高速鐵路雙線隧道列車風特性與人員安全性分析

費瑞振，彭立敏，2，施成華，2，楊偉超，2，雷明鋒

(1.中南大學土木工程學院，湖南 長沙410075;2.高速鐵路建造技術國家工程實驗室，湖南 長沙410075)

0 引言

列車高速運行時，由于車身摩擦阻力和空氣黏性作用，車身周圍一定距離內會形成高速流動的列車風.維修工作者在隧道內進行作業時，一般會對兩條線路同時檢修，活動范圍較大;高速列車因供電故障停運在隧道內時，車廂內悶熱缺氧，需打開車門進行通風，此時部分乘客可能離開車廂進入隧道.無論是一線檢修、一線行車(“單車正常運行”)情況，還是一線停運、一線行車(“存在列車事故”)情況，行車線路上高速列車引發的列車風必將對隧道內的維修工作者或待疏散乘客造成極大的安全威脅.

國內外學者采用現場實測、模型試驗、理論研究和數值模擬等方法對列車風進行了研究［1-2］;但是針對高速鐵路雙線隧道列車風特性與人員安全性的研究很少.

1 計算理論與方法

1.1 控制方程

筆者采用三維不可壓縮Navier-Stokes方程和標準k-ε湍流模型.當列車的車速vr≤360 km/h時，相應的馬赫數不大于0.3，屬于亞音速流，可以用三維黏性非定常流動進行處理.列車流場的雷諾數Re一般大于106，可作為湍流流動進行處理［3］.設φ為流場某一參數，則對于任一控制容積V，流場控制方程可寫成如下形式.

當 φ =1，U，e，k，ε 時，方程(1)分別表示連續方程、動量方程、能量方程、湍動能方程和湍動能耗散率ε方程;Γφ和Sφ分別為廣義擴散系數及廣義源項;ρ為空氣密度.

方程(1)沒有封閉，因此引入理想氣體的熱力學方程和完全氣體狀態方程:

式中:E為氣體單位質量的總能量;P為氣體壓力;γ為氣體的絕熱指數;u，v，w為氣體在x，y和z方向的速度分量;R為氣體常數;T為空氣熱力學溫度.

1.2 計算模型

以我國高速鐵路普遍采用的300～350 km/h雙線隧道為研究對象，建立三維仿真模型.隧道斷面形狀如圖1所示，其橫截面積為100 m2.當隧道的長度為1 360 m左右時，瞬變壓力及列車風會對隧道產生最不利影響［4］，故建模時隧道長度取為1 360 m，隧道洞口外大氣長度取為200 m，大氣范圍為3倍隧道的橫截面積.列車設置為3節車廂編組，長度為60 m，車型為CHR3，列車的基本參數如表1所示，建模時保持列車的流線特征，如圖2所示.隧道和外部大氣為固定部分，列車和周圍空氣為滑動部分.

表1 CRH3列車基本參數Tab.1 Train CHR3 parameters

1.3 邊界條件

隧道側壁及列車表面為固定墻邊界，空氣在墻邊界的法向速度un和法向壓力梯度?p/?n為0，壁面處為無渦流，根據粗糙管壁模型試驗確定隧道壁面粗糙度.隧道與外部大氣接觸面為壓力出口邊界，即壓力等于初始大氣壓，壓力波在該邊界處根據黎曼不變量原理進行反射和擴散.流出邊界流體的切向速度和熵由邊界內流場插值確定，流入邊界流體的切向速度和熵按自由流場確定.對列車進入隧道前的流場進行穩定流計算，收斂后流場作為非定常流場的初始條件，列車與隧道的相對運動采用滑移網格技術處理［5］.

2 列車風的時程變化規律

高速鐵路雙線隧道內左右兩側各設一條疏散通道，如圖1所示，其寬度為1.6 m;疏散通道內邊緣到兩條線路中線的距離分別為2.2 m和7.2 m;當運行列車為CRH3時，疏散通道內邊緣到列車外壁的距離分別為0.51 m和5.51 m.列車以一定速度經過雙線隧道時，距列車較近的疏散通道稱為“近列車疏散通道”，距列車較遠的疏散通道稱為“遠列車疏散通道”.為研究列車運行過程中隧道內列車風的時程變化規律，以時速300 km為例進行分析.

2.1 單車正常運行時列車風時程變化規律

在隧道內距入口400 m的斷面設置測點，分別位于近列車疏散通道中線和遠列車疏散通道中線上，高于軌面1.5 m，得到正常情況下列車風速度的時程變化曲線，如圖3所示.

根據圖3分析可知:①車頭經過測點時，縱向列車風風速增大至一個極大值，之后迅速減小;車身經過測點時，風速基本保持不變;車尾經過測點時，風速迅速增大并且后方出現活塞風.②車頭和車尾經過測點時，橫向列車風均突然增大，風向分別為遠離車頭和指向車尾;車身經過測點時，橫向列車風基本為零.

圖3 正常情況下列車風速度的時程變化曲線Fig.3 Time-history curves of train wind speed in normal situation

2.2 存在列車事故時列車風時程變化規律

假設事故列車停運在隧道內距入口20～80 m的位置，測點位于距隧道入口50 m的近列車疏散通道中線上，高于軌面1.5 m.對比兩種情況下的列車風速度，如圖4所示.

圖4 兩種情況下列車風速度的對比Fig.4 Comparison of train wind speed in two situations

根據圖4分析可知:(1)兩種工況下列車風的縱向和橫向時程變化規律基本一致.(2)由于事故列車占據測點橫斷面空間，存在列車事故工況下縱向列車風峰值大于單車正常運行工況，橫向列車風峰值小于單車正常運行工況.

3 列車風的空間分布特征

為研究列車運行過程中隧道內列車風的空間分布特征，以時速300 km為例進行分析.

3.1 單車正常運行時列車風空間分布特征

列車向右行駛，正向沿正軸，列車運行至隧道中部(車頭距洞口700 m)時，軌頂上方1.5 m處水平面縱向列車風分布特征如圖5所示.

根據圖5分析可知:①列車頭部縱向列車風速度梯度變化大，沿縱向分布范圍短，風向與列車運行方向相同.②近列車側環隙流速比遠列車側大，近列車側風向和遠列車側風向分別與列車運行方向一致和相反.③列車尾部后方縱向列車風速度梯度變化小，沿縱向分布范圍長，風向與列車運行方向相同.

當列車運行至隧道中部時，分析三個典型斷面橫向列車風的分布特征，如圖6所示.

圖5 正常情況時縱向列車風分布云圖Fig.5 Longitudinal train wind contour in normal situation

根據圖6分析可知:①由于流線型車頭的排擠作用，車頭正壓區空氣朝左右兩側橫向流動，車頭兩側環列車壁處橫向列車風速度最大，沿列車壁外法向逐漸減小.②車尾兩側空氣朝尾部負壓區流動，車尾兩側環列車壁處橫向列車風速度最大，沿列車壁外法向逐漸減小.

3.2 存在列車事故時列車風空間分布特征

假設事故列車停運在隧道內距入口20～80 m的位置，另一列車自左向右行駛，正向沿正軸，當另一列車在經過事故列車時，軌頂上方1.5 m處水平面縱向列車風分布特征如圖7所示.

圖6 正常情況時橫向列車風分布云圖Fig.6 Transverse train wind contours in normal situation

圖7 列車事故時縱向列車風分布云圖Fig.7 Longitudinal train wind contour in accident situation

根據圖7分析可知:(1)與單車正常運行工況相比，運行列車頭部和尾部縱向列車風的風速變大，梯度變小，沿縱向分布范圍變長，尾流橫向偏移變小;(2)事故列車造成運行列車環隙空間縱向列車風速度變大;(3)與單車正常運行工況相比，縱向列車風對人員的不利影響范圍變大，不利影響時間變長.

4 列車風作用下人員安全性研究

高速鐵路隧道列車風會對人員產生沖擊力，這種力沿縱向和橫向迅速變化，疏散通道中線上的人員距列車邊緣僅1 m左右，極易在列車風作用下傾倒.

4.1 不同車速下人體承受氣動力的計算

4.1.1 疏散通道列車風峰值研究

為了解列車運行過程中兩條疏散通道上不同位置的最大風速，在兩側疏散通道的不同位置設置測點，四行測點由下至上分別距內軌頂面0.5，1.0，1.5和2.0 m;并且沿隧道縱向每隔50 m布置一組橫斷面測點，統計出100 m2雙線隧道疏散通道上列車風的峰值，如表2所示.

表2 疏散通道上列車風峰值統計表Tab.2 Maximum train wind speeds on evacuation passageways

4.1.2 人體承受氣動力計算方法

人體姿勢多樣，與線路呈不同角度，若仔細對人體進行模擬，將使模型過大，影響計算精度，故并未將人體模型建出，可以根據疏散通道內列車風的速度來計算人體承受氣動力的大小.

人體承受氣動作用力大小按照下式計算.

式中:pw為列車風壓強;Ap為人體承壓面積，取值為1.02 m2;ρ為空氣密度，取值為1.225 kg/m3;vw為列車風風速.

4.1.3 人員承受氣動力峰值研究

根據計算方法，得出100 m2雙線隧道疏散通道上人體承受氣動力峰值，如表3所示.

表3 疏散通道上人體承受氣動力峰值統計表Tab.3 Maximum air forces on people on evacuation passageways

4.2 隧道內人員安全性分析

德國和法國通過水槽試驗、現場實測等方法，提出了100 N的氣動力控制標準［6］.我國尚無此類標準，筆者參照德國和法國的控制標準.

兩種列車運行狀態下:車速為120 km/h時，兩條疏散通道上人員的最大受力為92.23 N，人員安全性均可以得到保障;車速為200 km/h，250 km/h和300 km/h時，近列車疏散通道上人員的最小受力為256.69 N，人員安全性受到威脅，遠列車疏散通道上人員的最大受力為88.62 N，人員安全性可以得到保障;車速為350 km/h時，兩條疏散通道上人員的最小受力為157.55 N，人員安全性均受到威脅.

5 結論

(1)列車風在列車車頭和車尾經過時，風速增大，為危險時刻.在車身經過時，風速基本不變.縱向列車風風向始終沿列車前進方向，橫向列車風在列車車頭和車尾經過時，風向分別沿列車壁外法向和內法向.存在列車事故時，列車風的時程變化規律基本不變，縱向和橫向列車風峰值分別變大和變小.

(2)列車車頭和車尾環列車壁處橫向列車風風速最大，沿列車壁外法向逐漸減小.存在列車事故時，列車風的空間分布特點基本不變，縱向列車風的不利影響范圍和時間分別變大和變長.

(3)檢修工作者應在天窗期進入隧道工作，隧道一線檢修、一線行車的情況下，列車必須限速120 km/h通過隧道;運行列車經過檢修區域前，檢修工作者必須躲避在遠列車疏散通道上.

(4)高速鐵路雙線隧道存在列車停運事故時，事故線路嚴禁列車運行，相鄰線路列車必須限速120 km/h通過隧道.事故列車中乘客應躲在車內，等待救援列車將事故列車拖出隧道.

［1］楊偉超，彭立敏，施成華，等.地鐵活塞風作用下屏蔽門的氣動特性分析［J］.鄭州大學學報:工學版，2009，30(2):121-123.

［2］肖京平，黃志祥，陳立.高速列車空氣動力學研究技術綜述［J］.力學與實踐，2013，35(2):3-10.

［3］武青海，周虹偉，朱勇更.高速列車湍流流場數值仿真計算探討［J］.鐵道學報，2002，24(3):99-103.

［4］楊偉超，彭立敏，施成華.隧道豎井對車體壓力的作用機理及影響因素分析［J］.中國鐵道科學，2009，30(3):68-72.

［5］駱建軍，高波，王英學，等.高速列車穿越帶有豎井的隧道三維數值模擬［J］.西南交通大學學報，2004，39(4):442-446.

［6］徐鶴壽，何德昭，王厚雄.準高速列車側向人員安全距離的研究［J］.中國鐵道科學，1996，17(1):21-31.