高龍，柳雨昕，李山朵

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081）

隨著列車速度的不斷提高，空氣阻力會(huì)急劇增大，能耗急劇增加，列車在通過(guò)隧道斜井時(shí)，車體與空氣之間的相互作用加劇，由空氣動(dòng)力效應(yīng)引起的行車安全問(wèn)題亟待解決。因此，高速列車-空氣相互作用問(wèn)題是關(guān)系高速鐵路安全運(yùn)行的重要工程技術(shù)問(wèn)題，也是我國(guó)高速鐵路發(fā)展必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一。列車空氣動(dòng)力學(xué)是研究列車行駛時(shí)空氣對(duì)列車作用力的規(guī)律，屬于流體力學(xué)與經(jīng)典空氣動(dòng)力學(xué)的范疇，是空氣動(dòng)力學(xué)在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用和進(jìn)一步發(fā)展[1]。列車空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題涉及軌道交通安全、乘坐舒適度、經(jīng)濟(jì)與環(huán)保等諸多方面[2-10]，相關(guān)內(nèi)容見表1。高速鐵路隧道氣動(dòng)效應(yīng)的影響因素主要有：（1）列車方面：運(yùn)行速度、橫截面積、車頭和車尾形狀、編組長(zhǎng)度及車輛的氣密性等；（2）隧道方面：隧道有效凈空面積、隧道斷面形狀、隧道長(zhǎng)度、復(fù)線間距、隧道坡度、線路曲線半徑、隧道壁面粗糙度及輔助結(jié)構(gòu)物形式（隧道口緩沖結(jié)構(gòu)、通風(fēng)通道、隔墻、道床類型）等；（3）其他方面：列車在復(fù)線隧道中交會(huì)及相對(duì)運(yùn)行列車各自進(jìn)入隧道口的時(shí)間差等，多種因素交織在一起，使得隧道氣動(dòng)效應(yīng)研究遠(yuǎn)比明線空氣動(dòng)力問(wèn)題復(fù)雜。

表1 列車空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題及相關(guān)影響

西成客專西安北—江油段正線長(zhǎng)度約509 km，其中阜川隧道位于新集—寧強(qiáng)南區(qū)間，隧道起止里程K265+933—K274+948，全長(zhǎng)9.015 km，隧道斷面面積92 m2，鋪設(shè)CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道。阜川隧道1#斜井與正洞交界處里程為K268+998，斜井長(zhǎng)度995 m，斜井外口已封閉（見圖1）。西成客專開通運(yùn)營(yíng)時(shí)間為2017年12月6日。阜川隧道1#斜井內(nèi)口防護(hù)門未安設(shè)封閉時(shí)，動(dòng)車組通過(guò)K269時(shí)有晃車現(xiàn)象；阜川隧道1#斜井內(nèi)口防護(hù)門安設(shè)封閉后，通過(guò)此處無(wú)晃車現(xiàn)象（見表2）。

試驗(yàn)主要采用測(cè)試動(dòng)車組和相關(guān)檢測(cè)設(shè)備在規(guī)定測(cè)試速度下，對(duì)西成客專阜川隧道氣動(dòng)效應(yīng)等指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試西成客專阜川隧道內(nèi)K269+998位置附近氣動(dòng)壓力及風(fēng)速變化，分析列車在K269+998位置處晃車原因，為動(dòng)車組晃車原因分析提供技術(shù)支持。

圖1 阜川隧道平縱斷面

表2 阜川隧道斜井相關(guān)參數(shù)

1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)分別測(cè)試防護(hù)門關(guān)閉和開啟2種情況。防護(hù)門關(guān)閉狀態(tài)下，測(cè)試運(yùn)營(yíng)動(dòng)車組運(yùn)行時(shí)的氣動(dòng)效應(yīng)以及防護(hù)門氣動(dòng)壓力等指標(biāo)；防護(hù)門開啟狀態(tài)下，進(jìn)行了靜置、單列通過(guò)、對(duì)向行駛3種工況測(cè)試：（1）在斜井防護(hù)門開啟且無(wú)動(dòng)車組運(yùn)行狀態(tài)下，測(cè)試靜置工況下斜井洞口的風(fēng)速；（2）在斜井防護(hù)門開啟狀態(tài)下，采用CRH3A重聯(lián)動(dòng)車組通過(guò)阜川隧道測(cè)試通過(guò)K268+998斜井時(shí)的隧道內(nèi)氣動(dòng)效應(yīng)指標(biāo)；（3）在斜井防護(hù)門開啟狀態(tài)下，采用CRH3A重聯(lián)動(dòng)車組和CRH380B動(dòng)車組在隧道內(nèi)對(duì)向行駛，測(cè)試CRH380B到達(dá)隧道內(nèi)K274+600、K273、K271+200、K269+493位置時(shí)，CRH3A重聯(lián)動(dòng)車組通過(guò)K268+998斜井處的隧道內(nèi)氣動(dòng)效應(yīng)指標(biāo)，共計(jì)交會(huì)4個(gè)往返。

1.1 測(cè)點(diǎn)布置

選取K269+000處斜井通道與正線交會(huì)處斷面以及距離斜井通道10 m處斷面進(jìn)行測(cè)量。在隧道內(nèi)斜井通道處布置氣壓傳感器及風(fēng)速儀（見圖2、圖3），測(cè)試分析斜井通道對(duì)列車通過(guò)時(shí)列車風(fēng)的影響。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

（1）氣動(dòng)壓力。測(cè)試列車高速通過(guò)隧道及在隧道內(nèi)交會(huì)工況下，橫通道門開啟及封閉對(duì)隧道內(nèi)不同位置處氣動(dòng)壓力的影響。

（2）列車風(fēng)。測(cè)試列車高速通過(guò)隧道及在隧道內(nèi)交會(huì)工況下，橫通道門開啟及封閉對(duì)橫通道位置處橫風(fēng)的影響，分析橫通道開啟對(duì)列車通過(guò)時(shí)晃車的影響。

圖2 隧道氣壓測(cè)點(diǎn)橫斷面布置示意圖

圖3 風(fēng)速測(cè)點(diǎn)和風(fēng)壓測(cè)點(diǎn)布置圖

2 斜井防護(hù)門開啟及封閉對(duì)氣動(dòng)壓力的影響

2.1 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)共分為列車通過(guò)及交會(huì)2種工況，分析斜井防護(hù)門的開啟及封閉對(duì)隧道內(nèi)不同斷面處氣動(dòng)力分布的影響。

2.2 列車單列通過(guò)

斜井防護(hù)門開啟CRH3A高速通過(guò)時(shí)，瞬變壓力典型時(shí)程曲線見圖4。

圖4 CRH3A動(dòng)車組高速通過(guò)時(shí)隧道內(nèi)瞬變壓力典型時(shí)程曲線

CRH3A動(dòng)車組高速通過(guò)時(shí)隧道內(nèi)不同斷面處瞬變壓力測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 CRH3A高速通過(guò)時(shí)距離斜井不同位置的瞬變壓力測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明：防護(hù)門開啟狀態(tài)下，與斜井距離越小，氣動(dòng)壓力受斜井影響越小，當(dāng)距離超過(guò)50 m后，隧道壁面氣動(dòng)壓力逐漸穩(wěn)定；CRH3A以最高速度250 km/h在隧道通過(guò)時(shí)，斜井附近氣動(dòng)壓力峰峰值最大，達(dá)到1.06 kPa，3 s極值為1.06 kPa。

2.3 列車交會(huì)

斜井防護(hù)門開啟工況下，CRH3A和CRH380B動(dòng)車組分別以速度200、250 km/h在隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)，距離防護(hù)門不同位置處隧道壁面瞬變壓力測(cè)試結(jié)果見表4。

表4 動(dòng)車組在隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)距離斜井不同位置的瞬變壓力測(cè)試結(jié)果

斜井防護(hù)門關(guān)閉工況下，CRH3A與CRH380B動(dòng)車組在隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)氣動(dòng)壓力測(cè)試數(shù)據(jù)見表5。

表5 CRH3A和CRH380B在隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)氣動(dòng)壓力測(cè)試結(jié)果

通過(guò)表4和表5的數(shù)據(jù)對(duì)比，可知防護(hù)門的開啟及封閉改變了波在隧道內(nèi)的傳播及疊加，防護(hù)門關(guān)閉工況下隧道壁面氣動(dòng)壓力較防護(hù)門開啟工況下小。

3 斜井防護(hù)門開啟及封閉對(duì)列車風(fēng)的影響

分別測(cè)試列車靜置、單列通過(guò)及交會(huì)工況下斜井處及距離斜井50 m處風(fēng)速值，分析斜井防護(hù)門開啟及封閉對(duì)隧道內(nèi)風(fēng)速的影響。

3.1 靜置工況

測(cè)試結(jié)果表明，無(wú)列車通過(guò)工況下K268+998斜井洞口處自然風(fēng)風(fēng)速值為1.6 m/s左右，表明該隧道自然風(fēng)影響很小。

3.2 斜井防護(hù)門開啟

（1）單列動(dòng)車組通過(guò) CRH3A動(dòng)車組高速通過(guò)時(shí)，K268+998處列車風(fēng)典型時(shí)程曲線情形見圖5。

圖5 CRH3A高速通過(guò)時(shí)隧道內(nèi)列車風(fēng)典型時(shí)程曲線

CRH3A動(dòng)車組在隧道內(nèi)通過(guò)時(shí)，不同車速下列車風(fēng)測(cè)試結(jié)果見表6。

表6 CRH3A高速通過(guò)時(shí)K268+998處風(fēng)速測(cè)試數(shù)據(jù)

測(cè)試結(jié)果表明，在防護(hù)門開啟狀態(tài)下，當(dāng)CRH3A動(dòng)車組分別以200、250 km/h的速度通過(guò)阜川隧道時(shí)，斜井處列車風(fēng)風(fēng)速最大值分別為23.51、42.48 m/s，距離斜井50 m處列車風(fēng)最大值分別為15.08、20.02 m/s，橫通道處列車風(fēng)較距橫通道50 m處分別增大了55.90 %、112.20%。

（2）兩車在隧道內(nèi)交會(huì)CRH3A和CRH380B動(dòng)車組在隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)，隧道內(nèi)不同位置處列車風(fēng)測(cè)試結(jié)果見表7。

表7 CRH3A和CRH380B在隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)列車風(fēng)測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明，防護(hù)門開啟狀態(tài)下，CRH3A與CRH380B在隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)，橫通道處列車風(fēng)較距橫通道50 m處增大了約1.5倍。

3.3 斜井防護(hù)門關(guān)閉

斜井防護(hù)門關(guān)閉工況下，CRH3A與CRH380B動(dòng)車組在隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)列車風(fēng)測(cè)試數(shù)據(jù)見表8。

測(cè)試結(jié)果表明：當(dāng)CRH3A與CRH380B動(dòng)車組分別以200、250 km/h的速度在隧道內(nèi)的K271+000處交會(huì)時(shí)，斜井處風(fēng)速最大值分別為15.47、20.49 m/s，距離斜井50 m處列車風(fēng)最大值分別為12.98、14.68 m/s，橫通道處列車風(fēng)較距橫通道50 m處分別增大了19.10 %和39.60 %。

對(duì)比斜井防護(hù)門開啟及關(guān)閉工況下測(cè)試數(shù)據(jù)可知，防護(hù)門開啟時(shí)斜井處列車風(fēng)風(fēng)速增大較大，是引起列車晃車的重要原因；關(guān)閉防護(hù)門后，斜井處防護(hù)門列車風(fēng)風(fēng)速較距離防護(hù)門50 m處列車風(fēng)風(fēng)速增大比例顯著減小。

表8 CRH3A和CRH380B在隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)列車風(fēng)測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)阜川隧道內(nèi)氣動(dòng)效應(yīng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析可得出如下結(jié)論：防護(hù)門的開/閉狀態(tài)改變了波在隧道內(nèi)的傳播及疊加，防護(hù)門關(guān)閉工況下隧道壁面氣動(dòng)壓力較防護(hù)門開啟工況下小。

在防護(hù)門開啟狀態(tài)下，當(dāng)CRH3A動(dòng)車組分別以200、250 km/h的速度通過(guò)阜川隧道時(shí)，斜井處列車風(fēng)風(fēng)速最大值分別為23.51、42.48 m/s，距離斜井50 m處列車風(fēng)最大值分別為15.08、20.02 m/s，橫通道處列車風(fēng)較距橫通道50 m處分別增大了55.90%和112.20%；CRH3A與CRH380B在隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)，橫通道處列車風(fēng)較距橫通道50 m處增大約1.5倍。

在防護(hù)門關(guān)閉狀態(tài)下，當(dāng)CRH3A與CRH380B動(dòng)車組分別以200、250 km/h的速度在隧道內(nèi)K271+000處交會(huì)時(shí)，斜井處風(fēng)速最大值分別為15.47和20.49 m/s，距離斜井50 m處列車風(fēng)最大值分別為12.98、14.68 m/s，橫通道處列車風(fēng)較距橫通道50 m處分別增大了19.10%和39.60%。

試驗(yàn)結(jié)果表明，列車高速通過(guò)及在阜川隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)，橫通道開啟引起橫通道處列車風(fēng)的增大，這是造成動(dòng)車組晃車的主要原因，關(guān)閉橫通道防護(hù)門可有效減小晃車。