市域快線隧道斷面研究及優(yōu)化設(shè)計

胡麗君

（廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510010）

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市域快線隧道斷面研究及優(yōu)化設(shè)計

胡麗君

（廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510010）

摘 要：本文對比國內(nèi)外高速列車隧道斷面面積，基于一維流動理論，建立含車站及風(fēng)井的隧道模型，針對不同的列車運行速度以及隧道斷面面積，對最低密封性車輛車內(nèi)的壓力變化進行模擬分析，給出不同車速的最佳隧道斷面建議值，并對列車在隧道內(nèi)高速行駛的壓力緩解措施給出建議。

關(guān)鍵詞：市域快線；壓力舒適度；隧道斷面；模擬計算

0.引言

隨著都市區(qū)域范圍的逐漸擴大，城市軌道交通線路建設(shè)也隨之由中心城區(qū)線路向市域線轉(zhuǎn)變，客流吸引能力也隨之加強，為提高網(wǎng)絡(luò)整體運能、提高乘客輸送效率，近年來列車的速度在逐漸提高。列車在隧道內(nèi)高速行駛，所引起的隧道空氣動力效應(yīng)對列車運行安全性、經(jīng)濟性和司乘人員的舒適性都帶來嚴(yán)重的影響。列車在隧道內(nèi)高速行駛引起的空氣動力學(xué)效應(yīng)包括：瞬變壓力、微壓波、空氣動力荷載、列車風(fēng)以及列車空氣阻力。本文重點關(guān)注了隧道壓力波和乘客壓力舒適度的影響。

影響隧道空氣動力學(xué)效應(yīng)的因素主要包括：（1）列車車速。（2）列車斷面面積與隧道斷面面積的比（即阻塞比）。（3）隧道形式，如岔路、泄壓通道、通風(fēng)井等。（4）隧道表面粗糙度，如地面、隧道壁面的柵板支架、軌道安裝形式。（5）隧道長度。其中隧道斷面面積越大（即較小的阻塞比）、列車速度越低，壓縮壓力波大小及其變化率就越小。因此隧道斷面的大小是解決高速列車在隧道內(nèi)行駛所引起的空氣動力學(xué)效應(yīng)重要因素。

1. 國內(nèi)外高速列車隧道斷面概況

1.1 國外隧道斷面面積概況（表1）

1.2 國內(nèi)隧道斷面面積概況（表2）

表1

表2

2. 研究方法

2.1 模型簡化

列車高速通過隧道引起的空氣流動是三維可壓縮非定常紊流流動。一般而言，隧道長度遠大于隧道斷面水力直徑，列車長度也遠大于列車與隧道所形成環(huán)狀空間橫截面的當(dāng)量水力直徑，三維流動可合理簡化為一維流動。參考日本新干線、德國ICE和法國TGV等多國的實驗以及不同國家進行的數(shù)值模擬分析均表明，對隧道系統(tǒng)設(shè)計而言，采用一維方法是適宜的，并不會損失準(zhǔn)確度。因此國際上的高速列車隧道壓力波普遍均以一維分析方法作基礎(chǔ)。

2.2 研究所采用的分析軟件

市域快線壓力舒適度是快速列車服務(wù)的重要元素，壓力舒適度將在運營的第一天就受到乘客的檢驗，并持續(xù)反映在整個運營過程中。因此，必須使用經(jīng)過驗證的分析方法，此次研究中使用隧道壓力波分析軟件ThermoTun進行分析。

3. 隧道斷面模擬計算分析

3.1 基本假設(shè)及計算參數(shù)

為了分析高速列車隧道壓力波的規(guī)律，本文計算的基本假設(shè)及設(shè)定如下：（1）隧道全長63.5km，列車最高速度達到250km/h。（2）全線列車只停靠4個車站。（3）列車斷面面積約為12.1m2，密封性指數(shù)τ=6s，列車長約202m，8節(jié)編組。（4）采用800Pa/3s的壓力舒適度標(biāo)準(zhǔn)。（5）模型中的所有活塞風(fēng)井（40m2）都假設(shè)打開，機械風(fēng)井都假設(shè)關(guān)閉。（6）模擬除了考慮因隧道阻塞比和車速所產(chǎn)生的壓力波改變外，同時亦考慮了隧道斷面面積突變、活塞風(fēng)井等其他因素導(dǎo)致壓力波在隧道內(nèi)的反射及衰減現(xiàn)象。

表3行車速度200km/h-最大壓力變化值（3s內(nèi)）

3.2 模擬分析結(jié)果

從表3和表4模擬結(jié)果中可見，在氣密度τ=6s下，隨著斷面面積的增加，車內(nèi)3s最大壓力變化值逐漸減少，從而使車內(nèi)人員的壓力舒適度得到提高。

4. 壓力波緩解措施及斷面優(yōu)化設(shè)計

4.1 相關(guān)設(shè)計規(guī)范中對隧道斷面的規(guī)定

（1）《城際鐵路設(shè)計規(guī)范》（TB10623-2014）規(guī)定：列車密封指數(shù)不小于6s，單線隧道，設(shè)計速度200km/h，隧道斷面面積48m2。

（2）《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》（TB10621-2014）規(guī)定：設(shè)計行車速度目標(biāo)為250km/h時，單線隧道不應(yīng)小于58m2。

4.2 隧道斷面優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)上節(jié)模擬結(jié)果可知，在列車密封指數(shù)等于6s時，行車速度為200km/h，隧道斷面面積40m2，行車速度為250km/h，隧道斷面面積52m2，就能滿足車內(nèi)乘客人員800Pa/3s的壓力舒適度標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 壓力波緩解措施

當(dāng)壓力波通過隧道中風(fēng)井位置或具有泄壓特點的位置后，如隧道岔線或泄壓風(fēng)閥，壓力波的大小及變化率將會降低。通常，較大的通風(fēng)井或隧道連接斷面與小斷面相比更可以減弱壓力波的傳遞。這種泄壓的方式已經(jīng)在國際上得到了大量的使用，如日本、臺灣、荷蘭、香港。然而，采用太大的風(fēng)井實際上將把隧道分為兩個單獨的區(qū)間，這將在列車進入時引起另一個壓力波的產(chǎn)生。因此，在設(shè)計風(fēng)井尺寸時應(yīng)特別注意。

加大隧道斷面面積亦是一可行但昂貴的方法。在一些情況下，將列車在特殊位置時對車速作出局部調(diào)整也能有效減低壓力舒適度的問題。

圖1顯示了各種普遍減低壓力波的方法。

參考文獻

［1］劉堂紅，田紅旗，金學(xué)松.隧道空氣動力學(xué)實車試驗研究［J］.空氣動力學(xué)學(xué)報，2008（3）：42.

［2］梅元貴，周朝暉，許建林.高速鐵路隧道空氣動力學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，2009.

［3］劉伊江.高速地鐵隧道壓力波研究及隧道斷面的擬定［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2010（增刊），119-124.

中圖分類號：U452

文獻標(biāo)識碼：A