斜井处防护门开启及封闭对列车风的影响

高龙，柳雨昕，李山朵

（中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081）

随着列车速度的不断提高，空气阻力会急剧增大，能耗急剧增加，列车在通过隧道斜井时，车体与空气之间的相互作用加剧，由空气动力效应引起的行车安全问题亟待解决。因此，高速列车-空气相互作用问题是关系高速铁路安全运行的重要工程技术问题，也是我国高速铁路发展必须解决的关键技术问题之一。列车空气动力学是研究列车行驶时空气对列车作用力的规律，属于流体力学与经典空气动力学的范畴，是空气动力学在轨道交通领域的应用和进一步发展[1]。列车空气动力学问题涉及轨道交通安全、乘坐舒适度、经济与环保等诸多方面[2-10]，相关内容见表1。高速铁路隧道气动效应的影响因素主要有：（1）列车方面：运行速度、横截面积、车头和车尾形状、编组长度及车辆的气密性等；（2）隧道方面：隧道有效净空面积、隧道断面形状、隧道长度、复线间距、隧道坡度、线路曲线半径、隧道壁面粗糙度及辅助结构物形式（隧道口缓冲结构、通风通道、隔墙、道床类型）等；（3）其他方面：列车在复线隧道中交会及相对运行列车各自进入隧道口的时间差等，多种因素交织在一起，使得隧道气动效应研究远比明线空气动力问题复杂。

表1 列车空气动力学问题及相关影响

西成客专西安北—江油段正线长度约509 km，其中阜川隧道位于新集—宁强南区间，隧道起止里程K265+933—K274+948，全长9.015 km，隧道断面面积92 m2，铺设CRTSⅠ型双块式无砟轨道。阜川隧道1#斜井与正洞交界处里程为K268+998，斜井长度995 m，斜井外口已封闭（见图1）。西成客专开通运营时间为2017年12月6日。阜川隧道1#斜井内口防护门未安设封闭时，动车组通过K269时有晃车现象；阜川隧道1#斜井内口防护门安设封闭后，通过此处无晃车现象（见表2）。

试验主要采用测试动车组和相关检测设备在规定测试速度下，对西成客专阜川隧道气动效应等指标进行检测，测试西成客专阜川隧道内K269+998位置附近气动压力及风速变化，分析列车在K269+998位置处晃车原因，为动车组晃车原因分析提供技术支持。

图1 阜川隧道平纵断面

表2 阜川隧道斜井相关参数

1 试验方案

试验分别测试防护门关闭和开启2种情况。防护门关闭状态下，测试运营动车组运行时的气动效应以及防护门气动压力等指标；防护门开启状态下，进行了静置、单列通过、对向行驶3种工况测试：（1）在斜井防护门开启且无动车组运行状态下，测试静置工况下斜井洞口的风速；（2）在斜井防护门开启状态下，采用CRH3A重联动车组通过阜川隧道测试通过K268+998斜井时的隧道内气动效应指标；（3）在斜井防护门开启状态下，采用CRH3A重联动车组和CRH380B动车组在隧道内对向行驶，测试CRH380B到达隧道内K274+600、K273、K271+200、K269+493位置时，CRH3A重联动车组通过K268+998斜井处的隧道内气动效应指标，共计交会4个往返。

1.1 测点布置

选取K269+000处斜井通道与正线交会处断面以及距离斜井通道10 m处断面进行测量。在隧道内斜井通道处布置气压传感器及风速仪（见图2、图3），测试分析斜井通道对列车通过时列车风的影响。

1.2 试验内容

（1）气动压力。测试列车高速通过隧道及在隧道内交会工况下，横通道门开启及封闭对隧道内不同位置处气动压力的影响。

（2）列车风。测试列车高速通过隧道及在隧道内交会工况下，横通道门开启及封闭对横通道位置处横风的影响，分析横通道开启对列车通过时晃车的影响。

图2 隧道气压测点横断面布置示意图

图3 风速测点和风压测点布置图

2 斜井防护门开启及封闭对气动压力的影响

2.1 试验工况

试验共分为列车通过及交会2种工况，分析斜井防护门的开启及封闭对隧道内不同断面处气动力分布的影响。

2.2 列车单列通过

斜井防护门开启CRH3A高速通过时，瞬变压力典型时程曲线见图4。

图4 CRH3A动车组高速通过时隧道内瞬变压力典型时程曲线

CRH3A动车组高速通过时隧道内不同断面处瞬变压力测试结果见表3。

表3 CRH3A高速通过时距离斜井不同位置的瞬变压力测试结果

测试结果表明：防护门开启状态下，与斜井距离越小，气动压力受斜井影响越小，当距离超过50 m后，隧道壁面气动压力逐渐稳定；CRH3A以最高速度250 km/h在隧道通过时，斜井附近气动压力峰峰值最大，达到1.06 kPa，3 s极值为1.06 kPa。

2.3 列车交会

斜井防护门开启工况下，CRH3A和CRH380B动车组分别以速度200、250 km/h在隧道内交会时，距离防护门不同位置处隧道壁面瞬变压力测试结果见表4。

表4 动车组在隧道内交会时距离斜井不同位置的瞬变压力测试结果

斜井防护门关闭工况下，CRH3A与CRH380B动车组在隧道内交会时气动压力测试数据见表5。

表5 CRH3A和CRH380B在隧道内交会时气动压力测试结果

通过表4和表5的数据对比，可知防护门的开启及封闭改变了波在隧道内的传播及叠加，防护门关闭工况下隧道壁面气动压力较防护门开启工况下小。

3 斜井防护门开启及封闭对列车风的影响

分别测试列车静置、单列通过及交会工况下斜井处及距离斜井50 m处风速值，分析斜井防护门开启及封闭对隧道内风速的影响。

3.1 静置工况

测试结果表明，无列车通过工况下K268+998斜井洞口处自然风风速值为1.6 m/s左右，表明该隧道自然风影响很小。

3.2 斜井防护门开启

（1）单列动车组通过 CRH3A动车组高速通过时，K268+998处列车风典型时程曲线情形见图5。

图5 CRH3A高速通过时隧道内列车风典型时程曲线

CRH3A动车组在隧道内通过时，不同车速下列车风测试结果见表6。

表6 CRH3A高速通过时K268+998处风速测试数据

测试结果表明，在防护门开启状态下，当CRH3A动车组分别以200、250 km/h的速度通过阜川隧道时，斜井处列车风风速最大值分别为23.51、42.48 m/s，距离斜井50 m处列车风最大值分别为15.08、20.02 m/s，横通道处列车风较距横通道50 m处分别增大了55.90 %、112.20%。

（2）两车在隧道内交会CRH3A和CRH380B动车组在隧道内交会时，隧道内不同位置处列车风测试结果见表7。

表7 CRH3A和CRH380B在隧道内交会时列车风测试结果

测试结果表明，防护门开启状态下，CRH3A与CRH380B在隧道内交会时，横通道处列车风较距横通道50 m处增大了约1.5倍。

3.3 斜井防护门关闭

斜井防护门关闭工况下，CRH3A与CRH380B动车组在隧道内交会时列车风测试数据见表8。

测试结果表明：当CRH3A与CRH380B动车组分别以200、250 km/h的速度在隧道内的K271+000处交会时，斜井处风速最大值分别为15.47、20.49 m/s，距离斜井50 m处列车风最大值分别为12.98、14.68 m/s，横通道处列车风较距横通道50 m处分别增大了19.10 %和39.60 %。

对比斜井防护门开启及关闭工况下测试数据可知，防护门开启时斜井处列车风风速增大较大，是引起列车晃车的重要原因；关闭防护门后，斜井处防护门列车风风速较距离防护门50 m处列车风风速增大比例显著减小。

表8 CRH3A和CRH380B在隧道内交会时列车风测试结果

4 结论

通过对阜川隧道内气动效应测试数据分析可得出如下结论：防护门的开/闭状态改变了波在隧道内的传播及叠加，防护门关闭工况下隧道壁面气动压力较防护门开启工况下小。

在防护门开启状态下，当CRH3A动车组分别以200、250 km/h的速度通过阜川隧道时，斜井处列车风风速最大值分别为23.51、42.48 m/s，距离斜井50 m处列车风最大值分别为15.08、20.02 m/s，横通道处列车风较距横通道50 m处分别增大了55.90%和112.20%；CRH3A与CRH380B在隧道内交会时，横通道处列车风较距横通道50 m处增大约1.5倍。

在防护门关闭状态下，当CRH3A与CRH380B动车组分别以200、250 km/h的速度在隧道内K271+000处交会时，斜井处风速最大值分别为15.47和20.49 m/s，距离斜井50 m处列车风最大值分别为12.98、14.68 m/s，横通道处列车风较距横通道50 m处分别增大了19.10%和39.60%。

试验结果表明，列车高速通过及在阜川隧道内交会时，横通道开启引起横通道处列车风的增大，这是造成动车组晃车的主要原因，关闭横通道防护门可有效减小晃车。