对铁路隧道变截面空气动力学效应分析

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1、铁道建筑2016年第1期RailwayEngineering29文章编号：1003—1995(2016)01．0029—04铁路隧道变截面空气动力学效应分析程爱君，马伟斌(1．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081；2高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京100081)摘要：通过分析隧道内瞬变压力、洞口微气压波与隧道长度、列车速度的关系，结合相近长度隧道的现场实测结果，得出了动车组以300和350km／h速度通过一长度800m隧道时隧道内瞬变压力界限值与洞口微气压波。分析结果表明，该隧道内变截面处断面面积由100m减为93m后，瞬变压力与微气压波

2、能满足设计标准的要求。通过仿真计算进一步验证了分析结果。关键词：高速铁路隧道变截面气动效应仿真实测中图分类号：TU375．4文献标识码：ADOI：10．3969／j．issn．1003．1995．2016．O1．07阻塞比为0．11)洞口微气压波测试值均转化为空间立1工程概况体角为3"rr／2后的数据、鲻出，对搭现场试验数据做归一化处c加；体叶_兰¨m864；_阱2J。．一时速350km高速铁路隧道全长800m，为双线理，得出微气压波与隧道长度的关系，见图2(b)。隧道，隧道净空面积为100m。在距隧道进口400m◆547m处增设长度为8m的套衬，其两端各

3、设一段0～30cm·977m▲2728m(低于31的渐变段，总长约10m。施工完成后断面面积由原来×6857mf低于31xl0081m(低kOm于kOm3h1kOmhlkOm的100m减为93m。由于隧道净空面积减小，需要·2728mf高于31+1O081m(高)于)3．n)h)胁对动车组通过变截面隧道的空气动力效应尤其是对隧‘6857m(高于31道内瞬变压力及洞口微气压波的影响进行分析。200220240260280300320340360隧道横断面如图1所示。速度／(~／h、(a1不同长度隧道微气压波与行车速度的关系曲线400350300150器100

4、5O00隧道长度／kmfb)微气压波与隧道长度的关系曲线图2微气压波与行车速度、隧道长度的关系曲线图1隧道断面(单位：cm)由图2(b)可知：当动车组分别以速度300，350和2气动效应影响分析380km／h通过时，洞口外20m处微气压波<50Pa的隧道临界长度分别为5．5，1．6和1．0km，长度800m2．1洞口微气压波的隧道(无套衬)，洞口外20m处微气压波分别为根据中国铁道科学研究院“高速铁路气动效应试20．30，34．97和47．51Pa。验研究”的研究成果，长度3km以下隧道洞外20m处该隧道长度与银岭头隧道(武广高铁，长977m，微气压波基本

5、与车速的3—4次方成正比，如图2(a)。无砟轨道)及李家湾隧道(郑武高铁，长822m，无砟轨结合理论分析，将不同长度隧道(断面面积100m及道)接近，隧道净空断面面积相同。动车组以速度310，350km／h通过长度相近隧道时洞口微气压波测试收稿日期：2015-11-28；修回日期：2015—12-10值及换算为无缓冲结构后洞口微气压波如表1所示。作者简介：程爱君(1974一)，男，副研究员，硕士。30铁道建筑表1相近长度隧道洞口20m处微气压波日8皇7磐53魃2图3隧道内瞬变压力临界值与隧道长度的关系包络曲线根据洞外点微气压波压力与到达隧道出El的压缩不同

6、动车组速度下隧道内瞬变压力(3s变化极波的关系可得距洞口r处的微气压波压力P⋯为值)随隧道长度变化曲线如图4所示。6P⋯篇⋯日5皇4=×奋s⋯2tt；111一(1一R)，1、rd(1一)[M+(1一R)]式中：(dP／dt)⋯为出口处压力随时间的变化率；图4不同速度下瞬变压力随隧道长度变化曲线S为隧道的有效面积；为反映出口地形条件的空间立体角；C为标准声速；p。为空气标准密度；U为列车由图4可知，动车组分别以250，300和350km／h进洞速度；7-为反应压力上升时间的参数；d为隧道的速度通过时，长度800m的隧道内瞬变压力分别为水力直径；R为阻塞比；为

7、马赫数。2．63，3．77和5．11kPa，瞬变压力均<6．25kPa，能够该隧道增设套衬后，按隧道全长范围内净空面积满足要求。均变为93m的最不利情况考虑，由公式(1)换算得到已有研究表明，列车进洞时产生的压缩波波形P洞口微气压波，见表2。如下表2隧道净空断面积变小后各隧道洞外21)m处微气1U2压波换算值丽×(I1+l盯arctan)J(2)根据式(2)可知列车进洞时产生的压缩波最大值JP⋯为Pm=1。u2丽(3)根据式(3)计算出动车组通过时，截面净空面积93In隧道内瞬变压力为截面净空面积100m的1．037倍，由此计算出动车组通过长度相近隧道时洞

8、内瞬变压综上分析可知，该隧道内加10m套衬后，动车组力值，见表3。