双连拱S形互通隧道减缓隧道压力波的设计构想

当高速列车快速驶入隧道时会产生一系列的空气动力学效应。本文从弧形曲面的缓冲效果出发,提出采用双连拱S形互通隧道设计,以增大隧道内空气流动空间,减小列车气动阻力,很大程度的减缓会车时产生的隧道压力波效应。同时,本文结尾还提出了将这种设计构想用于今后铁路交通线

双连拱S形互通隧道减缓隧道压力波的设计构想

王中钢，黄学猛

中南大学交通运输工程学院，长沙 （410075）

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摘 要：当高速列车快速驶入隧道时会产生一系列的空气动力学效应。本文从弧形曲面的缓冲效果出发，提出采用双连拱S形互通隧道设计，以增大隧道内空气流动空间，减小列车气动阻力，很大程度的减缓会车时产生的隧道压力波效应。同时，本文结尾还提出了将这种设计构想用于今后铁路交通线路建设的实际，给空气动力学问题的解决以及列车隧道内行驶时强大噪声的有效降低提供了参考之策。

关键词：S型连通双拱隧道，空气动力，活塞效应，缓冲，降噪

中图分类号 U25

1. 问题的提出

随着列车速度的提高，列车进入隧道时，会产生一系列有关空气动力方面的附加效应问题，隧道内压力波，微气压波等的产生与隧道的结构、工况、隧道长度和列车行驶速度有很大的关系。由于列车的高速驶入隧道，如同活塞在汽缸内快速抽动一样，空气被急剧压缩，给列车头尾，车身表面带来很大的阻滞作用。由于车体的非严谨气密性，压力波通过车厢体传递给旅客、司机，造成强烈的不舒适感，过大的压力波能震碎车窗玻璃、吸下车上物品、加剧列车横向摆动，甚至会损坏车体结构以及磁悬浮列车的导向机构，严重影响行车安全[1]。当高速列车在两铁路道轨线间距较小的区段交会时这种现象尤为明显[2]。

1.1、隧道压力波的产生

列车在隧道中行驶时，列车表面的摩擦阻力主要是由处于列车与隧道环行间隙之间的环流作用产生的，列车可看成是内环，隧道壁面则是外环。单轨时可看成两个同心环，双轨或与隧道壁面不等时，则可看成偏心环。这种环流是空气在列车头尾空气压差和车体带动的双重作用下产生的流动，它的强弱直接影响摩擦阻力的大小。另外，列车在隧道中行驶时，在列车头部产生很大的正压区，而在列车尾部会出现负压区，从而使压差阻力很大程度地增加。

1.2、影响隧道效应的关键因素分析

国家根据高速列车在隧道内行驶所引起的一系列附加效应问题，制定了相关的规定，其中最能反应列车隧道效应的参数就是列车隧道压力波幅值P的大小。会车压力波可以用最大压力波动幅值 Ptmax Ptmax)来表示，Ptmax和 Ptmax 分别表示压力波的最大正半波幅t(P

值和压力波的最小负半波幅值。也可用会车压力波的系数 △Cp(△Pt/0.5*ρV2 )与压力两峰值之间的距离△Xp 来表示，△Xp 主要取决于车头的长度Ll ,其值一般在（1—1.5）之间。

提出了一个计算会车压力波幅系数的经验公式为： Steinheur综合理论分析与试验结果[3][4]后，

V10.77(1+0.25)3.46 λ Cp=+[10.65 ** y δ2 y δ2(1+)(1+)RdRd+ +

y δ*

本文令b=1+Rd

当高速列车快速驶入隧道时会产生一系列的空气动力学效应。本文从弧形曲面的缓冲效果出发,提出采用双连拱S形互通隧道设计,以增大隧道内空气流动空间,减小列车气动阻力,很大程度的减缓会车时产生的隧道压力波效应。同时,本文结尾还提出了将这种设计构想用于今后铁路交通线

式中λ——车头部分长细比；

y——列车会车时两列车侧壁的间距；

δ*——列车侧壁的边界层位移厚度；

Rd——列车横断面的水力半径；

V1、V2——被测列车和通过列车的行驶速度。

式中公式仅适应于列车明线行驶时的压力波特性。

然而，通过对比分析，列车运行在隧道中所产生的空气压力特性要比明线运行时复杂得多。为简化运算，本文采用近似处理，设有如下关系成立：

f(Cp)=K*g( Cp)

式中：K为取值系数。

即隧道内的会车压力波与明线会车压力波存在一定的函数关系，不同的隧道工况，车行速度K的取值不同。

由上式可知：影响隧道会车压力波大小的因素主要有以下几种[5]：

a）两会车列车的相对速度V1 、V2

b）路轨间的线间距b;

c）列车头部及尾部的形状和长细比λ；

从Steinheur经验公式及其演变公式，只要改变以上的三个因素中的列车相对运行速度V1 、V2，路轨间的线间距b，列车头部及尾部的形状和长细比λ，就能很大程度地达到减小隧道会车压力波幅值的目的。

2. 双连拱互通隧道的工作原理和解决上述问题的方案

2.1 多种结构设计的比较

我们在设计的过程中，最终选择了S形隧道设计（图3示）是在和横通(图1示)与斜通(图2示)两种隧道结构的比较上得出的：

图1

横通隧道设计 图2 斜通隧道设计

当高速列车快速驶入隧道时会产生一系列的空气动力学效应。本文从弧形曲面的缓冲效果出发,提出采用双连拱S形互通隧道设计,以增大隧道内空气流动空间,减小列车气动阻力,很大程度的减缓会车时产生的隧道压力波效应。同时,本文结尾还提出了将这种设计构想用于今后铁路交通线

图3 S形通道设计 图4 隧道空气速度分解关系图

如图4隧道空气速度分解关系图所示：设列车行驶方向为y轴方向,互通隧道方向为x轴方向。由速度分解的关系,我们可以发现，当列车高速驶入隧道时，空气被急剧压缩，随车前行，其方向与y轴方向相同。由于速度的分解要实现横向得到一个较大的速度V1比斜向困难的多，自然空气要从横向流通也较困难。基于S形的设计，不仅是

在速度分量上满足要求，同时，弧形空间相当于增大了空气之间的沿程阻

力，给空气以更大的流通空间。

图5是S

形通道设计空气流通速度分解图。从能量和缓冲的理论出发，

我们可以知道，当速度分解后遇到弧形曲面时,速度会随自由曲面而逐渐

改变方向，速度的“漫反射”的存在，使得空气在通过S形双通道后，速度

得到很大程度的降低，缓和条件下的速度对弧形面产生的作用力也相对要

小，可有效减小隧道内噪声的产生及缓和。 V2

图5 S通道速度分解关系图 V1 V 2.2 S形互通隧道的结构

基于列车隧道高速行驶过程中所带来的一系列附加空气动力学问题，由Steinheur综合理论分析与试验结果，通过改变行车间距和隧道内空气滞留量，可以很大程度地减缓隧道内空气压力波的幅值。基于圆弧缓冲结构特性，当流体流动过程中遇到圆弧曲面时，流体会根据自由圆弧曲面的路径有向流通。

通过以上生活模型和模拟实验证实，结合现有隧道的结构形式，提出采用以下结构形式的双连拱互通隧道结构设计构想，如图6、图7示：

图6 S形隧道设计立体效果图 隧道中间层 图7 S形隧道设计俯视效果图

其工作原理分单车隧道运行和双车隧道会车两种情况考虑：

当高速列车快速驶入隧道时会产生一系列的空气动力学效应。本文从弧形曲面的缓冲效果出发,提出采用双连拱S形互通隧道设计,以增大隧道内空气流动空间,减小列车气动阻力,很大程度的减缓会车时产生的隧道压力波效应。同时,本文结尾还提出了将这种设计构想用于今后铁路交通线

2.3 单车隧道运行

当单列车高速运行在隧道内时，被压缩的空气可

以快速通过中间层圆弧S形通道快速排入另一隧道，大

大增加了隧道内的空气流通，减缓了列车运行时受到

的空气滞抗和附加阻力；同时，相当于增大了隧道侧

壁的有限空间，使得被列车挤压的空气不再被隧道侧

壁的有限空间压缩而向车尾运动，减弱了压缩波对车

尾的影响，大大降低了膨胀波的存在。

最为关键的是，

大大减小了列车头部的正向压力和头尾压力差，让列车的运行更加平稳。图8给出了单车运隧道运行时的空

气流通图解。 图8 单车隧道运行时空气流通示意图

2.4 双车隧道会车

如图9示：在隧道双车会车的过程中，两辆高速列车产生的附加压力波通过隧道中间层隔开，相当于大大增加了两高速列车运行间的间距b，由 Cp与b的反平方关系，b值减小，△P的值大大减小。

隧道中间层的存在，相当于两车之间引入了阻隔物，使两车高速运行时，空气相互接触的程度大大减小，空气之间相互存在的膨胀效应得到疏通，减缓两车的相互压力效应，大大延缓了压力幅值上升的时间。

中间层互通圆弧S通道的存在，Ⅰ通道和Ⅱ通道

之间的空气可以相互流通，两车交会时，产生的高空

气压力波可以通过互通圆弧S通道到达另一通道，并在

流通过程中，由于圆弧面的有效缓冲结构的存在，被

急剧压缩空气到达另一通道时，流速得到很大程度的

降低，膨胀效应减小，减缓了瞬时压力对两车的瞬时

高强度作用。

3. 双连拱互通隧道与竖井结构的比较

3.1 排气竖井的工作情况与不足 图9双车隧道会车空气流通原理图

大量实验研究表明，竖井的存在能够一定程度上减缓隧道内因列车高速驶入隧道，瞬时压缩空气对列车产生的阻滞作用，其主要工作原理是利用竖井，增大空气流通，减缓瞬时空气压缩。但是，其效果并不十分明显，尤其对于高速趋势化的现今中国铁路的发展，有很大程度的限制性[6]。参考北京交通大学土木学院骆建军教授等著写的《高速列车穿越有竖井隧道流场的特性研究》一文[7]可知：

竖井的存在,无论是从竖井的开挖位置、数目还是断面积的变化来看,只是改变了压缩波的波前形状,将初始压缩波分成几个较弱的波。因而使得隧道内的压力变化的最大值在一定程度上有所降低,能够在一定程度上降低隧道内的压力梯度最大值,但它并不能延长压力上升的时间。 在隧道内开挖通风竖井或者躲避洞室是减缓隧道压力波的一种初具成效的辅助措施,但是它对隧道内的微气压波的降压效果不如缓冲结构明显。

竖井断面积的变化和竖井位置的改变均受影响,在某一确定长度的隧道中,总存在着一个

当高速列车快速驶入隧道时会产生一系列的空气动力学效应。本文从弧形曲面的缓冲效果出发,提出采用双连拱S形互通隧道设计,以增大隧道内空气流动空间,减小列车气动阻力,很大程度的减缓会车时产生的隧道压力波效应。同时,本文结尾还提出了将这种设计构想用于今后铁路交通线

最佳的位置,在这个位置的竖井具有最佳的降压效果，然而，隧道的开挖要依据一定的地理条件，地势条件，不能做到最佳位置开挖。

3.2 双连拱互通隧道相对竖井的优势

1、中间层互通结构的存在，使两个隧道互相连通，单车隧道运行时，相当将其“大竖井”化，可以很好的起到泄压的效果。

2、多连通孔的存在，使的隧道与空气形成多个循环圈，利用空气的循环流通。

4. 双连拱互通隧道的现实意义和应用前景

随着我国改革开放的深入，市场经济的发育和成长，全国铁路大提速已经成为广大人民群众和铁路员工的心愿，现在全国铁路第六次大提速已颇具成效，旅客列车速度的目标值要答到300km/h，货运列车的速度目标值要达到120km/h，列车速度的不断提高使其空气动力学效应会更加明显，高速情况下的隧道问题将会越来越严峻。更高速度的出现，将会对隧道结构提出更高的要求。基于双连拱互通隧道的结构形式和优点，其发展情景可观，主要体现在以下几个方面：

4.1 现有双隧道的改进

基于现有的铁路现状，双连拱互通隧道对于减缓隧道压力有广泛的现实意义，为适应铁路的全面提速的要求，为进一步减小列车进入隧道所受到的空气阻力，可以在个别地区因地质条件，地理位置等许多限制条件下不得不采用双拱设计的较长隧道改造为双拱S型互通式，使现有两隧道相互利用，增大隧道内的空气流动空间，减小空气阻滞作用，如对秦岭双隧道的改进。

4.2 利于减小噪声

S通道中间的空气体积相对较大,且速度相比隧道内的低,由于空气在压缩膨胀的过程中,部分空气进入S缓冲通道中,反复压缩振荡的空气得以部分排减,减小了噪声的产生与传递。同时,流速较低的通道侧壁可以涂抹大量的吸声材料,增加噪声的吸收程度。

4.3 对单拱大跨度隧道的改进

这种隧道的跨度较大，空间也相对较大，但当在隧道内会车时，会车压力波的幅值确有很大的变化，对列车的影响也非常的明显，为此可以在这种隧道的中间适当的位置加筑带有S型曲面通道的中间墙，中间墙的高度、宽度和间距可以由每个隧道的特点来确定，这样就可以有效的缓冲隧道内会车的空气压力，而单车驶入时，同样还拥有很大的流动空间。

4.4 新建铁路的应用

随着铁路网的进一步建设，必然会增加新的铁路隧道，为适应高速化铁路的建设步伐，缓解当前既有线铁路的压力，新建铁路干线与既有线平行修建的趋势已成为可能之策。当新的隧道与原有隧道平行修建时，我们可以将新的隧道与原有隧道开通，而建成双拱互通，这样对原有隧道的空气压力问题有很好的解决，对新的隧道也有同样的效果。

5. 结论

⑴、双连拱互通隧道理论简单，原理清晰，设计容易，是一种新型的隧道设计思想，具有现

当高速列车快速驶入隧道时会产生一系列的空气动力学效应。本文从弧形曲面的缓冲效果出发,提出采用双连拱S形互通隧道设计,以增大隧道内空气流动空间,减小列车气动阻力,很大程度的减缓会车时产生的隧道压力波效应。同时,本文结尾还提出了将这种设计构想用于今后铁路交通线

实性和创新性。

⑵、双连拱互通隧道相比竖井而言有很大的开挖优势，对地理条件地质要求较小，可变度较

大，相对竖井较好，通风排气性能更佳。

⑶、双连拱互通隧道不仅是在既有双拱隧道（如秦岭大隧道）上的连通，其设计构想也是对

大跨度单拱隧道的一种创新，还能起到一定的降低隧道内噪声的效果。同时，在既有线上的高速化的铁路网建设，很多新线路隧道与既有线隧道之间并行时，采用S形双连拱互通设计对现今列车高速行驶下的空气动力学问题的解决提供了参考之策。

参考文献

[1] 田红旗,卢执中.列车交会压力波的影响因素分析[J]，铁道学报,2001,23（4）： 17-20

[2] 田红旗.列车交会压力波研究[D],中国空气动力研究与发展中心博士学位论文，1999，12

[3] Steinbeuer J.Calculation of unsteady pressures during passing and tunnel entrance of trains.ASME

Aerodynamics of transportation.18-20.6.1979,177-191

[4] Steinruck P,Sockl H.Further calculations on transient pressure alleviation and simplified formulae for initial

tunnel design.5 th ISAWT BHRA,1985

[5] Tatsuo Maeda.Model experiments on micro-pressure wave radiating from shinkansen tunnel .J.of Wind

Engineering,1987,78:31-34

[6] 华茂崐.《中国铁路提速之路》[M]，北京,中国铁道出版社，2002月第1版。

[7] 骆建军（北京交通大学土木学院），王梦恕,高波,等.高速列车穿越有竖井隧道流场的特性研究[J]， 计

算力学学报 .2006,04-0464-06

Analying The Fuctoin Of The Double Connects Arch

Mutual Communication Tunnel Of The Construction In Air

Press Wave

Wang zhonggang，Huang xuemeng

Centry South University School Traffic & Transportation Engineering，Changsha（410075）

Abstract

When driving quickly into tunnel the high-speed railroad train will produce a series of aerodynamicist effects. When the single row railroad train enters the tunnel，because being subjected to four restricts of the walls of tunnel，the air in the tunnel will be compressed seriously. With the railroad train going continuously，the function of block of the air strengthened，as well as the gradual aggrandizement of resistance. When trains meet inside tunnel this kind of phenomenon is more obvious，and the stronger meeting car pressure will exist in both the two trains at the same time. The pressure wave inside the tunnel is related with the trains’ speed，the working condition of the tunnel，and the digging condition of silos. This article shows two simple theories: the living actuality in the familiar free arc curved face buffer air current velocity，and the silo ventilated row spirit decrease the ratio of the air

compression，quoting from double connects arch mutual communication tunnel of the construction in the whole country which has already been designed now. It has the capacity of changing the structure of the layer inside tunnel，which adopts the connecting of double connects arch mutual communication tunnel design，to enlarge the air current space inside the tunnel，to lower the block of the air when trains meet in different tunnel，at different speed or at different position，which will lower the air resistance when two trains meet. At the time of making a speculation design，this artical analyze the structure of silo which has the similar function and compare superiority of the double connects arch mutual

communication tunnel to the silo. Simultaneously，at the end of this article the author puts forward that this design could be used in the railway construction practically。

Keywords：Connecting of double connects arch mutual communication tunnel design，piston effect，Air dynamics，Amortization

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/qcz1.html