史憲明， 吳 劍, ， 萬(wàn)曉燕， 陳洋宏

(1. 中鐵西南科學(xué)研究院有限公司， 四川 成都 611731； 2. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司， 北京 100081)

0 引言

長(zhǎng)期以來(lái)，由于列車(chē)運(yùn)營(yíng)速度較低，隧道空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)在我國(guó)一直未引起足夠重視。隨著客運(yùn)專線及高速鐵路的大量開(kāi)通，國(guó)內(nèi)學(xué)者相繼開(kāi)展了高速鐵路隧道空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)研究工作[1-4]，并參考國(guó)外關(guān)于高速鐵路隧道凈空面積的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，提出速度目標(biāo)值為200～350 km/h時(shí)隧道凈空面積建議值并納入規(guī)范[5]。為推進(jìn)中國(guó)高速鐵路隧道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)深化研究，國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)展400 km/h隧道空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的基礎(chǔ)研究工作，以期為列車(chē)進(jìn)一步提速做好理論準(zhǔn)備，其中一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容為對(duì)應(yīng)速度目標(biāo)值下的隧道凈空面積。

文獻(xiàn)[6]有關(guān)條款規(guī)定，高速鐵路隧道斷面尺寸的確定最重要的考量因素就是列車(chē)內(nèi)瞬變壓力的變化能否符合乘客舒適度標(biāo)準(zhǔn)。因此，確定高速鐵路隧道凈空面積時(shí)除考慮隧道建筑限界和機(jī)車(chē)車(chē)輛限界外，還需重點(diǎn)關(guān)注列車(chē)通過(guò)隧道時(shí)的車(chē)內(nèi)瞬變壓力是否超標(biāo)，文獻(xiàn)[7]正是基于此對(duì)我國(guó)城際鐵路隧道凈空斷面進(jìn)行討論。然而，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)400 km/h列車(chē)通過(guò)隧道時(shí)的車(chē)內(nèi)瞬變壓力變化規(guī)律研究較少，尚未有結(jié)合我國(guó)現(xiàn)役列車(chē)密封性能根據(jù)舒適度標(biāo)準(zhǔn)提出400 km/h高速鐵路隧道凈空面積建議值的文獻(xiàn)。

本文從列車(chē)車(chē)內(nèi)瞬變壓力入手，首先建立基于舒適度標(biāo)準(zhǔn)的高速鐵路隧道凈空面積確定方法，隨后通過(guò)計(jì)算和分析討論了現(xiàn)有350 km/h隧道運(yùn)營(yíng)400 km/h列車(chē)的可能性，而后提出400 km/h隧道凈空斷面建議值。文中提出的400 km/h高速鐵路隧道凈空面積建議值和對(duì)應(yīng)的密封性能要求可為有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的制訂提供參考。

1 基于舒適度標(biāo)準(zhǔn)的高速鐵路隧道凈空面積研究方法

據(jù)以往研究成果[8]，當(dāng)其他參數(shù)不變而僅是隧道凈空面積變化時(shí)，車(chē)內(nèi)瞬變壓力對(duì)應(yīng)的最不利隧道長(zhǎng)度是不變的。由此確定基于舒適度標(biāo)準(zhǔn)的高速鐵路隧道凈空面積研究方法為： 首先，以現(xiàn)有規(guī)范規(guī)定的運(yùn)營(yíng)時(shí)速最接近的隧道凈空面積為基準(zhǔn)，計(jì)算列車(chē)通過(guò)不同長(zhǎng)度隧道時(shí)的車(chē)外瞬變壓力，同時(shí)根據(jù)不同列車(chē)動(dòng)態(tài)密封指數(shù)計(jì)算車(chē)內(nèi)瞬變壓力，并找出最不利隧道長(zhǎng)度；然后，改變隧道凈空面積計(jì)算車(chē)內(nèi)瞬變壓力，直至剛好滿足舒適度標(biāo)準(zhǔn)。

2 關(guān)于列車(chē)動(dòng)態(tài)密封指數(shù)的說(shuō)明

文獻(xiàn)[6]表明： 反映列車(chē)密封性能的指標(biāo)有準(zhǔn)靜態(tài)密封指數(shù)和動(dòng)態(tài)密封指數(shù)2種，并著重強(qiáng)調(diào)在隧道設(shè)計(jì)中對(duì)列車(chē)氣密性的衡量應(yīng)采用能夠真實(shí)反映列車(chē)-隧道動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中列車(chē)內(nèi)外的氣壓變化的動(dòng)態(tài)密封指數(shù)。文獻(xiàn)[6]同時(shí)給出了2種得到列車(chē)動(dòng)態(tài)密封指數(shù)的方法： 一種是通過(guò)整車(chē)全尺寸現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，根據(jù)車(chē)內(nèi)外氣壓曲線反推出列車(chē)的動(dòng)態(tài)密封指數(shù)；另一種為對(duì)一節(jié)車(chē)廂的準(zhǔn)靜態(tài)密封指數(shù)做1/3～1/2的折減來(lái)估算動(dòng)態(tài)密封指數(shù)，其中通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法得出的動(dòng)態(tài)密封指數(shù)較為準(zhǔn)確。文獻(xiàn)[9]在新建高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試試驗(yàn)中基于動(dòng)態(tài)密封指數(shù)的定義，在測(cè)得車(chē)內(nèi)外氣壓隨時(shí)間的變化曲線后，得到了列車(chē)的動(dòng)態(tài)密封指數(shù)。

3 既有高速鐵路隧道運(yùn)營(yíng)400 km/h列車(chē)的可能性分析

3.1 列車(chē)內(nèi)外瞬變壓力計(jì)算方法

列車(chē)內(nèi)外瞬變壓力的計(jì)算方法及驗(yàn)證見(jiàn)文獻(xiàn)[7]，本文不再贅述。

3.2 列車(chē)內(nèi)外瞬變壓力計(jì)算參數(shù)

3.2.1 隧道計(jì)算參數(shù)

我國(guó)既有運(yùn)營(yíng)速度最高的高速鐵路隧道為350 km/h。根據(jù)TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]，350 km/h單、雙線隧道凈空斷面面積分別為70、100 m2，對(duì)應(yīng)的斷面周長(zhǎng)分別為30.79、36.14 m。隧道壁面摩擦因數(shù)取為0.005，隧道長(zhǎng)度取為0.4～30 km。其中： 長(zhǎng)度小于5 km時(shí)，取0.1 km為一計(jì)算步長(zhǎng)；長(zhǎng)度在5～10 km時(shí)，取0.5 km為一計(jì)算步長(zhǎng)；長(zhǎng)度在10～20 km時(shí)，取2 km為一計(jì)算步長(zhǎng)；長(zhǎng)度在20～30 km時(shí)，取5 km為一計(jì)算步長(zhǎng)。

本文不考慮單個(gè)列車(chē)在雙線隧道中運(yùn)行的情況，因?yàn)榱熊?chē)在雙線隧道內(nèi)交會(huì)運(yùn)行時(shí)的車(chē)內(nèi)瞬變壓力顯然要大一些。列車(chē)在隧道中交會(huì)位置不同，車(chē)內(nèi)瞬變壓力也不相同。根據(jù)文獻(xiàn)[10]可知，列車(chē)在隧道中點(diǎn)交會(huì)時(shí)車(chē)內(nèi)瞬變壓力最大，因此取中點(diǎn)交會(huì)這一種工況進(jìn)行計(jì)算。

3.2.2 列車(chē)計(jì)算參數(shù)

選取CRH3型動(dòng)車(chē)組為研究對(duì)象。短編組列車(chē)長(zhǎng)度為200 m，長(zhǎng)編組列車(chē)長(zhǎng)度為400 m。車(chē)速取為400 km/h，列車(chē)斷面面積取為11.6 m2，斷面周長(zhǎng)取為12.74 m，車(chē)體表面摩擦因數(shù)取為0.004 5，車(chē)頭壓力損失系數(shù)取為0.060，車(chē)尾壓力損失系數(shù)取為阻塞比的平方，列車(chē)動(dòng)態(tài)密封指數(shù)取為0～25 s，其中1 s為一計(jì)算步長(zhǎng)。

3.2.3 其他計(jì)算參數(shù)

空氣密度取為1.225 kg/m3，空氣比熱比取為1.4，聲速取為340 m/s，隧道洞口氣壓損失系數(shù)取為0.5，隧道洞口大氣壓取為101 325 Pa。

3.2.4 舒適度標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)鐵建設(shè)[2007]88號(hào)《鐵路隧道設(shè)計(jì)施工有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)充規(guī)定》[11]，當(dāng)線路中隧道所占比例大于25%或通過(guò)隧道大于4座/h時(shí)，單、雙線隧道對(duì)應(yīng)的舒適度標(biāo)準(zhǔn)分別為0.8、1.25 kPa/3 s。

3.3 計(jì)算結(jié)果與分析

列車(chē)車(chē)速為400 km/h時(shí)，短編組列車(chē)(車(chē)長(zhǎng)200 m)和長(zhǎng)編組列車(chē)(車(chē)長(zhǎng)400 m)在單線隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)不同隧道長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的車(chē)內(nèi)瞬變壓力最大值(車(chē)頭、車(chē)尾)分別見(jiàn)圖1和圖2。

(a) 車(chē)頭

(b) 車(chē)尾

圖1短編組列車(chē)通過(guò)單線隧道時(shí)的車(chē)內(nèi)瞬變壓力

Fig. 1 Internal transient pressure when short marshaling trains pass through single-line tunnels

(a) 車(chē)頭

(b) 車(chē)尾

圖2長(zhǎng)編組列車(chē)通過(guò)單線隧道時(shí)的車(chē)內(nèi)瞬變壓力

Fig. 2 Internal transient pressure when long marshaling trains pass through single-line tunnels

列車(chē)車(chē)速為400 km/h時(shí)，短編組列車(chē)(車(chē)長(zhǎng)200 m)和長(zhǎng)編組列車(chē)(車(chē)長(zhǎng)400 m)在雙線隧道內(nèi)中點(diǎn)交會(huì)運(yùn)行時(shí)不同隧道長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的車(chē)內(nèi)瞬變壓力(車(chē)頭、車(chē)尾)分別見(jiàn)圖3和圖4。

(a) 車(chē)頭 (b) 車(chē)尾

圖3短編組列車(chē)中點(diǎn)交會(huì)通過(guò)雙線隧道時(shí)的車(chē)內(nèi)瞬變壓力

Fig. 3 Internal transient pressure when short marshaling trains operating in opposite directions and meet at middle of double-line tunnels

(a) 車(chē)頭

(b) 車(chē)尾

圖4長(zhǎng)編組列車(chē)中點(diǎn)交會(huì)通過(guò)雙線隧道時(shí)的車(chē)內(nèi)瞬變壓力

Fig. 4 Internal transient pressure when long marshaling trains operating in opposite directions and meet at middle of double-line tunnels

不同動(dòng)態(tài)密封指數(shù)下400 km/h的短、長(zhǎng)編組列車(chē)在350 km/h單、雙線隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)對(duì)應(yīng)的車(chē)內(nèi)瞬變壓力見(jiàn)表1—4。

由表1—4可知，350 km/h高速鐵路隧道以400 km/h運(yùn)營(yíng)時(shí)，列車(chē)所需的動(dòng)態(tài)密封性能要求如表5所示。

表1 單線隧道列車(chē)車(chē)內(nèi)瞬變壓力(車(chē)長(zhǎng)200 m)

表2 單線隧道列車(chē)車(chē)內(nèi)瞬變壓力(車(chē)長(zhǎng)400 m)

表3雙線隧道中點(diǎn)交會(huì)列車(chē)車(chē)內(nèi)瞬變壓力(車(chē)長(zhǎng)200m)

Table 3 Internal transient pressure when trains operate in opposite directions and meet at middle of double-line tunnels (train length of 200 m)

隧道凈空面積計(jì)算基準(zhǔn)/m2動(dòng)態(tài)密封指數(shù)/s最不利隧道長(zhǎng)度/m位置瞬變壓力最大值/(kPa/3 s)動(dòng)態(tài)密封指數(shù)/s最不利隧道長(zhǎng)度/m位置瞬變壓力最大值/(kPa/3 s)1000600車(chē)頭12.49131 400車(chē)頭1.231700車(chē)頭7.43141 400車(chē)頭1.1521 000車(chē)頭5.13151 400車(chē)頭1.0831 200車(chē)頭3.94161 400車(chē)頭1.0241 200車(chē)頭3.24171 400車(chē)頭0.9651 300車(chē)頭2.75181 400車(chē)頭0.9161 300車(chē)頭2.39191 400車(chē)頭0.8771 300車(chē)頭2.11201 400車(chē)頭0.8381 300車(chē)頭1.89211 400車(chē)頭0.7991 300車(chē)頭1.71221 400車(chē)頭0.76101 300車(chē)頭1.56231 400車(chē)頭0.73111 400車(chē)頭1.43241 400車(chē)頭0.70121 400車(chē)頭1.32251 400車(chē)頭0.67

表4雙線隧道中點(diǎn)交會(huì)列車(chē)車(chē)內(nèi)瞬變壓力(車(chē)長(zhǎng)400m)

Table 4 Internal transient pressure when trains operate in opposite directions and meet at middle of double-line tunnels (train length of 400 m)

隧道凈空面積計(jì)算基準(zhǔn)/m2動(dòng)態(tài)密封指數(shù)/s最不利隧道長(zhǎng)度/m位置瞬變壓力最大值/(kPa/3 s)動(dòng)態(tài)密封指數(shù)/s最不利隧道長(zhǎng)度/m位置瞬變壓力最大值/(kPa/3 s)10001 200車(chē)頭14.24137 000車(chē)頭1.6211 200車(chē)頭11.08147 000車(chē)頭1.5121 300車(chē)頭8.04157 000車(chē)頭1.4131 300車(chē)頭6.06169 500車(chē)頭1.3341 300車(chē)頭4.78179 500車(chē)頭1.2551 400車(chē)頭3.92189 500車(chē)頭1.1961 400車(chē)頭3.33199 500車(chē)頭1.1271 400車(chē)頭2.88209 500車(chē)頭1.0781 400車(chē)頭2.53219 500車(chē)頭1.0296 500車(chē)頭2.27229 500車(chē)頭0.97106 500車(chē)頭2.07239 500車(chē)頭0.93116 500車(chē)頭1.89249 500車(chē)頭0.89127 000車(chē)頭1.752510 000車(chē)頭0.85

表5350km/h高速鐵路隧道以400km/h運(yùn)營(yíng)時(shí)對(duì)應(yīng)的列車(chē)密封性能要求

Table 5 Dynamic airtightness requirements for trains operating in 350 km/h high-speed railway tunnel at 400 km/h

車(chē)長(zhǎng)/m列車(chē)動(dòng)態(tài)密封指數(shù)要求/s單線隧道雙線隧道中點(diǎn)交會(huì)200≥16≥13400≥22≥17

由表5可知: 短編組列車(chē)通過(guò)單線隧道或中點(diǎn)交會(huì)通過(guò)雙線隧道時(shí)所需動(dòng)態(tài)密封指數(shù)要求分別為不小于16 s和不小于13 s；長(zhǎng)編組列車(chē)所需動(dòng)態(tài)密封指數(shù)要求分別為不小于22 s和不小于17 s。在實(shí)際行車(chē)調(diào)度中，采用長(zhǎng)編組列車(chē)不可避免。因此可認(rèn)為，從舒適度標(biāo)準(zhǔn)角度考慮，列車(chē)密封性能要求是由長(zhǎng)編組列車(chē)通過(guò)單線隧道控制的，現(xiàn)有350 km/h高鐵隧道中運(yùn)行400 km/h列車(chē)時(shí)對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)密封指數(shù)應(yīng)不小于22 s。

按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[12]，350 km/h動(dòng)車(chē)組的準(zhǔn)靜態(tài)密封指數(shù)要求為不小于50 s。由第2節(jié)關(guān)于列車(chē)動(dòng)態(tài)密封指數(shù)的說(shuō)明可知，列車(chē)動(dòng)態(tài)密封指數(shù)可認(rèn)為是準(zhǔn)靜態(tài)密封指數(shù)的1/3～1/2，這樣可得出350 km/h動(dòng)車(chē)組的估算動(dòng)態(tài)密封指數(shù)為18～25 s。同樣,通過(guò)對(duì)車(chē)內(nèi)瞬變壓力的計(jì)算發(fā)現(xiàn)(見(jiàn)表6)，現(xiàn)有350 km/h高鐵隧道內(nèi)運(yùn)行350 km/h列車(chē)時(shí)，對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)密封指數(shù)為不小于18 s，與依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)得出的估算動(dòng)態(tài)密封指數(shù)下限值恰好相符，而上限值預(yù)留了相對(duì)足夠的空間，對(duì)應(yīng)列車(chē)密封性能隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增長(zhǎng)而下降這一客觀事實(shí)。

表6350km/h高速鐵路隧道以350km/h運(yùn)營(yíng)時(shí)對(duì)應(yīng)的列車(chē)密封性能要求

Table 6 Dynamic airtightness requirements for trains operating in 350 km/h high speed rail tunnel at 350 km/h

車(chē)長(zhǎng)/m列車(chē)動(dòng)態(tài)密封指數(shù)要求/s單線隧道雙線隧道中點(diǎn)交會(huì)200≥12≥10400≥18≥14

國(guó)內(nèi)現(xiàn)無(wú)針對(duì)400 km/h動(dòng)車(chē)組密封性能的標(biāo)準(zhǔn)。但顯然，對(duì)現(xiàn)有350 km/h列車(chē)密封性能標(biāo)準(zhǔn)而言，22 s這個(gè)動(dòng)態(tài)密封指數(shù)要求較高，超過(guò)了估算動(dòng)態(tài)密封指數(shù)的下限值，接近估算動(dòng)態(tài)密封指數(shù)的上限值，沒(méi)有預(yù)留足夠的下降空間。因此，從舒適度標(biāo)準(zhǔn)的角度而言，現(xiàn)役350 km/h列車(chē)在既有隧道內(nèi)以400 km/h運(yùn)營(yíng)存在較大風(fēng)險(xiǎn)，列車(chē)的密封性能可能在出廠時(shí)就達(dá)不到要求，或者運(yùn)營(yíng)一段較短的時(shí)間后密封性能下降使得車(chē)內(nèi)瞬變壓力超標(biāo)。

4 對(duì)400 km/h高速鐵路隧道凈空面積的探討

在現(xiàn)有列車(chē)密封水平的前提下，為降低400 km/h列車(chē)在隧道內(nèi)運(yùn)營(yíng)時(shí)車(chē)內(nèi)瞬變壓力超標(biāo)的可能，有必要對(duì)現(xiàn)有350 km/h隧道凈空面積進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)第1節(jié)提出的基于舒適度標(biāo)準(zhǔn)的高速鐵路隧道凈空面積研究方法，以既有350 km/h隧道凈空斷面為基準(zhǔn)，首先計(jì)算得出不同動(dòng)態(tài)密封指數(shù)(不超過(guò)22 s)的長(zhǎng)編組列車(chē)通過(guò)最不利長(zhǎng)度單線隧道(最不利長(zhǎng)度數(shù)值見(jiàn)表2)時(shí)的車(chē)內(nèi)瞬變壓力在滿足隧道舒適度標(biāo)準(zhǔn)的前提下,對(duì)應(yīng)的列車(chē)動(dòng)態(tài)密封指數(shù)要求以及對(duì)應(yīng)的單線隧道凈空面積，然后保持列車(chē)動(dòng)態(tài)密封指數(shù)不變，計(jì)算長(zhǎng)編組列車(chē)在雙線隧道內(nèi)中點(diǎn)交會(huì)運(yùn)行時(shí)滿足隧道舒適度標(biāo)準(zhǔn)的雙線隧道凈空面積。值得注意的是，從經(jīng)濟(jì)性考慮，本次研究假定隧道凈空面積上限為單線90 m2、雙線120 m2。

400 km/h長(zhǎng)編組列車(chē)在滿足舒適度標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上對(duì)應(yīng)的單、雙線隧道凈空面積如表7所示。由于動(dòng)態(tài)密封指數(shù)小于14 s后，單、雙線隧道凈空面積超出研究假定，故未列出。

表7 滿足舒適度標(biāo)準(zhǔn)前提下的400 km/h單、雙線隧道凈空面積

可見(jiàn)，在保持現(xiàn)有列車(chē)密封水平的前提下，即取列車(chē)動(dòng)態(tài)密封指數(shù)為350 km/h列車(chē)估算動(dòng)態(tài)密封指數(shù)下限值18 s時(shí)，對(duì)應(yīng)的400 km/h單、雙線隧道凈空面積建議值分別為84、94 m2。為方便設(shè)計(jì)，將單、雙線隧道凈空面積分別放大到85、100 m2，這樣就可以保持現(xiàn)有350 km/h雙線隧道凈空面積不變，僅對(duì)相應(yīng)時(shí)速單線隧道凈空面積進(jìn)行調(diào)整即可。由于在推薦隧道凈空面積以400 km/h運(yùn)營(yíng)時(shí)對(duì)列車(chē)密封要求與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中350 km/h列車(chē)估算動(dòng)態(tài)密封指數(shù)的下限值一致，車(chē)內(nèi)瞬變壓力超標(biāo)的可能性大幅降低。

5 結(jié)論與建議

以舒適度標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，從列車(chē)內(nèi)部瞬變壓力角度出發(fā)討論了既有高速鐵路隧道運(yùn)營(yíng)400 km/h列車(chē)的可能性，提出了400 km/h隧道凈空斷面建議值。結(jié)論與建議如下：

1)現(xiàn)有350 km/h高鐵隧道中運(yùn)行400 km/h列車(chē)時(shí)對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)密封指數(shù)最低要求為22 s，接近現(xiàn)有350 km/h列車(chē)估算動(dòng)態(tài)密封指數(shù)的上限值，沒(méi)有預(yù)留足夠的下降空間，車(chē)內(nèi)瞬變壓力超標(biāo)的可能性較大。

2)400 km/h單、雙線隧道凈空面積建議值分別為85、100 m2，對(duì)應(yīng)的列車(chē)動(dòng)態(tài)密封指數(shù)為18 s，與現(xiàn)有350 km/h列車(chē)估算動(dòng)態(tài)密封指數(shù)的下限值一致，車(chē)內(nèi)瞬變壓力超標(biāo)的可能性大幅降低。

3)為使列車(chē)在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)后仍能保持足夠的密封性，建議加強(qiáng)對(duì)列車(chē)動(dòng)態(tài)密封指數(shù)的定期監(jiān)測(cè)，并保證及時(shí)進(jìn)行檢修維護(hù)。

本文提出的400 km/h高速鐵路隧道凈空面積建議值僅考慮車(chē)內(nèi)瞬變壓力這一指標(biāo)，未開(kāi)展其他氣動(dòng)效應(yīng)指標(biāo)(如車(chē)體內(nèi)外壓差、微氣壓波、空氣阻力、列車(chē)風(fēng)和氣動(dòng)荷載等)的匹配性研究，也未考察線路條件和隧道結(jié)構(gòu)對(duì)隧道凈空斷面的影響，在今后的研究中有必要對(duì)這些因素進(jìn)行深入探討。