斜井處防護門開啟及封閉對列車風的影響

高龍，柳雨昕，李山朵

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081）

隨著列車速度的不斷提高，空氣阻力會急劇增大，能耗急劇增加，列車在通過隧道斜井時，車體與空氣之間的相互作用加劇，由空氣動力效應引起的行車安全問題亟待解決。因此，高速列車-空氣相互作用問題是關系高速鐵路安全運行的重要工程技術問題，也是我國高速鐵路發展必須解決的關鍵技術問題之一。列車空氣動力學是研究列車行駛時空氣對列車作用力的規律，屬于流體力學與經典空氣動力學的范疇，是空氣動力學在軌道交通領域的應用和進一步發展[1]。列車空氣動力學問題涉及軌道交通安全、乘坐舒適度、經濟與環保等諸多方面[2-10]，相關內容見表1。高速鐵路隧道氣動效應的影響因素主要有：（1）列車方面：運行速度、橫截面積、車頭和車尾形狀、編組長度及車輛的氣密性等；（2）隧道方面：隧道有效凈空面積、隧道斷面形狀、隧道長度、復線間距、隧道坡度、線路曲線半徑、隧道壁面粗糙度及輔助結構物形式（隧道口緩沖結構、通風通道、隔墻、道床類型）等；（3）其他方面：列車在復線隧道中交會及相對運行列車各自進入隧道口的時間差等，多種因素交織在一起，使得隧道氣動效應研究遠比明線空氣動力問題復雜。

表1 列車空氣動力學問題及相關影響

西成客專西安北—江油段正線長度約509 km，其中阜川隧道位于新集—寧強南區間，隧道起止里程K265+933—K274+948，全長9.015 km，隧道斷面面積92 m2，鋪設CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道。阜川隧道1#斜井與正洞交界處里程為K268+998，斜井長度995 m，斜井外口已封閉（見圖1）。西成客專開通運營時間為2017年12月6日。阜川隧道1#斜井內口防護門未安設封閉時，動車組通過K269時有晃車現象；阜川隧道1#斜井內口防護門安設封閉后，通過此處無晃車現象（見表2）。

試驗主要采用測試動車組和相關檢測設備在規定測試速度下，對西成客專阜川隧道氣動效應等指標進行檢測，測試西成客專阜川隧道內K269+998位置附近氣動壓力及風速變化，分析列車在K269+998位置處晃車原因，為動車組晃車原因分析提供技術支持。

圖1 阜川隧道平縱斷面

表2 阜川隧道斜井相關參數

1 試驗方案

試驗分別測試防護門關閉和開啟2種情況。防護門關閉狀態下，測試運營動車組運行時的氣動效應以及防護門氣動壓力等指標；防護門開啟狀態下，進行了靜置、單列通過、對向行駛3種工況測試：（1）在斜井防護門開啟且無動車組運行狀態下，測試靜置工況下斜井洞口的風速；（2）在斜井防護門開啟狀態下，采用CRH3A重聯動車組通過阜川隧道測試通過K268+998斜井時的隧道內氣動效應指標；（3）在斜井防護門開啟狀態下，采用CRH3A重聯動車組和CRH380B動車組在隧道內對向行駛，測試CRH380B到達隧道內K274+600、K273、K271+200、K269+493位置時，CRH3A重聯動車組通過K268+998斜井處的隧道內氣動效應指標，共計交會4個往返。

1.1 測點布置

選取K269+000處斜井通道與正線交會處斷面以及距離斜井通道10 m處斷面進行測量。在隧道內斜井通道處布置氣壓傳感器及風速儀（見圖2、圖3），測試分析斜井通道對列車通過時列車風的影響。

1.2 試驗內容

（1）氣動壓力。測試列車高速通過隧道及在隧道內交會工況下，橫通道門開啟及封閉對隧道內不同位置處氣動壓力的影響。

（2）列車風。測試列車高速通過隧道及在隧道內交會工況下，橫通道門開啟及封閉對橫通道位置處橫風的影響，分析橫通道開啟對列車通過時晃車的影響。

圖2 隧道氣壓測點橫斷面布置示意圖

圖3 風速測點和風壓測點布置圖

2 斜井防護門開啟及封閉對氣動壓力的影響

2.1 試驗工況

試驗共分為列車通過及交會2種工況，分析斜井防護門的開啟及封閉對隧道內不同斷面處氣動力分布的影響。

2.2 列車單列通過

斜井防護門開啟CRH3A高速通過時，瞬變壓力典型時程曲線見圖4。

圖4 CRH3A動車組高速通過時隧道內瞬變壓力典型時程曲線

CRH3A動車組高速通過時隧道內不同斷面處瞬變壓力測試結果見表3。

表3 CRH3A高速通過時距離斜井不同位置的瞬變壓力測試結果

測試結果表明：防護門開啟狀態下，與斜井距離越小，氣動壓力受斜井影響越小，當距離超過50 m后，隧道壁面氣動壓力逐漸穩定；CRH3A以最高速度250 km/h在隧道通過時，斜井附近氣動壓力峰峰值最大，達到1.06 kPa，3 s極值為1.06 kPa。

2.3 列車交會

斜井防護門開啟工況下，CRH3A和CRH380B動車組分別以速度200、250 km/h在隧道內交會時，距離防護門不同位置處隧道壁面瞬變壓力測試結果見表4。

表4 動車組在隧道內交會時距離斜井不同位置的瞬變壓力測試結果

斜井防護門關閉工況下，CRH3A與CRH380B動車組在隧道內交會時氣動壓力測試數據見表5。

表5 CRH3A和CRH380B在隧道內交會時氣動壓力測試結果

通過表4和表5的數據對比，可知防護門的開啟及封閉改變了波在隧道內的傳播及疊加，防護門關閉工況下隧道壁面氣動壓力較防護門開啟工況下小。

3 斜井防護門開啟及封閉對列車風的影響

分別測試列車靜置、單列通過及交會工況下斜井處及距離斜井50 m處風速值，分析斜井防護門開啟及封閉對隧道內風速的影響。

3.1 靜置工況

測試結果表明，無列車通過工況下K268+998斜井洞口處自然風風速值為1.6 m/s左右，表明該隧道自然風影響很小。

3.2 斜井防護門開啟

（1）單列動車組通過 CRH3A動車組高速通過時，K268+998處列車風典型時程曲線情形見圖5。

圖5 CRH3A高速通過時隧道內列車風典型時程曲線

CRH3A動車組在隧道內通過時，不同車速下列車風測試結果見表6。

表6 CRH3A高速通過時K268+998處風速測試數據

測試結果表明，在防護門開啟狀態下，當CRH3A動車組分別以200、250 km/h的速度通過阜川隧道時，斜井處列車風風速最大值分別為23.51、42.48 m/s，距離斜井50 m處列車風最大值分別為15.08、20.02 m/s，橫通道處列車風較距橫通道50 m處分別增大了55.90 %、112.20%。

（2）兩車在隧道內交會CRH3A和CRH380B動車組在隧道內交會時，隧道內不同位置處列車風測試結果見表7。

表7 CRH3A和CRH380B在隧道內交會時列車風測試結果

測試結果表明，防護門開啟狀態下，CRH3A與CRH380B在隧道內交會時，橫通道處列車風較距橫通道50 m處增大了約1.5倍。

3.3 斜井防護門關閉

斜井防護門關閉工況下，CRH3A與CRH380B動車組在隧道內交會時列車風測試數據見表8。

測試結果表明：當CRH3A與CRH380B動車組分別以200、250 km/h的速度在隧道內的K271+000處交會時，斜井處風速最大值分別為15.47、20.49 m/s，距離斜井50 m處列車風最大值分別為12.98、14.68 m/s，橫通道處列車風較距橫通道50 m處分別增大了19.10 %和39.60 %。

對比斜井防護門開啟及關閉工況下測試數據可知，防護門開啟時斜井處列車風風速增大較大，是引起列車晃車的重要原因；關閉防護門后，斜井處防護門列車風風速較距離防護門50 m處列車風風速增大比例顯著減小。

表8 CRH3A和CRH380B在隧道內交會時列車風測試結果

4 結論

通過對阜川隧道內氣動效應測試數據分析可得出如下結論：防護門的開/閉狀態改變了波在隧道內的傳播及疊加，防護門關閉工況下隧道壁面氣動壓力較防護門開啟工況下小。

在防護門開啟狀態下，當CRH3A動車組分別以200、250 km/h的速度通過阜川隧道時，斜井處列車風風速最大值分別為23.51、42.48 m/s，距離斜井50 m處列車風最大值分別為15.08、20.02 m/s，橫通道處列車風較距橫通道50 m處分別增大了55.90%和112.20%；CRH3A與CRH380B在隧道內交會時，橫通道處列車風較距橫通道50 m處增大約1.5倍。

在防護門關閉狀態下，當CRH3A與CRH380B動車組分別以200、250 km/h的速度在隧道內K271+000處交會時，斜井處風速最大值分別為15.47和20.49 m/s，距離斜井50 m處列車風最大值分別為12.98、14.68 m/s，橫通道處列車風較距橫通道50 m處分別增大了19.10%和39.60%。

試驗結果表明，列車高速通過及在阜川隧道內交會時，橫通道開啟引起橫通道處列車風的增大，這是造成動車組晃車的主要原因，關閉橫通道防護門可有效減小晃車。