复杂艰险山区高速铁路隧道群空气动力学效应及缓解措施

陶伟明 吴 剑 史宪明

(1.中铁二院工程集团有限责任公司, 成都 610031；2.中铁西南科学研究院有限公司, 成都 611731)

高速铁路隧道空气动力学效应关键技术问题主要包括隧道内压力波的形成及传播、列车气动阻力的变化和隧道洞口的微气压波，其直接影响列车运行安全性、工程经济性、乘员舒适性以及隧道周边环境等。

上世纪60年代日本新干线投入运营后，以日、法、德、英为代表的发达国家围绕高速铁路隧道空气动力效应进行了大量研究。日本由于列车速度较低、隧道净空断面较小且大多采用无砟轨道，在改善列车流线型和密封性能后，研究重点侧重于微气压波的形成机理、传播规律、计算方法以及削减措施[1-4]。西欧国家由于列车速度较高、隧道净空断面较大且大多采用有砟轨道，对洞口微气压波的研究较少，但在隧道压力波、乘车舒适度以及列车空气阻力方面的研究较多[5-8]。自上世纪90年代起，我国采用模型试验、现场测试、理论分析和数值模拟等手段，比较全面地开展了高速铁路隧道空气动力学效应方面的研究工作[9-16]，形成了一套高速铁路技术标准体系。

尽管国内外在前期对高速铁路隧道空气动力学效应进行了大量的研究，但绝大多数是以列车通过单个隧道为前提开展的。结合我国铁路最新的发展形势，仍有诸多问题需要解决，复杂艰险山区高速铁路隧道群空气动力学效应就是其中之一，且截止目前，其相应的研究还鲜为少见[17-18]。

基于此，本文从压力波动、空气阻力和微气压波这几个方面入手，明确了隧道群空气动力学效应与单个隧道的差异，阐述了隧道群空气动力学效应的变化规律，提出了相应的缓解措施以及隧道群连接明洞的设置原则，以期为高速铁路隧道设计工作提供参考。

1 隧道群与单个隧道空气动力学效应的差异

1.1 压力波动

车长为200 m的列车以350 km/h的速度，通过由3个长度分别为370 m、630 m和 1 000 m的隧道(明线间距均为50 m)组成的隧道群时，其车头气压曲线如图1所示。

图1 列车通过隧道群时的车头压力波动曲线图

由图1可以看出，较之等长(含明线间距)单个隧道，列车通过隧道群过程中，由于较为“频繁”地进出隧道，使得隧道群内列车车体承受的压力波动次数明显增多，即列车在隧道群中运行时，车体表面保持压力恒定的时间明显短于单个等长隧道。组成隧道群的隧道长度越短，明线间距越小，这种现象就越明显，对车体强度和车内乘客舒适度的保持就愈加不利。

1.2 空气阻力

为考察隧道群与单个隧道在空气阻力方面的差异，分别对列车通过等长单一隧道和隧道群的空气阻力进行计算，计算工况如表1所示。其中，隧道群由3个长度分别为1 km、3 km和5 km的隧道组成，明线间距均为50 m。

表1 空气阻力计算工况表

列车分别通过隧道群及等长单个隧道时的空气阻力计算结果如表2所示，列车通过隧道群时的空气阻力曲线如图2所示。

表2 空气阻力计算结果表

图2 列车通过隧道群时的空气阻力曲线图

由表2和图2可知，列车通过隧道群时的平均空气阻力和最大空气阻力均较通过等长单个隧道时有所减小，其中平均空气阻力减小了1.6%，最大空气阻力减小了0.3%。其原因在于列车在隧道群中运行时，部分时间处于明线之上，且前一个隧道的活塞风对后一个隧道有所影响。

1.3 洞口微气压波

(1)单个列车运行时洞口微气压波的差异

车速350 km/h、车长200 m的列车分别通过明线间距为30 m、50 m、75 m、100 m的隧道群时，第一个隧道出口20 m、50 m处的微气压波峰值和单个隧道(隧道长与隧道群中的第一个隧道长度相等)同一位置处的微气压波峰值计算结果如表3所示，相对量曲线如图3所示。隧道断面面积为70 m2，隧道群中每个隧道的长度均为 1 000 m。

表3 微气压波计算结果表

图3 微气压波峰值相对量图

由表3和图3可知，受相邻隧道洞门墙的影响，隧道群明线间距上测点的微气压波峰值较单个隧道同一位置处有所增大，且明线间距越小，增大越显著。隧道群明线间距大于100 m时，隧道群洞口微气压波峰值与单个隧道基本相同。

(2) 两列列车相向运行时洞口微气压波的差异

两列列车分别从隧道群两侧相向运行时，两隧洞口的微气压波可能会同时出现在明线范围内，当微气压波频率十分接近时，两隧洞口的微气压波会在明线某处产生叠加，使得微气压波峰值大幅增加，如图4所示。

图4 隧道群微气压波叠加示意图

2 隧道群空气动力学效应变化规律

隧道群是由具有一定明线间距的单个隧道组成的，单个隧道的空气动力学效应变化规律同样适用于隧道群，但隧道群和单个隧道在空气动力学效应上的差异，使得道群空气动力学效应的影响因素及变化规律具有独特之处。

2.1 隧道群压力波动

(1)隧道内及车体表面压力波动

模型试验和数值模拟结果均表明，高速列车通过隧道群时，隧道间距对隧道内及车体表面压力波动的影响不大，可以忽略。

(2) 密封列车车内压力波动

计算车长为200 m的列车，以350 km/h的速度通过由3个隧道组成的隧道群时，车头和车尾内的瞬变压力，以考察不同明线间距下密封列车车内瞬变压力的变化规律。3个隧道的断面面积均为100 m2，长度均为0.5 km。列车动态密封指数为2～20 s(2 s为1个计算间隔)。隧道群中各隧道之间明线间距相同，分别为30 m、50 m、100 m、150 m和200 m。列车通过隧道群时车内瞬变压力的计算结果如表4所示，列车通过明线间距为30 m的隧道群时，车头和车尾内的气压变化曲线分别如图5、图6所示。

表4 列车通过隧道群时车内瞬变压力计算结果表

图5 车头内压力变化曲线图

图6 车尾内压力变化曲线图

由计算结果可知，密封列车车头瞬变压力与明线间距无关，车尾瞬变压力总体上随着明线间距的增大而减小。

2.2 隧道群空气阻力

通过计算列车通过3个长度相同，明线间距不同的隧道群时对应的空气阻力，来考察明线间距对隧道群空气阻力的影响，计算工况如表5所示。

表5 计算工况表

列车通过单个隧道以及明线间距分别为50 m、100 m和150 m隧道群时的平均空气阻力和最大空气阻力如表6所示。

表6 列车通过单个隧道及不同明线间距隧道群时的空气阻力表

工况平均空气阻力/kN平均空气阻力增加值/%最大空气阻力/kN最大空气阻力增加值/%单个隧道(长2 km)84.52-112.82-隧道群(每个隧道长2 km,间距50 m)84.780.15115.512.38隧道群(每个隧道长2 km,间距100 m)84.890.28114.721.68隧道群(每个隧道长2 km,间距150 m)85.110.54113.670.75

由表6可以看出，较之单个隧道，隧道群明线间距为50 m时，列车平均空气阻力和最大空气阻力分别增大0.15%和2.38%；明线间距为100 m时，列车平均空气阻力和最大空气阻力分别增大0.28%和1.68%；明线间距为150 m时，列车平均空气阻力和最大空气阻力分别增大0.54%和0.75%。这说明隧道群的列车平均空气阻力和最大空气阻力较单个隧道均有一定程度的增加。随着明线间距的增大，列车在明线上运行时间的占比提高，最大空气阻力增加的趋势有所减小；但前一个隧道活塞风对后一个隧道影响的减弱，使得平均空气阻力的增加趋势有所提升。

2.3 隧道群洞口微气压波

(1)单列列车通过隧道群

隧道群明线间距小于100 m时，隧道群洞口微气压波峰值有所增大，但其随着明线间距的增加而减小；明线间距大于100 m时，隧道群洞口微气压波峰值基本与列车通过单个隧道时相同。这一变化规律无论对有砟轨道隧道群还是无砟轨道隧道群均适用。

(2)两列列车相向运行通过隧道群

两列列车在隧道群中相向运行且在同一个隧道内交会时，隧道洞口微气压波变化规律与单列列车通过隧道群时洞口微气压波的变化规律相同。

两列列车相向运行但未在同一个隧道内交会时，两隧道洞口微气压波在明线上可能存在叠加现象(微气压波频率十分接近时)。车速为350 km/h的两列列车相向运行，通过明线间距为50 m的有砟轨道和无砟轨道隧道群(断面面积为100 m2)时，距前一隧道出口20 m处明线叠加点的微气压波峰值曲线如图7所示。从图中可以看出，微气压波的叠加效应随明线间距的增大而减弱，当明线间距大于100 m时，基本上可以不考虑微气压波的叠加效应。

3 减缓隧道群空气动力学效应的技术措施

减缓隧道群空气动力效应的措施很多，主要可以从列车和隧道(土建)两方面入手。列车方面主要通过降低列车速度、减小列车通过密度、提高列车密封性能、减小车体横断面积、改善车头形状和增加车体外围部件平滑性等措施来实现。隧道方面可通过增大隧道有效净空面积、洞口设置缓冲结构、洞身设置辅助坑道(如括竖井、斜井、横通道、平行导坑等)等土建措施来达到目的。对于明线间距较小的隧道群，还可通过连接明洞来减缓隧道空气动力效应。

3.1 列车方面减缓隧道空气动力学效应的技术措施

列车方面减缓隧道空气动力学效应的技术措施及其优缺点如表7所示。

3.2 隧道方面减缓隧道空气动力学效应的技术措施

隧道方面减缓隧道空气动力学效应的技术措施及其优缺点如表8所示。

图7 明线间距50 m隧道群距隧道出口20 m处的微气压波峰值图

表7 列车方面减缓空气动力学效应的技术措施及其优缺点表

表8 隧道方面减缓空气动力学的技术措施及其优缺点表

4 隧道群连接明洞设置原则

4.1 不开口连接明洞

(1)车内外压力波动方面

采用连接明洞可有效地减小车外压力波动次数，但应注意明洞连接后的隧道长度，避免与对应时速的瞬变压力最不利隧道长度接近，以免对乘客舒适度产生不利影响。

(2)列车空气阻力方面

隧道群连接明洞后，列车空气阻力较未连接时有所增加。根据单个隧道列车空气阻力研究成果，单线隧道群中隧道长度大于7 km或双线隧道群中隧道长度大于3 km时，即使采用明洞连接形成了一个更长的隧道，列车受到的空气阻力也无明显增加。

(3)隧道洞口微气压波方面

基于有砟轨道隧道洞口微气压波随隧道长度增大而减小的特点，有砟轨道隧道群连接明洞可更加有效地减缓微气压波；无砟轨道隧道存在“微气压波激化效应”，隧道群连接明洞应尽量避免连接后的隧道长度接近产生“微气压波激化效应”所对应的隧道长度。

4.2 开口连接明洞

在连接明洞结构上开口，列车进入隧道产生的压缩波到达连接明洞位置时，部分压力波将从开口处释放，可消减压缩波波前梯度，从而降低隧道出口的微气压波峰值，开口连接明洞对隧道洞口微气压波减缓作用如图8所示。

图8 开口连接明洞对隧道洞口微气压波减缓作用示意图

假定列车以350 km/h的速度通过2个长度均为500 m、断面面积均为100 m2、明线间距为100 m的隧道，按照隧道之间是否设置连接明洞及连接明洞的开口方式分为4种工况，各工况设计参数及对应的明洞结构布设如表9所示。

表9 各工况设计参数及对应的明洞结构布设

分别计算4种工况下隧道出口处的波前气压梯度，以考察连接明洞开口参数对洞口微气压波的减缓作用。4种工况下，后一个隧道出口处的波前气压梯度计算结果及曲线分别如表10和图9所示。

表10 气压梯度计算结果表

注：“+”表示增加，“-”表示减小

图9 气压梯度曲线图

从表10和图9可以看出，隧道之间采用带有开口的明洞连接时，出口处测点的气压梯度最大值均较无明洞和采用不开口明洞连接时有所减小。工况4的开口形式对降低波前压力梯度效果明显，微气压可降低16.3%，这说明采用带有开口的明洞可减缓洞口微气压波，但开口尺寸并不是越大越好，应尽量遵循“多开口、开小口”的原则，多阶段地对气压梯度进行减缓，从而达到降低洞口微气压波的目的。

5 结束语

经过多年的努力，我国高速铁路再隧道空气动力学效应研究方面取得了一系列世界领先的创新科研成果，丰富和发展了中国隧道的设计理论和方法，对相关学科的发展起到了积极的促进作用。结合多年生产和科研经验，针对中国高速铁路隧道群空气动力学效应研究中存在的问题，提出如下建议：

(1)实测表明，高速列车通过隧道群时，由于车外压力频繁波动，导致车内气压3 s变化值，虽小于舒适度标准的要求，但仍会使乘客感到不适，这一点对于长大铁路隧道群尤为突出。因此，建议提出适合中国国情的隧道群复合型耳膜舒适度标准，如分别对1 s、3 s、10 s、60 s车内气压变化提出相应控制标准。

(2)目前我国隧道洞口微气压波的执行标准是参照日本新干线标准制定的，日本新干线多数经过城市，线路周边居民密度较大，因此，建议我国隧道设计时，根据线路周边居民居住和野生动物活动范围的实际情况，在达到环评要求的前提下，适当放松微气压波标准。

(3)建议在确定高速铁路隧道群缓冲结构、横通道、竖井、联络通道以及中隔墙等结构的设计参数过程中，重视数值模拟发挥的作用。