高速列車隧道的空氣動力學效應及解決措施

【提　要】：隨著軌道交通的高速化，列車高速運行對人員和環境的影響越來越明顯。本文主要針對高速列車通過隧道所產生的各類空氣動力學問題，對國內外高速隧道的舒適度指標、阻塞比進行對比，分析各類空氣動力學指標的取值情況，并詳細論述了降低空氣動力學效應影響的各類措施。
【關鍵詞】：高速列車隧道空氣動力學

Abstract: In the wake of high speed tendency of rail transit, high speed train has exerted more apparent impacts on personnel and environment. This paper chiefly analyses various categories of aerodynamic criteria settings up against comfortness criteria and block rate, prevailing in domestic and foreign high speed railway tunnels, in terms of various aerodynamic problems caused by high speed train pass through in the tunnel, as well as gives a detailed discussion on various counter measures put against influences caused by reduced aerodynamic effect.
Keywords: high speed train， tunnel， aerodynamics.

1　高速列車隧道空氣動力學效應
高速列車進入隧道后將隧道內原有的部分空氣排開，由于空氣粘性和隧道內壁、列車外表面摩阻力的存在，被排開的空氣不能象明線空氣那樣及時、順暢地沿列車周側形成繞流，列車前方的空氣受到壓縮，而列車尾部進入隧道后會形成一定的負壓，因此產生了壓力波動過程。這種壓力波動以聲速傳播至隧道口，大部分發生反射，產生瞬變壓力；而另一部分則形成向隧道外的脈沖狀壓力波輻射，即微氣壓波。這些都會對高速列車運營、人員舒適度和環境造成一系列影響：
（1） 高速列車經過隧道時，瞬變壓力造成旅客和乘務人員耳膜明顯不適、舒適度降低；
（2） 高速列車進入隧道時，會在隧道出口產生微氣壓波，發出轟鳴聲，使隧道口附近建筑物門窗發生振動，產生擾民的環境問題；
（3） 行車阻力增大，從而使運營能耗增大；
（4） 形成空氣動力學噪聲；
（5） 列車克服阻力所作的功轉化為熱量，在隧道中積聚引起溫度升高等。

2　空氣動力學指標
2.1　舒適度標準
高速列車在隧道中運行時的舒適度與高速列車通過隧道時產生的壓力變化有關,其壓力變化值與列車速度的平方成正比，列車速度越高、壓力變化值就越大。當壓力變化值達到一定的強度，列車外部的壓力波傳播到列車內部，瞬變壓力傳到人體時,會對耳膜產生影響，使乘客有不舒適的感覺。因此需要根據壓力的變化值和人體對壓力變化值的適應性制定出衡量舒適程度的標準，即舒適度。評估壓力波動程度一般需考慮最大壓力變化值和最大壓力變化率兩個參數。經研究發現，這兩種指標單獨使用都不能合理地反應乘客舒適度。因此目前較通用的評估參數是相應于某一指定短時間內的壓力變化值，例如3s內最大壓力變化值或4s內最大壓力變化值。所謂3s或4s大致相當于完成耳腔壓力調節所需的時間。
下面簡要介紹幾個建有高速鐵路國家的舒適度標準。
2.1.1　日本高速鐵路舒適度標準
日本是目前世界上高速鐵路最發達的國家，由于其國土狹小多山，因此高速干線上隧道也較多，但隧道斷面較小，阻塞比較高。日本鐵路當局對其在新干線上運行的高速列車通過隧道時的舒適度標準定為
最大壓力變化絕對值＝1 000Pa（適用于密閉車輛），最大壓力變化頻率＝200Pa/s
近年來日本鐵路當局出于經濟角度考慮，將這一標準放寬到
最大壓力變化頻率＝300Pa/s
2.1.2　英國鐵路舒適度標準
英國西海岸電氣化高速鐵路沿線地區隧道少，且長度多為中、短隧道，但隧道的斷面積較小，高速列車通過時引起的壓力瞬變相當強烈。1973年英國當局將舒適度標準定為
最大壓力變化值＝3000Pa/3s
1986年英國鐵路當局為城市間的運輸又將舒適度標準修改為
最大壓力變化值＝4000Pa/4s
英法海峽隧道在兩條主隧道和一條輔助隧道間有很多橫向通道，當列車以120km/h速度行駛時，每隔7s就能通過一個橫通道，因此壓力波容易得到釋放，車輛前后的壓力差較易趨于平衡，其舒適度指標比較嚴格：
最大壓力變化絕對值＝450Pa
對于海峽聯絡線，考慮到隧道占鐵路總長的30%，其舒適度指標定為
單線隧道：最大壓力變化值＝2500Pa/4s
雙線隧道：最大壓力變化值＝3000Pa/4s
2.1.3　德國高速鐵路舒適度標準
德國在20世紀80年代初開始修建高速鐵路網，路網上有大量隧道。為解決舒適度問題，德國鐵路當局采取了加大隧道斷面積，減小阻塞比的措施，效果比較明顯，其舒適度標準與日本相同：
最大壓力變化絕對值＝1 000Pa，最大壓力變化頻率＝200Pa/s
同樣也允許將這一標準放寬到：300～400Pa/s
2.1.4　美國地鐵隧道
美國運輸部門制定的地鐵舒適度標準為
最大壓力變化值＝700Pa/1.7s，最大壓力變化頻率＝410Pa/s
2.1.5　國際鐵路聯盟關于舒適度的研究
為了研究高速列車在隧道中行駛時出現的生理學問題，國際鐵路聯盟的C149專家委員會專門成立了一個包括醫生在內的工作小組，對英國鐵路部門在1973年制定的有關高速列車旅客承受空氣壓力瞬變的舒適度標準進行檢查，即在相對不太頻繁的壓力變化下，在3s內壓力變化最大值不超過3000Pa。檢查結果表明，英國鐵路規定的3000Pa是旅客接受的舒適度限度值。
2.1.6　我國高速鐵路南京長江隧道的控制標準
從旅客乘車舒適度要求出發，我國正在研究中的京滬高速鐵路南京長江隧道的控制標準為
最大壓力變化頻率＝3000Pa/3s
2.2　隧道口環境要求
隧道出口處的微氣壓波峰值控制標準參照日本資料并結合我國京滬高速鐵路南京長江隧道出口處的控制標準(表1)。

從表2可以看出各國對高速隧道阻塞比的要求差別很大。在相同車速下，以日本新干線為代表的高速隧道凈空面積相對較小，除歷史原因外，日本認為依靠修建緩沖棚和密封車輛可以緩解瞬變壓力和微氣壓波的影響；而以德國為代表的歐洲國家主要是通過擴大隧道凈空面積來減緩空氣動力學效應的影響，這增加了土建工程費用，但可在較大程度上改善列車的運營條件和舒適度指標。

3　降低空氣動力學效應的措施
3.1　車輛方面的措施
3.1.1　車輛的密封性
我們所討論的舒適度是車內旅客乘車的舒適度，因此我們更為關心的是車內壓力變化情況。在其他條件相同的情況下，車輛密閉性能越好，車輛內的最大瞬變壓力就越小。
3.1.2　車輛的外形
車輛外形的改善可從車輛的橫斷面積和車頭形狀考慮：在隧道橫斷面凈面積不變的前提下，減小車輛的橫斷面積可降低阻塞比，有效降低隧道內的瞬變壓力，進而可緩解車內的瞬變壓力。
3.2　隧道構造措施
3.2.1設置緩沖段
在隧道的口部設置緩沖段可減小列車進入隧道時產生壓縮波的波前壓力梯度，因為壓縮波的波前壓力梯度與列車速度的三次方成正比，所以減小壓力梯度的效果可轉換成降低列車速度的效果，進而可以明顯地降低微氣壓波以及由此而產生的噪聲和對環境的影響。
緩沖段的橫斷面形狀可為拱形或為門形，要求在其兩側可按一定的比例開孔；沿其縱向可做成逐漸擴大的型式或喇叭形。
3.2.2　設置橫洞
對于雙洞單線隧道在每隔一定的距離采用橫洞連通，以起到減壓風道的作用。在英法海峽隧道中就采用了橫向通道來釋放壓力波（其減壓風道間距為250m，風道直徑為2m），這種風道可減少對列車的空氣動力阻力。
3.2.3　增加隧道斷面面積
增加隧道斷面面積對于降低空氣動力學效應是不言而喻的，其可以將隧道斷面放大；也可以采用單洞雙線的隧道。但是前者會增加造價，后者當列車在隧道中會車時，會加劇空氣動力效應。
3.2.4　設置豎井
在隧道內適當位置修建通風豎井（或斜井），以降低壓縮波梯度。這種豎井應盡可能利用施工留下的工作井。該豎井的位置應兼顧到高速列車行車時降低瞬變壓力的要求。
3.2.5　噪聲
隧道周壁采用吸音材料貼面，以降低空氣動力學噪聲。
3.2.6　隱蔽及設置
隧道內設施應盡量隱蔽設置，對在隧道內必須設置的設施采取適當的防護措施，以防列車運行時產生的列車風對設施的破壞。
3.2.7　隔熱設置
列車克服阻力所做的功轉化為熱量，在隧道中積聚引起溫度升高。為此可設置通風井，配置風機排出在隧道中因列車克服阻力而產生的熱量或其他原因產生的熱量，英法海峽隧道亦采用機械通風方法排出隧道內的熱量。
3.2.8　防水設置
其他措施還有如在隧道內設置水幕、噴水滴等。

4　結語
本文論述了高速列車通過隧道所產生的各類空氣動力學問題，列舉了降低空氣動力學效應影響的各類措施，并針對各國高速列車隧道的舒適度指標、阻塞比進行分析，為在我國建造高速列車隧道提供一些有益的幫助。
參考文獻
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新聞來源：《城市交通隧道工程最新技術》