高速铁路隧道辅助坑道对瞬变压力影响的试验研究

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1 问题的提出

当列车高速进入隧道时，隧道内的空气将会产生明显的压力变化．在特定时间内的压力变化称为瞬变压力。当瞬变压力超过一定限度时，会使乘客耳膜感到不适。严重时还会对乘客的耳膜造成永久性伤害。目前我国在修建较长高速铁路隧道时大多采取利用开挖斜井、竖井等辅助坑道来增加T作面。即“长隧短打”的施t方式，这些辅助坑道在通车运营后如果开放是否会对行驶在隧道中的列车上的瞬变压力产生影响．不同位置、长度及断面面积的辅助坑道对列车上瞬变压力的影响是有利还是不利，对这些问题进行深入研究将有助于今后隧道设计中辅助坑道相关参数的选择。本文通过模型试验对高速铁路列车通过设有辅助坑道的隧道时产生的压力波动进行模拟。并对试验结果中的压力波动曲线进行分析。研究高速铁路隧道辅助坑道的位置、长度及断面面积对瞬变压力的影响。由于现场试验和数值计算均表明瞬变压力在隧道内表现出明显的单维效应罔．因此在本模型试验中采用较小相似比．以便模拟较长的隧道及其辅助坑道的影响。

2模型试验测试

2．1模型试验的相似比

本次模型试验模型的几何相似比为l：100。速度相似比为1：1，这样可以保证隧道模型与实际隧道的流线几何相似。在模型与原型中列车的马赫数相同，空气压缩性的影响此时可以忽略不计。此外，经计算发现，无论是模型还是原型，其雷诺数都远大于临界雷诺数。也就是说此时的气流已经进入“自模区”，气流的粘性力不起主要作用，采用欧拉模型定律，可以得出模型和原型的雷诺数近似相等的结论。据此，可以认为完全满足相似性的要求。

2．2模型试验系统

该试验系统包括模型弹射系统和数据采集系统。模型弹射系统以橡皮筋弹射为动力．列车模型采用钢丝绳做为导轨，最高运行速度可达200 km／h。模型试验的试验线为单线，全长35 m，分为三段：发射段10 m，试验段20．3 m和缓冲段4．7 m。列车模型以尼龙塑材为原料．断面面积为12．6 cm2，长度为18 am；对应的实际列车断面面积为12．6 m2，长度为18 m。隧道模型为聚乙烯材料，断面面积为82 cm2。长度为20．3 m；对应的实际隧道断面面积为82 m2，长度为2．03 km。辅助坑道模型亦为聚乙烯材料，采取三种不同断面面积(分别为3．8 am2、10．2 am2和21．1 cm2)，同时采取两种不同长度(分别为4 m和10 m)；对应的实际辅助坑道断面面积分别为3．8m2、lO．2 m2和21．1 m2。长度分别为400 m和1 000m。列车、隧道及辅助坑道模型见图l。

数据采集系统主要对列车进出隧道所形成的空气压力信号进行采集。数据采集系统(图2)包括气压传感器(量程+10 kPa，精度0．5级)、高速数据采集系统(采样频率2 534 Hz)、笔记本电脑。试验时可以实现隧道模型各测试断面数据的同步实时采集。

2．3模型试验辅助坑道及测点布置

隧道模型依次在距离隧道入口4 m、6 m和10m处预留3个辅助坑道位置(图3)；并在隧道模型单侧内壁边墙布设3个气压测点，位置在距离隧道入口5 m、8 m和15 m处。分别命名为1号、2号和3号测点(图4)。

2．4模型试验工况

本文对列车时速为160 km／h时上述提到的不同位置、长度和断面面积，辅助坑道与隧道的组合共计36种丁况进行模型试验。以研究高速铁路隧道辅助坑道的位置、长度及断面面积对瞬变压力的影响。

3模型试验结果及分析

3．1试验重复性验证

为保证试验结果可靠有效．每种工况试验均进行多次，以验证试验数据的重复性。现举一例予以说明：列车模型以160 kngh的速度通过布置在隧道模型上的1号测点时，以其中任意两次的测试结果为代表对试验重复性进行验证。1号测点数据重复性验证见表l。

从表l来看，试验的重复性相当好。检视其它工况的所有测点，其重复性误差均小于5％(限于篇幅．这里不一一列出)。所以，由本模型所得的试验数据是稳定可靠的。

一部分以膨胀波的形式反射同来。形成更多次的反射、叠加，因而会对瞬变压力产生一定影响。同时。辅助坑道的位置不同即反射界面的位置不同，会导致产生的膨胀波的叠加位置发生改变。这种叠加位置的改变对列车上空气压力波动可能会产生有利的影响，也可能产生不利的影响。现根据叠加原理．可以得出影响瞬变压力的长隧道中辅助坑道最有利和不利位置。

在距离隧道人口4 m、6 m和10 m(原型为400m、600 m和l 000 m)处设置面积为10．2 cm2(原型为10．2 m2)、长度分别为4 m和10 m(原型为400m和l 000 m)的辅助坑道，通过各测点的数据来研究列车通过隧道时不同长度辅助坑道对隧道内空气压力变化的影响，并与不设置辅助坑道时隧道内的空气压力变化进行比较。由于篇幅所限，文中只列出辅助坑道设置在距离隧道入口10 m处时，2号测点和3号测点的压力波动曲线．见图6。通过模型隧道两测点所测压力波动曲线的比较可知，当辅助坑道的长度为4 m和10m时，其反射回来的气压均较小，和无辅助坑道时的气压波动基本相同，因此辅助坑道长度变化对隧道内瞬变压力的影响不大。