市域快线隧道断面研究及优化设计

胡丽君

（广州地铁设计研究院有限公司，广东 广州 510010）



市域快线隧道断面研究及优化设计

胡丽君

（广州地铁设计研究院有限公司，广东 广州 510010）

摘 要：本文对比国内外高速列车隧道断面面积，基于一维流动理论，建立含车站及风井的隧道模型，针对不同的列车运行速度以及隧道断面面积，对最低密封性车辆车内的压力变化进行模拟分析，给出不同车速的最佳隧道断面建议值，并对列车在隧道内高速行驶的压力缓解措施给出建议。

关键词：市域快线；压力舒适度；隧道断面；模拟计算

0.引言

随着都市区域范围的逐渐扩大，城市轨道交通线路建设也随之由中心城区线路向市域线转变，客流吸引能力也随之加强，为提高网络整体运能、提高乘客输送效率，近年来列车的速度在逐渐提高。列车在隧道内高速行驶，所引起的隧道空气动力效应对列车运行安全性、经济性和司乘人员的舒适性都带来严重的影响。列车在隧道内高速行驶引起的空气动力学效应包括：瞬变压力、微压波、空气动力荷载、列车风以及列车空气阻力。本文重点关注了隧道压力波和乘客压力舒适度的影响。

影响隧道空气动力学效应的因素主要包括：（1）列车车速。（2）列车断面面积与隧道断面面积的比（即阻塞比）。（3）隧道形式，如岔路、泄压通道、通风井等。（4）隧道表面粗糙度，如地面、隧道壁面的栅板支架、轨道安装形式。（5）隧道长度。其中隧道断面面积越大（即较小的阻塞比）、列车速度越低，压缩压力波大小及其变化率就越小。因此隧道断面的大小是解决高速列车在隧道内行驶所引起的空气动力学效应重要因素。

1. 国内外高速列车隧道断面概况

1.1 国外隧道断面面积概况（表1）

1.2 国内隧道断面面积概况（表2）

表1

表2

2. 研究方法

2.1 模型简化

列车高速通过隧道引起的空气流动是三维可压缩非定常紊流流动。一般而言，隧道长度远大于隧道断面水力直径，列车长度也远大于列车与隧道所形成环状空间横截面的当量水力直径，三维流动可合理简化为一维流动。参考日本新干线、德国ICE和法国TGV等多国的实验以及不同国家进行的数值模拟分析均表明，对隧道系统设计而言，采用一维方法是适宜的，并不会损失准确度。因此国际上的高速列车隧道压力波普遍均以一维分析方法作基础。

2.2 研究所采用的分析软件

市域快线压力舒适度是快速列车服务的重要元素，压力舒适度将在运营的第一天就受到乘客的检验，并持续反映在整个运营过程中。因此，必须使用经过验证的分析方法，此次研究中使用隧道压力波分析软件ThermoTun进行分析。

3. 隧道断面模拟计算分析

3.1 基本假设及计算参数

为了分析高速列车隧道压力波的规律，本文计算的基本假设及设定如下：（1）隧道全长63.5km，列车最高速度达到250km/h。（2）全线列车只停靠4个车站。（3）列车断面面积约为12.1m2，密封性指数τ=6s，列车长约202m，8节编组。（4）采用800Pa/3s的压力舒适度标准。（5）模型中的所有活塞风井（40m2）都假设打开，机械风井都假设关闭。（6）模拟除了考虑因隧道阻塞比和车速所产生的压力波改变外，同时亦考虑了隧道断面面积突变、活塞风井等其他因素导致压力波在隧道内的反射及衰减现象。

表3行车速度200km/h-最大压力变化值（3s内）

3.2 模拟分析结果

从表3和表4模拟结果中可见，在气密度τ=6s下，随着断面面积的增加，车内3s最大压力变化值逐渐减少，从而使车内人员的压力舒适度得到提高。

4. 压力波缓解措施及断面优化设计

4.1 相关设计规范中对隧道断面的规定

（1）《城际铁路设计规范》（TB10623-2014）规定：列车密封指数不小于6s，单线隧道，设计速度200km/h，隧道断面面积48m2。

（2）《高速铁路设计规范》（TB10621-2014）规定：设计行车速度目标为250km/h时，单线隧道不应小于58m2。

4.2 隧道断面优化设计

根据上节模拟结果可知，在列车密封指数等于6s时，行车速度为200km/h，隧道断面面积40m2，行车速度为250km/h，隧道断面面积52m2，就能满足车内乘客人员800Pa/3s的压力舒适度标准。

4.3 压力波缓解措施

当压力波通过隧道中风井位置或具有泄压特点的位置后，如隧道岔线或泄压风阀，压力波的大小及变化率将会降低。通常，较大的通风井或隧道连接断面与小断面相比更可以减弱压力波的传递。这种泄压的方式已经在国际上得到了大量的使用，如日本、台湾、荷兰、香港。然而，采用太大的风井实际上将把隧道分为两个单独的区间，这将在列车进入时引起另一个压力波的产生。因此，在设计风井尺寸时应特别注意。

加大隧道断面面积亦是一可行但昂贵的方法。在一些情况下，将列车在特殊位置时对车速作出局部调整也能有效减低压力舒适度的问题。

图1显示了各种普遍减低压力波的方法。

参考文献

［1］刘堂红，田红旗，金学松.隧道空气动力学实车试验研究［J］.空气动力学学报，2008（3）：42.

［2］梅元贵，周朝晖，许建林.高速铁路隧道空气动力学［M］.北京：科学出版社，2009.

［3］刘伊江.高速地铁隧道压力波研究及隧道断面的拟定［J］.铁道标准设计，2010（增刊），119-124.

中图分类号：U452

文献标识码：A