高速动车组隧道交会气压变化及解决措施

宋慧娟 张龙华

摘 要：高速列车在隧道内会车，会在列车表面及隧道壁面产生很强的瞬态压力冲击，运用实车测量方法对压力变化进行分析，从而对进一步提高列车运行安全性及舒适性提出意见和建议。

关键词：隧道;会车;压力

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.011

1 引言

随着我国高速铁路的迅速发展，列车的速度越来越高，随之而来的列车空气动力学问题日益突出。两列高速列车进出隧道，两车交会时，由于列车的速度较高，其相对速度急剧增加，两车之间的空气压力会产生剧烈的变化，就是产生所谓的压力波。压缩空气受到两列车壁和隧道壁的空间限制，使得隧道内的空气流动有独特的规律和特点。列车表面产生很强的压力波，有可能使车窗玻璃，隧道内的压力变动将引起车内压力变动，使乘客的耳朵产生疼痛感。

当两列车在隧道内交会时，由于隧道内空间小，阻塞大，两车的速度较高，隧道内车体表面承受的压力甚至可以达到6KPa，这对列车的密闭性和强度也提出更高要求。列车驶出隧道时会产生微气压波，当气压波积累到一定程度时会产生爆破，对附近的居民会产生影响。此外，空调进、排风口位置的设置还直接受高速列车车体表面的压力分布的影响。因此研究高速列车在隧道内会车的压力变化是非常重要的。

本文采用实车测量的方法进行研究，即在实际运行的列车上安装若干应变片，通过传感器传递相应数据，并且运用先进的计算机进行数据的采集，整理，通过分析，为进一步的减缓压力变化带来的影响提供理论以及数据支持。

2 高速列车隧道内会车时的压力场

实车测量，压力波的测量主要是在车体的关键部位以及隧道的内测设置测点，采用压力传感器装置进行测量，在车体头部以及尾部压力变化较大的位置设置较多的测点。采用8415C-15型薄片式绝对压力传感器，并配合计算机完成数据的采集及处理。隧道为短隧道，长度为300m，横截面积为100m2。速度为每小时321-350m，从列车头部距离隧道35m开始测量，驶入隧道时间为0.36s，1.91s开始會车，3.45s列车头部驶出隧道，4.3s列车车尾驶出隧道，整个会车过程为0.79s。

2.1 动车组交会鼻端压力变化

两列高速行驶的列车在隧道内会车时，而隧道为一相对封闭的空间，受到隧道限制以及交会时列车本身压力波的影响，则在列车鼻端会形成较大的压力波动，由图1可知：

列车在隧道内行驶，其车头前方的压力分布为球面分布，每列车的压力最高点位于列车鼻尖位置。车头附近的压力分布为：距离隧道内侧壁较近一侧比另一侧的压力低。由图1可知，从0.295s时开始列车鼻端处的压力已经开始变化，这说明列车进入隧道前，列车表面的压力就已经受到隧道的影响，开始变化了。

当列车进入隧道后，在0.6s时，列车鼻尖处的压力达到了7099.9Pa，在此后的一小段时间，压力波动较小;直到1.02s时，列车鼻尖处的压力开始快速上升，而到1.32s时鼻尖处的压力达到了一个极大值，数值为10030.05Pa。出现最大值之后，压力值迅速下降，下降的同时伴有轻微的波动。随着压力值的进一步下降，列车鼻尖处的压力出现一个极小值-1490.27Pa。到2.2s达到最小值-1625.8Pa，之后压力开始急剧上升，直到鼻端处的压力第二次出现峰值，大小为8056Pa，峰值过后压力又开始下降，但是下降幅度不是太大，直到3.44s压力值再次出现波谷，这表明此刻列车的鼻尖已通过隧道。最后稍有上升，最后达到稳定状态，列车也脱离隧道压力波的影响。

2.2 动车组交会车身压力变化

为得到列车表面压力随时间的变化规律，在检测车交会侧头车裙板中部，中车裙板中部以及尾车裙板中部均设置测点，由测量点的数据可得出列车在隧道内交会时，随着交会时间的变化列车车身压力的变化情况。

列车鼻端的压力变化与在列车交会侧测量的不同测点的压力变化出现吻合趋势。即当列车驶入隧道时测点的压力升高，且鼻端处的测点压力值最大。由于测点位置不同，并且测点不能无限多，所以隧道效应发生的时间不同，随着距离鼻尖越来越远压力波峰和波谷出现的时间略有滞后。与鼻尖的压力比较可知，列车侧壁以及尾车受到较大的负压，而头车鼻尖部位受到较大的正压，且鼻端的压力波幅值最大，要大于其他部位。

当两列车在隧道内交会时，列车沿长度方向各处在隧道内所处位置不同，与另一列车的头车鼻尖和尾端鼻尖交会的时间也随之各不相同，隧道内效应压力波到达列车车身各处的时间也就不同，所以在沿列车长度方向上的表面压力变化也不相同。

压力幅值随着测点距列车头车鼻尖的距离越远变得越来越小。列车在明线会车，沿列车长度方向上列车前部测点的压力波幅值小于后部测点的（由于列车附面层的影响）。但是当列车在隧道内会车时，位于列车前部测点的压力波幅值大于位于后部的，这主要由于列车附面层的影响小于隧道效应引起的压力波在列车长度方向上所起的作用，再加上压力波在传递过程中其能量会衰减。列车隧道内会车时，在沿着列车长度方向上，距离列车头车鼻尖越近，总的压力变化越大。

2.3 隧道壁面压力变化

列车在隧道内运行时，距离隧道入口处，初始压缩波的压力峰值最大，随着列车在隧道内的位置不同，压缩波的峰值也在逐渐变化，距离出口越近，初始压缩波的压力峰值越小。由此可见压缩波在传播过程中波的强度是逐渐衰减的。列车在隧道内会车运行时，压力波会相互叠加，压力波的分布不同于单列车在隧道内运行，其分布从隧道入口到出口并不是逐渐递减的。

两列车相向驶入隧道时，每辆列车分别在隧道的两端入口处形成隧道的入口压力波，由于隧道两侧的压力波向前传递，压力波产生叠加，那么在隧道中点的压力波叠加是单独一辆车通过隧道时压力变化的两倍。

两列车在隧道内会车时，隧道内壁的压力只在两列车车头进行交会时出现了类似列车车身上压力变化的“头波”。由于两列车交会时强大的气流会使列车周围流场变化，尤其当列车的车头或是车尾经过观察车的一瞬间，会使观察车的侧面空气产生巨大的压力突变，从而对观察车的车体侧面形成一种瞬态压力冲击而形成会车压力波。两列车在隧道内会车时，当列车进入隧道口时，在隧道入口处会产生巨大的入口压力波，且隧道内空间狭小，气流的流动会受到限制，入口压力波在隧道内往复传播，同样会改变会车时的气流流场，基于以上因素考虑隧道内列车会车的压力受到多方面因素的影响，是比较复杂的。

随着测点与隧道峒口距离的变化，隧道内壁面上的压力也不断变化。当测点为压缩波时，测点的压力迅速升高;当测点的压力为膨胀波时，测点的压力快速降低;当两列车会车时，压力出现极值，极值的出现与之前的分析是吻合的，即压力波由压缩波变为膨胀波时压力出现正波极值，当压力波由膨胀波变为压缩波时压力出现负波极值。从理论上讲，列车经过隧道时，远离列车侧壁面测点的压力变化小于靠近列车侧隧道壁面测点的压力变化，本文测点得到的压力波动与这一规律不完全吻合，但是基本相同，这是因为所取测点在隧道两侧并不完全对称，基本相同体现在隧道中点压力值最大，并且压力波动变化也最大，而测点距离隧道口越近压力变化越小，这说明当两列车以相同的速度在隧道中点会车时，对隧道内壁面产生的作用力是最大的。

综上所述，隧道内两列车交会时，车头前端的压力降低，列车车身两侧的压力也会有所降低，而列车交会时，列车内侧的压力变化情况较为复杂。

3 建议措施

高速列车隧道内会车，由于隧道长度相对来说较短，隧道内空间狭小，隧道壁面的空气阻力等诸多因素的影响，使得隧道内产生瞬变的压力波。在实际行车过程中，当压力波过大时，可能会使车体侧墙变形，列车车窗被吸出，车体结构被破坏，列车脱轨，列车侧翻，隧道结构破坏等诸多问题。

基于以上分析可得，这种类型的会车压力波是列车进入隧道时在隧道入口处形成的压力波传播到隧道内并在经过隧道出口反射回来后，再与列车交会的压力波相遇叠加而成的。列车会车压力波与隧道入口压力波经隧道出口反射回来压力波是否相遇，是可以通过一定的计算式来判断的。

基于上上分析，为减小隧道内压力变化对旅客的影响提出以下建议：

（1）提高气密性。但是由于空调排风口、进风口的存在不可能达到完全的密封状态，为了提高高速列车运行时的舒适性，可以考虑在列车进入隧道交会时，关闭空调的出风口、进风口，使列车完全封闭，减小噪音和对旅客的不适感。

（2）车体设计。目前，我国高速列车的车体材料有不锈钢和铝合金两种，并且铝合金由于其重量轻，耐腐蚀，对冲击吸收能力强等优点应用较为广泛，但不锈钢车体强度更好，如何在设计上充分发挥两者的优势，提高列车的使用寿命，从而减小压力变化對列车的冲击，值得进一步研究。另一方面，可以从高速列车结构设计上入手，降低交会压力波和隧道压力波变化，提高列车运行的安全性及可靠性。

（3）隧道的材料、结构。目前，我国隧道口微压力波的标准是在日本标准的基础上制定的，由于我国国情与日本存在差异，应根据我国的实际情况制定适用于中国的标准。对于近年来提出的水下隧道等一些特殊隧道，应考虑特殊的隧道结构，比如缓冲结构等，根据隧道周围的环境，通过实验结合仿真，提出合理的具体方案。

（4）进一步提高科研水平。开展试验、提高模拟水平，对复杂地段、恶劣环境进行考察，特殊路况，进一步降低交会时的气压波变化，提高乘坐的舒适性、安全性。

参考文献：

[1]田红旗，列车空气动力学[M].北京中国铁道出版社，2007：1-56.

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