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高速铁路隧道

高速铁路的隧道设计是由限界、构造尺寸、使用空间和缓解及消减高速列车进入隧道诱发的空气动力学效应两方面的要求确定的。研究表明,以上两方面要求中,后者起控制作用。
第一节高速列车进入隧道诱发的空气动力学效应综述
当列车进入隧道时,原来占据着空间的空气被排开。空气的粘性以及气流对隧道壁面和列车表面的摩阻作用使得被排开的空气不能象在隧道外那样及时,顺畅地沿列车两侧和上部流动,列车前方的空气受压缩,随之产生特定的压力变化过程,引起相应的空气动力学效应并随着行车速度的提高而加剧。
(一)空气动力学效应对高速铁路运营的影响
1、由于瞬变压力造成乘员舒适度降低,并对车辆产生危害;
2、微压波引起爆破噪声并危及洞口建筑物;
3、行车阻力加大;
4、空气动力学噪声;
5、列车风加剧。
(二)高速铁路隧道空气动力学效应的影响因素
高速铁路进入隧道产生的空气动力学效应是由多种因素所确定的。
1、机车车辆方面:
行车速度,车头和车尾形状,列车横断面,列车长度,列车外表面形状和粗糙度,车辆的密封性等。
2、隧道方面:
隧道净空断面面积,双线单洞还是单线双洞,隧道壁面的粗糙度,洞口及辅助结构物形式,竖井、斜井和横洞,道床类型等。
3、其它方面:
列车在隧道中的交会等。
第二节列车进入隧道引起的瞬变压力
列车进入隧道引起的压力变化是两部分的叠加:
①列车移动时从挤压、排开空气到留下真空整个过程引起的压力变化;
②列车车头进入隧道产生的压缩波以及车尾进入隧道产生的膨胀波在隧道两洞口之间来回反射产生的压力变化(Mach波)。
当双线隧道中同时有不同方向列车相向行驶时,叠加所产生的情况则更为复杂。
列车在隧道中运行时(无相向行驶列车)车上测得的最大压力波动发生在第一个反射波到达列车时。
(一)隧道长度的影响
Mach波以声速传播,对于长隧道,来回反射的周期相应较长。同时,在反射的过程中能量有所衰减。
而对于短隧道,Mach波反射的周期大为缩短。同时,在反射过程中能量损失也较少,致使压力波动程度加剧。试验表明,压力波动绝对值,并不随隧道长度的减小而减小。
因此,对高速铁路中的隧道,有的虽然不长(例如长度在1km左右),其可能引起的行车时的压力波动仍然不能忽视。但是,当隧道长度短到使列车首尾不能同时在其中时。则Math波的叠加不可能发生,压力波动程度当然随之缓解。
当隧道长度为1km时,压力波动明显加剧,而当隧道长度进一步增大到3km时,压力波动则并无显著加剧,反而有缓解趋向。
列车交会的双线隧道,最不利情况发生在列车交会在隧道中点时。
(二)列车速度的影响
ORE的研究报告提出压力波动同列车速度平方成正比。
(三)隧道净空断面面积的影响
对于压力波动,诸因素中隧道横截面积的影响是最大的。ORE曾经系统地研究了各种因素对压力波动的影响。结果也表明,隧道净空断面面积,或者说,隧道阻塞比是最主要的因素。根据计算分析,提出压力波动与隧道阻塞比之间有下列关系。
单一列车在隧道中运行时,N =。考虑列车交会时,N =。
式中:—3秒钟内压力变化的最大值;
—行车速度;
—阻塞比;。
(四)竖井的影响
竖井(斜井、横洞)的存在会缓解压力波动的程度。竖井位置对减压效果的影响很大,并不是处于任何位置的竖井都能有较好的效果。竖井断面积5~lOm2即可,加大竖井的横断面积,并不能收到好的效果。
根据Mach波叠加情况可以理论地得到竖井的最佳位置:
式中—竖井距隧道进口距离; —隧道长度;—Mach数。
(五)列车交会的影响
双线隧道列车在隧道中交会引起压力波动的叠加,情况十分复杂。ORE研究报告说,列车交会时,。
实际上,列车交会时所产生的压力波动同列车长度、隧道长度、会车位置、车速等多种因素有关。
(六)列车密封条件对车内压力波动的影响
在车辆密封的情况下,假定车外压力为常数,车内压力随时间的变化可以表为:
式中称为“密封指数”用于衡量车辆的密封程度。
“不密封车”=~ 一般取=
“新一代密封车”=~
考虑为时间的函数,则有:
内外压差:
计算结果表明,车辆的密封对车内压力波动的影响可以归结为“缓解”和“滞后”两种效应。
值得指出的是,在考虑到列车交会的情况下,就车外压力而言,洞口会车有时会成为最不利情况,然而在列车密封的条件下,洞口会车并非最不利情况。由于“滞后”效应,车内压力来不及“响应”列车就出洞了。
(七)压力波动程度阈值的确定
高速铁路隧道设计应通过正确地选择隧道设计参数,将压力波动控制到“允许”范围内。
评定压力波动程度一般采用的参