高速动车组通过合武铁路湖北段隧道空气动力性能测试

周亚宇

(铁道部 工程管理中心，北京 100844)

高速列车进入隧道后的空气动力学效应主要表现在三个方面，即瞬变压力、洞口微气压波和行车阻力，其中瞬变压力主要表现在使人的听觉感到不适。洞口微气压波是高速列车进入隧道时的压缩波在另一端释放时发出爆炸声，影响周围环境。在行车速度、列车断面积和列车密封系数一定的情况下，主要影响因素为隧道净空面积。列车进出隧道时空气动力学效应影响较为明显，两座隧道洞口间距较近时，列车进出隧道时间间隔很短，短时间内的空气压力变化对乘客舒适度影响较大，同时对列车结构安全也不利。因此在合武铁路湖北段工程开通运营前，有必要对列车通过合武铁路湖北段隧道时的空气动力性能进行测试。

1 测试方案和评判标准

1.1 测试目的

①测试双线隧道内瞬变压力变化规律，为论证隧道断面参数合理性提供依据。②测试双线隧道洞口微气压波，分析其对周边环境的影响，并为研究长隧道中无砟轨道对微气压波的激化问题积累试验数据。③测试长隧道中辅助坑道对瞬变压力、微气压波的影响，为辅助坑道的设计参数确定及合理利用提供依据。

1.2 测试方案

1.2.1 测试地点

试验列车为时速250 km的动车组，在合武铁路湖北段(滠口—墩义堂区间)中选择大别山、碧绿河2座隧道进行现场试验。大别山隧道长13 256 m，断面面积92 m2，无砟轨道，隧道进出口均未设置缓冲结构，隧道中设置1号、2号斜井(其位置示意见图1)。

图1 大别山隧道辅助坑道位置示意(单位:m)

碧绿河隧道长212 m，断面面积92 m2，有砟轨道，隧道进出口均未设置缓冲结构。大别山隧道出口距离碧绿河隧道进口248 m。

1.2.2 测试内容及方法

1)瞬变压力

采用气压传感器测试隧道内瞬变压力，隧道内测试断面纵向布置示意见图2和图3。

大别山隧道内布置10个测试断面，分别位于隧道出口内 347 m，377 m，407 m，647 m，677 m，707 m，4 207 m，4 237 m，4 267 m处和斜井内。测试断面边墙和拱腰位置布置测点。

碧绿河隧道内布置3个测试断面，分别位于隧道出口内76 m，106 m和136 m处，测试断面边墙和拱腰位置布置测点。

2)微气压波

采用微气压波传感器测试隧道洞口微气压波。隧道洞口微气压波测点布置示意见图4。大别山隧道出口外布置3个微气压波测试断面，分别位于隧道出口外10 m、20 m和50 m处。碧绿河隧道进口外布置3个微气压波测试断面，分别位于隧道进口外10 m，20 m和50 m处。

图2 大别山隧道内测试断面纵向布置示意(单位:m)

图3 碧绿河隧道内测试断面纵向布置示意(单位:m)

图4 隧道洞口微气压波测点布置示意(单位:m)

3)数据采集

采用多通道高速动态数据采集系统进行数据的自动采集和存贮，并实现隧道内各测试断面数据的长距离同步实时采集和传输。

1.3 评判参考标准

1)瞬变压力。单列列车通过隧道瞬变压力ΔP＜0.80 kPa/3 s;列车在隧道内交会情况瞬变压力 ΔP＜1.25 kPa/3 s。

2)微气压波。隧道洞口20 m处微气压波Pmax＜50 Pa。

2 隧道内瞬变压力

2.1 隧道辅助通道打开动车组通过时隧道内瞬变压力

CRH2-010A动车组通过时，大别山、碧绿河隧道内测点瞬变压力试验数据和气压变化曲线(车速200 km/h，250 km/h)见图 5、图 6 和图 7。

动车组车速250 km/h时，测试数据显示，大别山隧道内测得的气压变化3 s极值为1.78 kPa、峰对峰极值为2.27 kPa，碧绿河隧道内测得的气压变化3 s极值为1.70 kPa、峰对峰极值为1.70 kPa。

从图5和图6中可以看出，辅助坑道的开启会使隧道内增加一处气压反射界面，其位置等参数的变化会对隧道内气压变化造成一定影响。

图5 动车组通过时大别山隧道距出口377 m测点气压变化曲线(车速200 km/h，滠口—墩义堂，2号斜井开启，隧道长度13 256 m)

图6 动车组通过时大别山隧道距出口377 m测点气压变化曲线(车速250 km/h，滠口—墩义堂，1号斜井开启，隧道长度13 256 m)

图7 动车组通过时碧绿河隧道距进口106 m测点气压变化曲线(车速250 km/h，滠口—墩义堂，隧道长度212 m)

2.2 辅助通道关闭动车组通过时隧道内瞬变压力

CRH2-010A动车组和CRH2-041A动车组重联通过时，大别山、碧绿河隧道内测点瞬变压力试验数据和气压变化曲线(车速250 km/h)见图8和图9。

图8 动车组重联时大别山隧道距出口377 m测点气压变化曲线(车速250 km/h，滠口—墩义堂，隧道长度13 256 m)

图9 动车组重联时碧绿河隧道距进口106 m测点气压变化曲线(车速250 km/h，滠口—墩义堂，隧道长度212 m)

动车组重联车速250 km/h时，大别山隧道内测得的气压变化3 s极值为1.84 kPa、峰对峰极值为2.54 kPa，碧绿河隧道内测得的气压变化3 s极值为1.64 kPa、峰对峰极值为1.64 kPa。

从图5、图6和图8的比较可以看出，辅助坑道关闭时隧道内无新的气压反射界面显现。

2.3 动车组和动车组交会时隧道内瞬变压力

CRH2-010A动车组和CRH2-041A动车组交会时，由于大别山隧道进口附近区段限速，动车组(墩—滠)进入大别山隧道进口时速度仅达到200 km/h左右，虽然交会点速度达到了250 km/h，而隧道内气压变化规律主要取决于列车进洞速度控制的首波。

CRH2-010A动车组和CRH2-041A动车组交会时，大别山隧道内测点瞬变压力试验数据和气压变化曲线(动车组计划交会车速250 km/h和250 km/h，实际进洞车速为250 km/h和200 km/h)见图10。

图10 动车组和动车组交会时大别山隧道距出口377 m测点气压变化曲线(实际进洞车速为250 km/h和200 km/h，隧道长度13 256 m)

动车组实际进洞车速250 km/h和动车组实际进洞车速200 km/h交会时，大别山隧道内测得的气压变化3 s极值为1.93 kPa、峰对峰极值为2.83 kPa。

3 隧道洞口微气压波

微气压波测点布置在大别山隧道出口和碧绿河隧道进口，大别山隧道出口的微气压波由墩义堂—滠口方向列车进入大别山隧道进口的实际进洞车速控制，碧绿河隧道进口的微气压波由滠口—墩义堂方向列车进入碧绿河隧道出口的实际进洞车速控制。由于大别山隧道进口附近区段限速，动车组(墩义堂—滠口)进入大别山隧道进口时速度限制在200 km/h左右。

3.1 动车组通过时隧道洞口微气压波

CRH2-010A动车组通过时，大别山、碧绿河隧道洞口微气压波试验(计划车速200、250 km/h)测试数据显示，动车组计划车速250 km/h时，大别山隧道洞口20 m处测得微气压波极值为8 Pa(实际进洞车速200 km/h)，碧绿河隧道洞口20 m处测得的微气压波极值为 22.9 Pa，均 ＜50.0 Pa。

3.2 动车组重联时隧道洞口微气压波

CRH2-010A动车组和CRH2-041A动车组重联通过时，大别山、碧绿河隧道洞口微气压波试验(计划车速250 km/h)测试数据显示，动车组重联计划车速250 km/h时，大别山隧道洞口20 m处测得的微气压波极值为3 Pa(实际进洞车速190 km/h)，碧绿河隧道洞口20 m处测得的微气压波极值为23.4 Pa，均 ＜50.0 Pa。

3.3 动车组和动车组交会时隧道洞口微气压波

CRH2-010A动车组和CRH2-041A动车组交会时，大别山隧道洞口微气压波试验(动车组计划交会车速250 km/h和250 km/h，实际进洞车速250 km/h和200 km/h)测试数据显示，动车组计划交会车速250 km/h和250 km/h时，大别山隧道洞口20 m处测得微气压波极值为9.7 Pa(实际进洞车速200 km/h)，＜50.0 Pa。

3.4 试验数据分析

隧道洞口20 m测点典型微气压波变化曲线见图11、图 12。

图11 大别山隧道出口20 m测点微气压波变化曲线(动车组实际进洞车速205 km/h，墩义堂—滠口，1号斜井开启)

图12 碧绿河隧道进口20 m测点微气压波变化曲线(动车组车速250 km/h，滠口—墩义堂)

合武铁路湖北段除大别山隧道外，其余隧道均为有砟轨道隧道，根据理论分析和国内外现场测试资料，有砟轨道隧道洞口的微气压波在隧道长度1 km内时变化不大，然后随着隧道长度的增加而减小。

4 结论

1)乘客舒适度。动车组在隧道内无交会通过合武铁路湖北段隧道时，测得的车内气压变化均＜0.80 kPa/3 s;动车组在大别山隧道内交会时，测得的车内气压变化小于1.25 kPa/3 s，符合旅客舒适度准则要求。

2)隧道洞口微气压波。① 动车组车速为250 km/h时，碧绿河隧道洞口20 m处微气压波测试值为22.9 Pa，该隧道长度小于1 km，为212 m。根据理论分析和国内外现场测试资料，有砟轨道隧道洞口的微气压波在隧道长度为1 km内时变化不大，然后随着隧道长度的增加而减小，可以推断，合武铁路湖北段其余有砟轨道隧道洞口20 m处微气压波值也能满足建议标准(＜50 Pa)的要求。② 合武铁路湖北段中大别山隧道为无砟轨道隧道，其1号、2号辅助坑道关闭，动车组重联实际进洞车速190 km/h时，其隧道洞口20 m处微气压波测试值为3 Pa，远小于标准值。由此推算，当动车组车速250 km/h时，大别山隧道洞口20 m处微气压波计算值应为19 Pa，也满足建议标准(＜50 Pa)的要求。③ 大别山隧道1号或2号辅助坑道开启，动车组实际进洞车速205 km/h时，其隧道洞口20 m处微气压波测试值为8 Pa，计算得到动车组车速250 km/h时其隧道洞口20 m处微气压波值为16.0 Pa;大别山隧道1号和2号辅助坑道关闭，动车组重联实际进洞车速190 km/h时，其隧道洞口20 m处微气压波测试值为3 Pa，动车组交会实际进洞车速200 km/h时，其隧道洞口20 m处微气压波测试值为9.7 Pa，计算得到动车组车速250 km/h时其隧道洞口20 m处微气压波值为19 Pa。可见大别山隧道辅助坑道开启对隧道洞口微气压波起到了一定的消减作用(15%左右)。

综上所述，合武铁路湖北段按目标速度250 km/h运营时，由列车通过隧道产生的瞬变压力所决定的乘客舒适度及隧道洞口微气压波峰值均能满足有关准则和建议标准的要求。从而证明了合武铁路湖北段隧道工程设计参数能够满足时速250 km列车运行条件。

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