隧道附属设施气动效应分析

2022-05-10方雨菲马伟斌程爱君郭小雄王辰杜晓燕

铁道建筑 2022年4期

方雨菲马伟斌程爱君郭小雄王辰杜晓燕

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

作为基础工程，隧道工程是铁路工程特别是高速铁路的重要组成部分。每座隧道中存在数量不等的附属设施，包括信号灯、指示灯、通信电缆支架（边墙）、设备洞室门（边墙）、风机（边墙）、联络通道防护门、水沟盖板、信号设备箱等。早期我国对附属设施重视不足，相关研究也较少。近年来部分隧道出现了附属设施疲劳损伤、使用性能下降甚至影响列车运营安全的问题。列车高速通过隧道及在隧道内交会时会产生压力波并在隧道内传播，该压力波会对隧道内附属设施产生影响，附属设施受环境因素及压力波长期作用，会出现疲劳损伤，使用性能下降，从而对附属设施的使用寿命产生影响。附属设施的变形、松动或脱落可能引发安全事故。随着列车速度的提高，列车通过隧道时气动效应对附属设施的影响更为显著，为实现高速铁路安全运营的要求，需要对气动荷载对附属设施的作用进行深入细致的研究。

自20世纪60年代日本新干线投入运营后，国内外专家学者相继围绕高速铁路空气动荷载学问题开展了一系列研究。Howe等［1-2］用相似理论试验研究了隧道内压缩波对隧道洞口微气压波的影响规律，提出了列车进入隧道产生的压缩波的解析模型。Schetz［3］分析了高速列车空气动力学问题与其他交通工具的区别，尤其是现代高速列车，包括磁悬浮列车。Mok［4］研究了斜切式洞门和多孔缓冲结果对压力时间梯度的降低效果。Raghunathan等［5］研究了高速列车气动研究现状，重点介绍了缓解高速列车气动问题的合理控制措施。Rabani［6］采用重构网格法研究了隧道入口处车-隧相互作用特性，分析了列车运行速度、通风口等对压力波、阻力、侧向力系数的影响。梅元贵［7］分析了高速铁路隧道压力波的传播特性。田红旗［8］讨论了典型列车的空气动力学性能，建立了列车交会压力波、线间距、安全避让距离的理论关系式。王剑英等［9］针对高速列车进出双线大断面隧道的空气动力学问题，对不同结构形式的隧道出口微气压波进行了数值模拟及理论推导。史宪明等［10］研究了单列列车通过无辅助坑道长大铁路隧道时的空气阻力计算方法，建立了基于非恒定流和车头车尾压差的空气阻力计算公式。施成华等［11］分析了高速列车在隧道内运行过程中所产生的压力变化过程和分布特性，计算了列车运行过程中隧道内不同位置最大负压。马伟斌等［12］分析了隧道洞口微气压波的影响因素及洞口微气压波的产生机理。刘峰等［13］采用实车试验方法对高速列车穿越双线隧道引发的隧道壁面气动压力进行测试，分析了不同位置测点在列车通过阶段和列车驶出阶段的压力峰值。马辉等［14］基于一维、可压缩、非定常的流动假设，推导了车内瞬变压力、洞口微气压波和空气阻力计算公式。房倩等［15］分析了高速铁路隧道壁面气动荷载特征和变化规律，论述了现场实车测试、动模型试验以及数值仿真模拟三种研究手段的技术现状与未来发展趋势。

目前隧道空气动力学研究集中于压缩波的特征、微气压波影响因素及缓解方案研究等方面，关于隧道内压力波对附属设施的影响的现场测试研究相对较少。本文介绍隧道附属设施及隧道主体结构气动荷载、加速度和列车风测试方法，对速度、车型、隧道长度、编组、季节等对气动荷载的影响及速度和车型对加速度和列车风的影响进行分析。

1 现场测试

选取1号隧道（2.8 km）、2号隧道（1.0 km）和3号隧道（6.8 km）作为测试对象，在隧道内不同附属设施表面及隧道壁上布置气压传感器、加速度传感器，在隧道内布置超声波风速仪，测试动车组分别以速度300、350 km/h通过隧道时附属设施和隧道壁承受的气动荷载、振动特性和隧道内列车风。隧道附属设施主要包括插座箱、大型箱、监控箱、照明控制箱、低压箱、轨旁设备、水沟盖板、照明箱、下坠锚护板、照明灯和指示灯等。

在隧道内附属设施及隧道壁安装气压传感器和加速度传感器，测试动车组高速通过时附属设施和主体结构气动荷载、振动特性。在隧道内边墙位置安装超声波风速仪，测试动车组高速通过时列车风变化。气压传感器选取CYG516型薄形压力传感器，量程有2、5、10、25、40、60、100 kPa等规格，准确度等级0.15%FS。该传感器外形为薄圆扣式，最小直径为12 mm，厚度为4.5 mm，可以直接贴装或挖浅坑埋下平贴齐模型表面安装，基本不影响被测流场。加速度传感器选用北京泰泽科技开发有限公司采用微集成电路芯片设计制造的TG系列IC加速度传感器。超声波风速仪为英国Gill公司的Wind Sonic，量程为60 m/s，分辨率为0.01 m/s。