa(實際進洞車速190 km/h)，碧綠河隧道洞口20 m處測得的微氣壓波極值為23.4 Pa，均 ＜50.0 Pa。

3.3 動車組和動車組交會時隧道洞口微氣壓波

CRH2-010A動車組和CRH2-041A動車組交會時，大別山隧道洞口微氣壓波試驗(動車組計劃交會車速250 km/h和250 km/h，實際進洞車速250 km/h和200 km/h)測試數據顯示，動車組計劃交會車速250 km/h和250 km/h時，大別山隧道洞口20 m處測得微氣壓波極值為9.7 Pa(實際進洞車速200 km/h)，＜50.0 Pa。

3.4 試驗數據分析

隧道洞口20 m測點典型微氣壓波變化曲線見圖11、圖 12。

圖11 大別山隧道出口20 m測點微氣壓波變化曲線(動車組實際進洞車速205 km/h，墩義堂—灄口，1號斜井開啟)

圖12 碧綠河隧道進口20 m測點微氣壓波變化曲線(動車組車速250 km/h，灄口—墩義堂)

合武鐵路湖北段除大別山隧道外，其余隧道均為有砟軌道隧道，根據理論分析和國內外現場測試資料，有砟軌道隧道洞口的微氣壓波在隧道長度1 km內時變化不大，然后隨著隧道長度的增加而減小。

4 結論

1)乘客舒適度。動車組在隧道內無交會通過合武鐵路湖北段隧道時，測得的車內氣壓變化均＜0.80 kPa/3 s;動車組在大別山隧道內交會時，測得的車內氣壓變化小于1.25 kPa/3 s，符合旅客舒適度準則要求。

2)隧道洞口微氣壓波。① 動車組車速為250 km/h時，碧綠河隧道洞口20 m處微氣壓波測試值為22.9 Pa，該隧道長度小于1 km，為212 m。根據理論分析和國內外現場測試資料，有砟軌道隧道洞口的微氣壓波在隧道長度為1 km內時變化不大，然后隨著隧道長度的增加而減小，可以推斷，合武鐵路湖北段其余有砟軌道隧道洞口20 m處微氣壓波值也能滿足建議標準(＜50 Pa)的要求。② 合武鐵路湖北段中大別山隧道為無砟軌道隧道，其1號、2號輔助坑道關閉，動車組重聯實際進洞車速190 km/h時，其隧道洞口20 m處微氣壓波測試值為3 Pa，遠小于標準值。由此推算，當動車組車速250 km/h時，大別山隧道洞口20 m處微氣壓波計算值應為19 Pa，也滿足建議標準(＜50 Pa)的要求。③ 大別山隧道1號或2號輔助坑道開啟，動車組實際進洞車速205 km/h時，其隧道洞口20 m處微氣壓波測試值為8 Pa，計算得到動車組車速250 km/h時其隧道洞口20 m處微氣壓波值為16.0 Pa;大別山隧道1號和2號輔助坑道關閉，動車組重聯實際進洞車速190 km/h時，其隧道洞口20 m處微氣壓波測試值為3 Pa，動車組交會實際進洞車速200 km/h時，其隧道洞口20 m處微氣壓波測試值為9.7 Pa，計算得到動車組車速250 km/h時其隧道洞口20 m處微氣壓波值為19 Pa。可見大別山隧道輔助坑道開啟對隧道洞口微氣壓波起到了一定的消減作用(15%左右)。

綜上所述，合武鐵路湖北段按目標速度250 km/h運營時，由列車通過隧道產生的瞬變壓力所決定的乘客舒適度及隧道洞口微氣壓波峰值均能滿足有關準則和建議標準的要求。從而證明了合武鐵路湖北段隧道工程設計參數能夠滿足時速250 km列車運行條件。

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