高速铁路隧道壁面气动荷载研究现状与趋势分析

房 倩 张顶立 杜建明 程荔琼

(北京交通大学隧道及地下工程教育部工程研究中心，北京 100044)

1 概述

当高速列车从明线驶入隧道，列车周围空气受到隧道壁面、列车表面以地面的限制而使空气体积急剧减少，导致周围压力突然升高，诱发隧道内空气压力波[1]。列车车头进入隧道诱发压缩波、车尾进入隧道诱发膨胀波，压缩波与膨胀波向隧道出口以声波速度传播，在隧道出口大部分压力波又以异项波的形式向隧道内反射[2]，并向隧道入口以当地声波速度传播，如此循环往复，最终形成隧道内的复杂压力波系，将作用在隧道结构内表面的压力波称之为隧道壁面气动荷载。高速铁路隧道壁面气动荷载是列车高速经过隧道诱发气动效应从而作用在隧道结构内表面的空气压力，是高速铁路隧道设计区别与普通隧道的关键所在，也是高速铁路隧道衬砌掉块的主要诱因之一。了解并掌握高速铁路隧道壁面气动荷载特征及其与影响因素之间的关系，对于高速铁路隧道结构设计以及安全事故(如衬砌掉块)防范具有重要的理论意义与工程实际应用价值。

王英学等[3]综述了国内外有关高速列车经过隧道诱发的压力波梯度变化、形成机理、计算方法、试验研究手段以及缓解措施。田红旗等[4-5]论述了列车空气动力学的主要研究手段：数值模拟计算、风洞试验、动模型试验以及在线实车试验，研究了隧道-列车耦合空气动力特性。肖京平等[6]比较全面系统介绍了国内外高速列车空气动力学研究在模型试验、实车测量、数值计算等方面的技术进展情况，并对高速列车经过隧道时隧道效应进行了阐述分析。马伟斌等[7]论述了现场实车试验、数值仿真计算和室内模型试验等高速铁路隧道气动效应的研究方法，分析了隧道气动效应的影响因素，系统研究了动车组经过隧道以及双车交会时车体内部与隧道壁面瞬变压力随速度的变化规律。杨国伟等[8]从高速列车空气动力学、高速弓网关系、高速轮轨关系、高速列车车辆动力学、高速列车结构疲劳可靠性、高速列车噪声6个方面对高速列车研制及运营过程中的典型力学问题研究进展以及未来发展方向进行梳理。然而，上述综述未对隧道壁面气动荷载特征进行深入分析，也未涉及气动荷载对高速铁路隧道结构疲劳影响的研究展望。

随着高速铁路隧道进入运营期，气动荷载对隧道结构的负面影响逐渐凸显。在气动荷载拉压循环持续作用下，高速铁路隧道结构破坏模型以及破坏机制显著区别于普通隧道。高速铁路隧道衬砌结构在气动荷载长期作用下的破坏模型以疲劳损伤破坏为主，衬砌结构内部细微观缺陷(如裂缝、空洞等)在气动荷载作用下也会持续发展并相互连通，当衬砌结构内部缺陷从细微观发展至宏观并相互贯通后，就可能会诱发衬砌掉块等安全事故，从而严重威胁高速铁路列车在隧道内的安全营运。

为此，在对高速铁路隧道壁面气动荷载特征进行深入分析的基础上，总结归纳了现场实车测试、动模型试验以及数值仿真模拟技术等主要研究手段，对于目前存在问题与未来发展趋势进行了初步介绍，相关研究可为将来高速铁路隧道壁面气动荷载特征研究提供参考和借鉴。

2 隧道壁面气动荷载特征分析

根据高速列车与隧道之间的空间位置关系可将隧道壁面气动荷载划分为3个阶段，即列车车头开始驶入隧道前(阶段Ⅰ)；列车车头开始驶入隧道直至车尾完全驶离隧道(阶段Ⅱ)；列车车尾完全驶离隧道后(阶段Ⅲ)。

当高速列车从明线逐渐驶近隧道入口时，车头前方空气受到持续挤压形成压缩波，并以声速向前传播，绝大部分压缩波在空气传播过程中逐渐消散，较少部分压缩波进入隧道并作用在隧道壁面，从而引起壁面气动压力逐渐升高，如图1所示。进入隧道内部压缩波所携能量在传播过程会受到空气阻力、壁面摩擦阻力等影响而逐渐减弱并消散，随着传播距离的增加，压缩波携带能量逐渐减弱并消散，主要表现为壁面气动压力峰值随入口距离的增加逐渐减弱。如梅元贵等[9]研究发现，当列车鼻尖到达隧道入口之前，隧道壁面即开始承受气动压力，气动压力随列车驶近隧道入口开始升高并逐渐向隧道内传播。

图1 列车驶入隧道前压缩波传播过程

当高速列车车头驶入隧道入口瞬间，由于车头前方空气的可压缩性以及流动性受到隧道壁面、列车表面以及地面的限制而强烈压缩，车头前方空气压力急剧升高，形成初始压缩波并以声速向隧道出口传播，压缩波在隧道出口又以膨胀波的形式向隧道内反射并以声速向隧道入口传播；当高速列车车尾驶入隧道入口瞬间，由于隧道入口车体所占空间大于隧道外部以及列车环状空间流入的空气体积，形成低于隧道入口大气压力的膨胀波并以声速向隧道出口传播，膨胀波在隧道出口又以压缩波的形式向隧道内反射并以声速向隧道入口传播；当高速列车驶入隧道，压缩波和膨胀波不断产生并以声速传播和反射，当压缩波和膨胀波遇到列车车头或车尾时，由于列车的存在使得隧道横断面减小而使得压缩波和膨胀波发生二次反射，并在隧道出入口、列车表面/隧道壁面之间不断反射、连续叠加，最终形成了复杂的气动荷载。国内外学者[10-12]研究发现，隧道壁面气动荷载最大值近似与列车速度平方成正比。

隧道壁面测点气动压力变化及压力波系传播过程如图2所示。其中，壁面气动压力为现场实测值，隧道长1 000 m，横断面面积为100 m2，双线隧道，线间距为5.0 m，洞口设有顶部开口的斜切式缓冲结构。列车为8节编组CRH2C型车，车长201.4 m，车头流线型长9.55 m，车体横断面面积为11.20 m2。测点距轨面高1.5 m，距隧道入口300 m。字母N为车头，T为车尾，Cni为车头进入隧道入口诱发压缩波，Eni为对应压缩波在洞口反射形成膨胀波，Cno为车头驶离隧道出口诱发压缩波。Eti为车尾进入隧道入口诱发膨胀波，Cti为对应膨胀波在洞口反射形成压缩波，Eto为车尾驶离隧道出口诱发膨胀波。①～分别为压缩波或膨胀波到达测点时刻。当车头进入隧道入口瞬间诱发压缩波Cni，并以声速向前传播，到达测点时，引起测点气动压力升高并达到正峰值。车尾进入隧道入口诱发膨胀波Eti，并以声速向前传播，到达测点时引起测点气动压力降低。车头经过测点引起测点气动压力降低，车头进入隧道入口诱发压缩波Cni在出口反射，形成的膨胀波Eni经过测点引起测点气动压力持续降低，并达到负峰值。车尾经过测点引起测点气动压力升高。车头进入隧道入口诱发压缩波经过两次反射后形成的压缩波再次经过测点引起测点气动压力升高，车尾进入隧道入口诱发膨胀波经过首次反射后形成压缩波经过测点引起测点气动压力持续升高，并再次达到正峰值。车尾进入隧道入口诱发膨胀波经过两次反射形成膨胀波经过测点引起测点气动压力降低，车头进入隧道入口诱发压缩波经过3次反射形成膨胀波经过测点引起测点气动压力持续降低，并再次达到负峰值。当车头驶出隧道出口时，再次诱发压缩波，并以声速向隧道内反射，车尾驶出隧道出口再次诱发膨胀波，并同样以声速向隧道内反射，如此循环往复，从而在隧道内部形成复杂的压力波系。

图2 隧道壁面气动压力变化及压力波系传播过程

当高速列车车尾驶离隧道出口后，压缩波和膨胀波持续在隧道出入口之间传播、反射并连续叠加。由于受到隧道内部空气阻力、壁面摩擦力影响而使得压缩波与膨胀波所携能量逐渐减弱并耗散，从而使得壁面气动压力峰值表现为逐渐减小趋势。对于某一个特定隧道而言，隧道长度、横截面积、壁面摩擦系数、压力波传播速度等参数均为定值，故隧道壁面气动压力峰值呈现周期性衰减规律，衰减周期可表示为T=2L/c，L为隧道长度，c为当地声波速度。其中，隧道长度与压力波传播速度影响衰减周期，隧道横截面积与壁面摩擦系数影响壁面气动压力衰减速率。如刘峰等[13-15]研究发现，列车驶出隧道后气动荷载随衰减周期数呈现指数形式的衰减规律，且列车驶出隧道后气动荷载持续时长是列车行驶于隧道内的6～11.5倍。

高速铁路隧道壁面气动荷载具有鲜明的时空特性，即气动荷载随时间与空间发生显著变化。气动荷载时间特性与列车/隧道之间的空间位置关系密切相关，当列车行驶在不同阶段(阶段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)，气动荷载呈现出对应的鲜明特征。气动荷载空间特征与隧道位置关系密切相关，气动荷载在隧道出入口呈现出鲜明的三维特性，而在隧道中部却表现为显著的一维特性[16]。

3 气动荷载研究手段

高速铁路隧道壁面气动荷载研究手段主要包括现场实车测试、模型试验、数值仿真模拟以及理论分析4种手段。其中，理论分析手段因湍流模型无法获得解析解而最终演化为数值仿真模拟技术。

3.1 现场实车测试

通过预先埋设在壁面的气动压力传感器来获取实车经过隧道诱发气动效应作用在隧道壁面的气动荷载随时间变化曲线的方法称之为现场实车测试。现场实车测试关键技术主要包括车速重复性技术、测点全断面/全长布设技术与隧道壁面结构保护技术、长/超长隧道信号传输技术等。车速重复性技术是现场实车测试的基础，也是后期测试数据分析的前提，对于现场实车测试试验具有重要意义。通过在隧道结构内表面安设数量有限的压力传感器来获取隧道壁面气动荷载是目前现场实车测试的主要手段。中国铁道科学研究院结合无线远程控制与集中监控技术研制出能够实现车上车下以及隧道内各测点同步、无线、远程测试的高速铁路隧道气动效应测控系统，解决了长大隧道内无GSMR、GPS信号，地形与环境恶劣、监测信号传输要求同步等难题，并成功应用于武广线大瑶山1号隧道，该系统主要由数据采集传感器、IMC集成测控数据采集系统、无线远程监控系统、无线远程数据传输系统以及接受终端等部分组成，系统如图3所示。

图3 高速铁路隧道气动效应测控系统[7]

现场实车测试能够真实获取高速铁路隧道壁面气动荷载，是最直接有效的研究手段，其结果数据不仅能真实反映气动荷载变化规律，而且能够用来验证数值计算与理论分析结果的可靠性及准确性，但现场实车测试费用高、周期长、组织协调难度大，测试结果易受测试设备精度影响且测试工况受限于既有列车模型种类及隧道断面或长度尺寸。

当8节编组的CRH2C型高速列车(如图4所示)以300 km/h速度经过长1 005 m双线隧道后，距隧道入口500 m，距轨面高度1.5 m的测点气动压力时程曲线如图5所示[13]。其中，列车长201.4 m，车头流线型部分长9.55 m，车体横断面11.20 m2。隧道洞口设有顶部开口的斜切式缓冲结构，净断面100 m2，线间距5.0 m。

图4 CRH2C型车

图5 现场实测所得隧道壁面气动压力时程曲线[13]

3.2 模型试验

研究高速铁路隧道壁面气动荷载的模型试验手段主要包括水槽法与动模型试验技术。

水槽法是利用可压缩性气体与自由表面流体相似性原理，通过测试列车模型在水槽中移动激起的水波高度来求解隧道内部空气压力的变化，其主要是利用液态水作为工作介质来研究高速列车经过隧道诱发气动效应的技术手段，其优点是高速列车可用较低速度来模拟。水槽法试验系统一般由水槽、列车模型与动力驱动系统、隧道模型、轨道系统、数据测试系统等组成[17]。高品贤等[18]通过浅水槽法研究高速列车在隧道内运行时空气压力波的变化规律，研究发现浅水槽法试验结果定性分析效果较好，定量分析由于水槽长度有限导致误差相对较大(10%左右)，试验系统如图6所示。

图6 浅水槽法试验系统[18]

White等[19]提出如果增加水深以提高雷诺数，且采用较大列车模型，则可获得更为满意的结果。由于水槽法定量分析结果不理想，Swarden等[20]建立了以氟利昂气体为工作介质的模型试验系统，几何相似比达1∶50，马赫数达0.36。随后，Dayman等[21]开始使用空气作为工作介质的模型标志着动模型试验技术的诞生。高速列车动模型试验技术的主要原理是运动相对性原流体相似性，包括几何相似、运动相似以及动力相似。在试验过程中，通过制作外形相似的缩尺列车模型来满足几何相似；通过动力驱动装置给列车提供运动力以达到真实列车运行速度来满足运动相似性；流体存在两个自模区，即第1与第2自模区，当模型与实物在同一种流体中处于同一个自模区时，模型与实物的雷诺数Re允许不等而使得模型试验结果可直接使用，或适当修正后应用于实物中，故可以通过将模型列车与真实列车保持在同一个自模区来近似满足动力相似性[22]。相关学者[23，24]研究发现，第1自模区是指Re小于第一临界值时流体呈现有规则的层流运动状态，第2自模区是指Re大于第二临界值时流体呈现无规则的絮流运动状态。当动模型试验列车Re大于第二临界值即可保证模型列车与真实列车均位于第2自模区，近似认为动模型试验满足动力相似性。

高速列车动模型试验系统主要包括列车缩尺模型、隧道缩尺模型、列车发射装置、列车接收装置、轨道装置以及数据测试系统等。国内外高速列车动模型试验系统如表1所示，部分试验系统原理如图7所示[25，28]。动模型试验技术基于相似原理能够比较真实的再现高速列车经过隧道诱发的气动效应，相比于现场实车测试，动模型试验费用较低、周期较短、无需现场协调，且测试工况不受列车模型种类以及隧道长度或断面尺寸的限制，但模型试验系统建造费用较高、占地面积较大，测试结果受隧道长度增加影响显著。

图7 部分高速列车动模型试验系统原理

表1 国内外动模型试验系统主要技术指标

模型试验系统采用中国科学院力学研究所双向动模型试验系统，列车模型长9.9 m，横截面0.186 m2，车头流线型长0.3 m，隧道阻塞比0.119。列车模型如图8所示。当列车以速度304 km/h穿过隧道后，距隧道入口20 m拱顶处测点气动压力时程曲线如图9所示[31]。

图8 列车模型

图9 模型试验所得隧道壁面气动压力时程曲线[31]

3.3 数值仿真模拟

数值仿真模拟技术是利用数值模拟软件对高速列车经过隧道诱发的三维、黏性、可压缩以及非稳态的湍流流场进行研究的技术手段。数值模拟软件主要包括商业软件和自主开发软件两大类，商业软件主要有FLUENT、CFX以及PHOENICS等；自主开发软件主要有西南交通大学自主研发的基于一维可压缩非稳态流理论和特征线方法的隧道压力波数值计算软件[32]、中南大学自主研发的三维近尾流场数值积分软件以及三维流场数值计算软件等。值得注意的是：高速列车经过隧道诱发的气动效应随着数值模拟软件的不同会呈现出较大差异，故数值模拟仿真计算结果有必要与现场实车测试或动模型试验结果进行对比验证[33]。数值仿真模拟主要包括湍流模型选择、模型网格划分、移动区域与静止区域之间的信息交换、N-S方程求解中的流动项与压力梯度的离散问题等。湍流模型的正确选择是高速铁路隧道气动效应准确模拟的关键。目前，主要的湍流模型有非稳定雷诺时均纳维斯托克斯(unsteady-Reynolds-Averaged Navier-Stokes/URANS)、自适用模拟(Scale-Adaptive Simulation/SAS)、分离涡模拟 (Detached Eddy Simulation/DES)以及大涡模拟 (Large Eddy Simulation/LES)。其中，URANS是目前工程上进行流程数值仿真计算普通采用的方法之一[34]。网格类型主要包括结构化网格、非结构化网格以及混合网格三大类。其中，结构化网格能够较好控制网格质量、计算量小、计算结果容易收敛、边界层网格易于保证，但对特殊形状模型适应性较差；非结构化网格对特殊形状模型适应性好，但网格质量难以控制、计算量高、计算收敛时间长、边界层网格难以保证[35]；混合网格结合了结构化与非结构化网格的优点，对特殊形状模型适应性好，且计算量小[36]。移动区域与静止区域之间的信息交换技术主要包括动网格技术、滑移网格技术以及重叠网格技术三大类。其中，动网格技术能够真实再现高速列车的运动效果，但动网格技术在列车移动过程中需要进行网格重构，容易导致网格负体积，且时间步长要求高、计算时间长；滑移网格技术通过在移动区域与静止区域之间设置接触面interface来实现两者之间的信息传递，无需在列车运动过程中进行网格重构，且计算时间比动网格短，但滑移网格对interface的形状和平顺性要求较高，且不允许动、静网格交错的情况，同时滑移网格也无法再现列车的运动效应；重叠网格技术实现了在不同区域生成网格，且网格之间可以交错、重叠，在计算过程中通过耦合分析来实现移动区域与静止区域之间的信息传递，但重叠网格技术内存占用比滑移网格大[37]。相较于现场实车测试与动模型试验技术，数值仿真模拟技术费用低、占地小，且不受列车模型种类与隧道形状尺寸限制，同时能够展示隧道内部以及列车周围的流程特性，但数值仿真模拟结果受模拟软件以及参数选择影响较大，模拟结果始终需要通过现场实车或动模型试验结果来验证。

数值仿真模拟采用忽略细部结构8节编组列车模型，列车模型如图10所示。其原型为我国目前普遍采用的CRH380A型车。当列车以速度350 km/h经过长度1 000 m的双线高铁隧道后，距离隧道入口500 m拱顶处测点气动压力时程曲线如图11所示。其中，列车长度205.5 m，车头流线型长度12.0 m，车体横断面11.12 m2。隧道净断面100 m2，双线间距5.0 m，洞口未设置缓冲结构。

图10 列车模型

图11 数值仿真模拟所得隧道壁面气动压力时程曲线

4 存在问题与发展趋势

4.1 现场实车测试

目前，现场实车测试获取的壁面气动荷载数据量较少，其主要通过在隧道结构内表面安设数量有限的压力传感器来获取隧道壁面特定位置的气动荷载。如何保证不破坏隧道结构前提下实现隧道全断面与全长气动荷载数据获取是未来现场实车测试技术的主要发展方向之一。三维光纤贴壁线性布置数据量多、对隧道结构破坏量小，利于实现隧道全断面、全长测点布置，且三维光纤能够重复利用，试验费用低、工作量少，有望成为未来现场实车测试系统中使用率最高的数据采集系统之一。

4.2 动模型试验技术

动模型试验系统制作周期长、费用高、占地面积大、试验所需人员多，而模型列车速度控制精度依然有待进一步提高。如何设计制作占地面积小、人员少、速度控制精度高的动模型试验系统是未来模拟试验技术的主要发展方向之一。环形轨道相较于直线型轨道占地面积小，且模型列车无需掉头，试验所需人员少，电机控制更加灵活且易于精确控制，有望进一步提高模型列车运行速度的控制精度，环形轨道配合电机控制可以作为未来动模型试验系统设计制作的优选技术之一。

4.3 数值仿真模拟

数值仿真模拟主要通过超级计算机来对大体量网格模型进行计算，或者通过简化列车复杂结构以及缩短列车长度(8车编组缩短为3车编组)来减少网格数量。如何保证模拟结果精度前提下减少网格数量或者提高计算机对大体量网格计算效率是未来数值仿真模拟试验技术的主要发展方向之一。混合网格技术结合结构化网格与非结构化网格的优点，在特殊形状表面以及边界层采用非结构化网格技术，而在规则表面以及压力远场区域采用结构化网格技术，从而极大减少网格数量以提高数值仿真模拟的计算效率，有望成为未来数值仿真模拟试验技术中使用率最高的网格划分技术之一。

5 结论

(1)列车驶入隧道前，隧道壁面气动荷载峰值小、持续时间短，在列车单次通过隧道时可以忽略不计。列车在隧道内行驶时，由于列车的存在导致压缩波与膨胀波发生多次反射而使得隧道壁面气动荷载呈现不规则变化，即正负峰值不等。列车完全驶出隧道后，压缩波与膨胀波仅在隧道出入口反射，由于受到空气阻力及壁面摩擦阻力，从而表现出周期性衰减趋势。

(2)三维光纤贴壁线性布置技术利于实现隧道全断面、全长测点布置，且重复利用率高，试验费用低、工作量少等优点，因此，建议未来现场实车测试过程中将三维光纤测试技术作为一个主要的优选方案；电机控制更加灵活且易于精确控制，有望进一步提高模型列车运行速度的控制精度，可作为未来动模型试验系统动力控制的优选技术之一；混合网格技术结合结构化网格与非结构化网格优点，在特殊形状表面及边界层采用非结构化网格技术，在规则表面及压力远场区域采用结构化网格技术，从而极大的减少网格数量以提高数值仿真模拟计算效率，有望成为未来数值仿真模拟试验技术中使用率最高的网格划分技术之一。