基于车内瞬变压力变化的400 km/h高速铁路隧道净空面积探讨

史宪明， 吴 剑, ， 万晓燕， 陈洋宏

(1. 中铁西南科学研究院有限公司， 四川 成都 611731； 2. 中国铁道科学研究院集团有限公司， 北京 100081)

0 引言

长期以来，由于列车运营速度较低，隧道空气动力学效应在我国一直未引起足够重视。随着客运专线及高速铁路的大量开通，国内学者相继开展了高速铁路隧道空气动力学效应研究工作[1-4]，并参考国外关于高速铁路隧道净空面积的相关标准，提出速度目标值为200～350 km/h时隧道净空面积建议值并纳入规范[5]。为推进中国高速铁路隧道技术标准深化研究，国内已经开展400 km/h隧道空气动力学效应的基础研究工作，以期为列车进一步提速做好理论准备，其中一项重要的研究内容为对应速度目标值下的隧道净空面积。

文献[6]有关条款规定，高速铁路隧道断面尺寸的确定最重要的考量因素就是列车内瞬变压力的变化能否符合乘客舒适度标准。因此，确定高速铁路隧道净空面积时除考虑隧道建筑限界和机车车辆限界外，还需重点关注列车通过隧道时的车内瞬变压力是否超标，文献[7]正是基于此对我国城际铁路隧道净空断面进行讨论。然而，目前国内外学者对400 km/h列车通过隧道时的车内瞬变压力变化规律研究较少，尚未有结合我国现役列车密封性能根据舒适度标准提出400 km/h高速铁路隧道净空面积建议值的文献。

本文从列车车内瞬变压力入手，首先建立基于舒适度标准的高速铁路隧道净空面积确定方法，随后通过计算和分析讨论了现有350 km/h隧道运营400 km/h列车的可能性，而后提出400 km/h隧道净空断面建议值。文中提出的400 km/h高速铁路隧道净空面积建议值和对应的密封性能要求可为有关标准、规范的制订提供参考。

1 基于舒适度标准的高速铁路隧道净空面积研究方法

据以往研究成果[8]，当其他参数不变而仅是隧道净空面积变化时，车内瞬变压力对应的最不利隧道长度是不变的。由此确定基于舒适度标准的高速铁路隧道净空面积研究方法为： 首先，以现有规范规定的运营时速最接近的隧道净空面积为基准，计算列车通过不同长度隧道时的车外瞬变压力，同时根据不同列车动态密封指数计算车内瞬变压力，并找出最不利隧道长度；然后，改变隧道净空面积计算车内瞬变压力，直至刚好满足舒适度标准。

2 关于列车动态密封指数的说明

文献[6]表明： 反映列车密封性能的指标有准静态密封指数和动态密封指数2种，并着重强调在隧道设计中对列车气密性的衡量应采用能够真实反映列车-隧道动态系统中列车内外的气压变化的动态密封指数。文献[6]同时给出了2种得到列车动态密封指数的方法： 一种是通过整车全尺寸现场试验，根据车内外气压曲线反推出列车的动态密封指数；另一种为对一节车厢的准静态密封指数做1/3～1/2的折减来估算动态密封指数，其中通过现场试验的方法得出的动态密封指数较为准确。文献[9]在新建高速铁路联调联试试验中基于动态密封指数的定义，在测得车内外气压随时间的变化曲线后，得到了列车的动态密封指数。

3 既有高速铁路隧道运营400 km/h列车的可能性分析

3.1 列车内外瞬变压力计算方法

列车内外瞬变压力的计算方法及验证见文献[7]，本文不再赘述。

3.2 列车内外瞬变压力计算参数

3.2.1 隧道计算参数

我国既有运营速度最高的高速铁路隧道为350 km/h。根据TB 10621—2014《高速铁路设计规范》[5]，350 km/h单、双线隧道净空断面面积分别为70、100 m2，对应的断面周长分别为30.79、36.14 m。隧道壁面摩擦因数取为0.005，隧道长度取为0.4～30 km。其中： 长度小于5 km时，取0.1 km为一计算步长；长度在5～10 km时，取0.5 km为一计算步长；长度在10～20 km时，取2 km为一计算步长；长度在20～30 km时，取5 km为一计算步长。

本文不考虑单个列车在双线隧道中运行的情况，因为列车在双线隧道内交会运行时的车内瞬变压力显然要大一些。列车在隧道中交会位置不同，车内瞬变压力也不相同。根据文献[10]可知，列车在隧道中点交会时车内瞬变压力最大，因此取中点交会这一种工况进行计算。

3.2.2 列车计算参数

选取CRH3型动车组为研究对象。短编组列车长度为200 m，长编组列车长度为400 m。车速取为400 km/h，列车断面面积取为11.6 m2，断面周长取为12.74 m，车体表面摩擦因数取为0.004 5，车头压力损失系数取为0.060，车尾压力损失系数取为阻塞比的平方，列车动态密封指数取为0～25 s，其中1 s为一计算步长。

3.2.3 其他计算参数

空气密度取为1.225 kg/m3，空气比热比取为1.4，声速取为340 m/s，隧道洞口气压损失系数取为0.5，隧道洞口大气压取为101 325 Pa。

3.2.4 舒适度标准

根据铁建设[2007]88号《铁路隧道设计施工有关标准补充规定》[11]，当线路中隧道所占比例大于25%或通过隧道大于4座/h时，单、双线隧道对应的舒适度标准分别为0.8、1.25 kPa/3 s。

3.3 计算结果与分析

列车车速为400 km/h时，短编组列车(车长200 m)和长编组列车(车长400 m)在单线隧道内运行时不同隧道长度对应的车内瞬变压力最大值(车头、车尾)分别见图1和图2。

(a) 车头

(b) 车尾

图1短编组列车通过单线隧道时的车内瞬变压力

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

(a) 车头

(b) 车尾

图2长编组列车通过单线隧道时的车内瞬变压力

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

列车车速为400 km/h时，短编组列车(车长200 m)和长编组列车(车长400 m)在双线隧道内中点交会运行时不同隧道长度对应的车内瞬变压力(车头、车尾)分别见图3和图4。

(a) 车头 (b) 车尾

图3短编组列车中点交会通过双线隧道时的车内瞬变压力

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

(a) 车头

(b) 车尾

图4长编组列车中点交会通过双线隧道时的车内瞬变压力

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

不同动态密封指数下400 km/h的短、长编组列车在350 km/h单、双线隧道内运行时对应的车内瞬变压力见表1—4。

由表1—4可知，350 km/h高速铁路隧道以400 km/h运营时，列车所需的动态密封性能要求如表5所示。

表1 单线隧道列车车内瞬变压力(车长200 m)

表2 单线隧道列车车内瞬变压力(车长400 m)

表3双线隧道中点交会列车车内瞬变压力(车长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)

隧道净空面积计算基准/m2动态密封指数/s最不利隧道长度/m位置瞬变压力最大值/(kPa/3 s)动态密封指数/s最不利隧道长度/m位置瞬变压力最大值/(kPa/3 s)1000600车头12.49131 400车头1.231700车头7.43141 400车头1.1521 000车头5.13151 400车头1.0831 200车头3.94161 400车头1.0241 200车头3.24171 400车头0.9651 300车头2.75181 400车头0.9161 300车头2.39191 400车头0.8771 300车头2.11201 400车头0.8381 300车头1.89211 400车头0.7991 300车头1.71221 400车头0.76101 300车头1.56231 400车头0.73111 400车头1.43241 400车头0.70121 400车头1.32251 400车头0.67

表4双线隧道中点交会列车车内瞬变压力(车长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)

隧道净空面积计算基准/m2动态密封指数/s最不利隧道长度/m位置瞬变压力最大值/(kPa/3 s)动态密封指数/s最不利隧道长度/m位置瞬变压力最大值/(kPa/3 s)10001 200车头14.24137 000车头1.6211 200车头11.08147 000车头1.5121 300车头8.04157 000车头1.4131 300车头6.06169 500车头1.3341 300车头4.78179 500车头1.2551 400车头3.92189 500车头1.1961 400车头3.33199 500车头1.1271 400车头2.88209 500车头1.0781 400车头2.53219 500车头1.0296 500车头2.27229 500车头0.97106 500车头2.07239 500车头0.93116 500车头1.89249 500车头0.89127 000车头1.752510 000车头0.85

表5350km/h高速铁路隧道以400km/h运营时对应的列车密封性能要求

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

车长/m列车动态密封指数要求/s单线隧道双线隧道中点交会200≥16≥13400≥22≥17

由表5可知: 短编组列车通过单线隧道或中点交会通过双线隧道时所需动态密封指数要求分别为不小于16 s和不小于13 s；长编组列车所需动态密封指数要求分别为不小于22 s和不小于17 s。在实际行车调度中，采用长编组列车不可避免。因此可认为，从舒适度标准角度考虑，列车密封性能要求是由长编组列车通过单线隧道控制的，现有350 km/h高铁隧道中运行400 km/h列车时对应的动态密封指数应不小于22 s。

按照相关标准[12]，350 km/h动车组的准静态密封指数要求为不小于50 s。由第2节关于列车动态密封指数的说明可知，列车动态密封指数可认为是准静态密封指数的1/3～1/2，这样可得出350 km/h动车组的估算动态密封指数为18～25 s。同样,通过对车内瞬变压力的计算发现(见表6)，现有350 km/h高铁隧道内运行350 km/h列车时，对应的动态密封指数为不小于18 s，与依据相关标准得出的估算动态密封指数下限值恰好相符，而上限值预留了相对足够的空间，对应列车密封性能随着运营时间的增长而下降这一客观事实。

表6350km/h高速铁路隧道以350km/h运营时对应的列车密封性能要求

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

车长/m列车动态密封指数要求/s单线隧道双线隧道中点交会200≥12≥10400≥18≥14

国内现无针对400 km/h动车组密封性能的标准。但显然，对现有350 km/h列车密封性能标准而言，22 s这个动态密封指数要求较高，超过了估算动态密封指数的下限值，接近估算动态密封指数的上限值，没有预留足够的下降空间。因此，从舒适度标准的角度而言，现役350 km/h列车在既有隧道内以400 km/h运营存在较大风险，列车的密封性能可能在出厂时就达不到要求，或者运营一段较短的时间后密封性能下降使得车内瞬变压力超标。

4 对400 km/h高速铁路隧道净空面积的探讨

在现有列车密封水平的前提下，为降低400 km/h列车在隧道内运营时车内瞬变压力超标的可能，有必要对现有350 km/h隧道净空面积进行调整。根据第1节提出的基于舒适度标准的高速铁路隧道净空面积研究方法，以既有350 km/h隧道净空断面为基准，首先计算得出不同动态密封指数(不超过22 s)的长编组列车通过最不利长度单线隧道(最不利长度数值见表2)时的车内瞬变压力在满足隧道舒适度标准的前提下,对应的列车动态密封指数要求以及对应的单线隧道净空面积，然后保持列车动态密封指数不变，计算长编组列车在双线隧道内中点交会运行时满足隧道舒适度标准的双线隧道净空面积。值得注意的是，从经济性考虑，本次研究假定隧道净空面积上限为单线90 m2、双线120 m2。

400 km/h长编组列车在满足舒适度标准的基础上对应的单、双线隧道净空面积如表7所示。由于动态密封指数小于14 s后，单、双线隧道净空面积超出研究假定，故未列出。

表7 满足舒适度标准前提下的400 km/h单、双线隧道净空面积

可见，在保持现有列车密封水平的前提下，即取列车动态密封指数为350 km/h列车估算动态密封指数下限值18 s时，对应的400 km/h单、双线隧道净空面积建议值分别为84、94 m2。为方便设计，将单、双线隧道净空面积分别放大到85、100 m2，这样就可以保持现有350 km/h双线隧道净空面积不变，仅对相应时速单线隧道净空面积进行调整即可。由于在推荐隧道净空面积以400 km/h运营时对列车密封要求与现有标准中350 km/h列车估算动态密封指数的下限值一致，车内瞬变压力超标的可能性大幅降低。

5 结论与建议

以舒适度标准为依据，从列车内部瞬变压力角度出发讨论了既有高速铁路隧道运营400 km/h列车的可能性，提出了400 km/h隧道净空断面建议值。结论与建议如下：

1)现有350 km/h高铁隧道中运行400 km/h列车时对应的动态密封指数最低要求为22 s，接近现有350 km/h列车估算动态密封指数的上限值，没有预留足够的下降空间，车内瞬变压力超标的可能性较大。

2)400 km/h单、双线隧道净空面积建议值分别为85、100 m2，对应的列车动态密封指数为18 s，与现有350 km/h列车估算动态密封指数的下限值一致，车内瞬变压力超标的可能性大幅降低。

3)为使列车在长期运营后仍能保持足够的密封性，建议加强对列车动态密封指数的定期监测，并保证及时进行检修维护。

本文提出的400 km/h高速铁路隧道净空面积建议值仅考虑车内瞬变压力这一指标，未开展其他气动效应指标(如车体内外压差、微气压波、空气阻力、列车风和气动荷载等)的匹配性研究，也未考察线路条件和隧道结构对隧道净空断面的影响，在今后的研究中有必要对这些因素进行深入探讨。