基于实车测试的不同列车速度下隧道气动效应及变化规律

Tunnel Aerodynamic Effect and Variation Law under Different Train Speeds Based on Field Experiments

摘要

选取2条长度在2 000 m以内的全尺寸隧道，在\mathrm{180}~\mathrm{385} km · h^-1速度区间内开展多组实车测试，并分析隧道壁面气动压力、附属设施气动压力、列车活塞风速及洞口微气压波的时变规律。结果表明：列车以385 km · h^-1的峰值速度通过隧道时，洞内附属设施承受的压力峰峰值最大达到3.47 kPa，未超过附属设施安全设计标准；洞口微气压波峰值随列车速度提升而显著增加，斜切型缓解结构可有效控制洞口微气压波峰值；列车速度以385 km · h^-1峰值速度通过2条隧道时，洞口外20 m处微气压波峰值分别约为39.3和26.3 Pa，未超洞口微气压波限值；列车以相同速度通过隧道时，洞内列车活塞风速随列车速度的提升而增加，当列车通过速度为385 km · h^-1时，隧道壁面风速峰值达20.18 m · s^-1，但若列车通过速度低于\mathrm{300} km · h^-1，则隧道洞口缓解结构型式、隧道长度对列车诱导的活塞风速峰值影响不大。

Abstract

Two full-size tunnels with each length of less than 2,000 m are selected for multiple sets of field experiments to be conducted within the speed range of 180-385 \mathrm{k}\mathrm{m}\bullet {\mathrm{h}}^{-\mathrm{1}}. Meanwhile, the aerodynamic pressure on the tunnel walls, the aerodynamic pressure on the auxiliary facilities, and the train piston wind speed, as well as the time-varying patterns of the micro-pressure waves at the tunnel mouth are analyzed. The results show that when the train passes through the tunnel at the peak speed of 385 \mathrm{k}\mathrm{m}\bullet {\mathrm{h}}^{-\mathrm{1}}, the peak-to-peak pressure on the auxiliary facilities inside the tunnel reaches the maximum of 3.47 kPa, which does not exceed the safety design standard for the auxiliary facilities. The peak of the micro-pressure wave at the tunnel mouth increases significantly with the increase of train speed, and the oblique cutting type of alleviation structure can effectively control the peak of the micro-pressure wave at the tunnel mouth. When the train passes through the two tunnels at the peak speed of 385 \mathrm{k}\mathrm{m}\bullet {\mathrm{h}}^{-\mathrm{1}}, the peak of the micro-pressure wave at 20 m outside the tunnel mouth is approximately 39.3 and 26.3 Pa respectively, which does not exceed the limit of the micro-pressure wave at the tunnel mouth. When the train passes through the tunnel at the same speed, the piston wind speed inside the tunnel increases with the increase of the train speed, and when the train passes through at a speed of 385 \mathrm{k}\mathrm{m}\bullet {\mathrm{h}}^{-\mathrm{1}}, the peak wind speed on the tunnel wall reaches 20.‍18 \mathrm{m}\bullet {\mathrm{s}}^{-\mathrm{1}}. However, if the train passes through at a speed lower than 300 \mathrm{k}\mathrm{m}\bullet {\mathrm{h}}^{-\mathrm{1}}, the type of tunnel mouth alleviation structure and the length of the tunnel have little effect on the peak of the piston wind speed induced by the train.

Graphical abstract

关键词

隧道气动效应 / 列车速度 / 气动压力 / 微气压波 / 实车测试

Key words

Tunnel aerodynamic effects / Train speed / Aerodynamic pressure / Micro-pressure wave / Field experiments

自1964年日本第一条高速铁路东海道新干线正式运营以来，世界范围内高速铁路运营速度的上限屡次被打破。日本东海道新干线最初运营速度为\mathrm{210} km · h^-1，而2021年7月20日我国山东青岛下线的CF600高速磁浮列车，设计速度已经达到600 km · h^-1。随着列车运营速度的日益提高，隧道空气动力学效应成为近年来高速铁路运营中不容忽视的重要问题之一。当列车高速驶入隧道时，隧道内壁与列车之间环形空间内的空气被剧烈压缩，这会形成对隧道内壁及洞内附属设施的巨大压力荷载并产生压缩波。当初始压缩波按声速传播至隧道出口时，一部分能量还会以微气压波的形式释放至洞址环境，形成噪声污染。

有关隧道气动效应方面的研究中，起步较早的是日本、法国、意大利和德国等国家。20世纪70年代，Ozawa等^［1］基于一维特征线理论分析并开展了一系列模型试验，探讨了隧道洞口结构对微气压波的缓解作用。Howe等^［2-4］从理论分析的角度，先后揭示了隧道内压力波以及洞口微气压波的传播机理以及分布规律，分析、阐明了不同洞口缓解结构（如喇叭式、等截面扩大式和开口式等）的气动效应缓解机理，发现带有开孔的扩大断面缓解结构型式能够大幅降低初始压缩波的压力梯度峰值，从而有效缓解洞口的微气压波效应。Ricco等^［5］设计搭建了6.0 m长的模型试验台，结合一维数值模拟测试了列车以150 km · h^-1速度通过隧道时，列车截面形状及长度对初始压缩波的影响，发现给定的阻塞比对列车断面形状影响十分有限，但随着列车长度的增加，初始压缩波峰值有小幅增加。

随着计算机技术的快速发展，相关技术被引入隧道气动效应的研究中。Uystepruyst等^［6］较早地开展了三维仿真计算，利用滑移网格技术分析了3种列车鼻部形状下压缩波首波压力梯度的变化情况。随后，国外诸多学者采用缩尺模型试验与数值模拟的方法，对隧道气动效应方面开展了大量研究，分别探讨了列车形状，如鼻部形状^［7］、鼻部长度^［8］，以及隧道土建结构，如洞口缓解结构^［9-10］、洞内竖井^［11］、横通道^［12］等对气动效应的影响。

我国在隧道气动效应领域的研究起步相对较迟，但发展迅速。中国铁道科学研究院王悦新等^［13］初步探讨了高速铁路隧道空气动力效应及其缓解措施；王建宇^［14］基于各国高速铁路隧道设计经验，给出我国隧道净空及洞口缓解结构建议设计参数。中南大学刘堂红等^［15］研究了扩大断面洞口缓解结构的缓解效果、单车通过及隧道交会时气动压力分布特征^［16-18］。西南交通大学开展了大量针对高速铁路隧道^［19-20］、地铁区间隧道^［21］的压力波传播机制及缓解措施的研究。北京交通大学骆建军团队研究了不同缓解结构^［22］、横通道^［23］以及通风竖井^［24］等土建结构对压力波的影响。兰州交通大学梅元贵团队针对开孔缓解结构^［25］、中隔墙^［26］、列车交会^［27］以及更高列车速度^［28］下的气动效应开展了大量研究。但目前相关研究多采用一维气体流动理论模型、动模型试验以及动网格数值模拟的方法，仍需依托全尺寸实车试验进一步开展隧道气动效应研究^［29-30］。

依托我国高速铁路联调联试项目开展全尺寸高速铁路隧道实车测试，对比分析不同列车速度、长度及缓解结构下的隧道气动效应，以期为实际高速铁路设计的进一步优化提供理论依据及支撑。

1 试验概况

1.1　隧道概况

为充分探讨列车速度对隧道气动效应的影响，选取位于同一线路上的两条单洞双线隧道，分2组开展试验。该线路设计运营速度为350 km · h^-1，两条隧道的轨面以上净空面积均为100 {\mathrm{m}}^{\mathrm{2}}，隧道A全长1 835 m，隧道B全长805 m。需要说明的是，结合Raghunathan等^［31］研究成果以及我国京沪高铁综合测试试验^［32］结果，对于长度在2 000 m以内的短隧道，在相同列车速度条件下，洞内初始压缩波压力梯度及洞口微气压波峰值受隧道长度的影响十分有限，因此两条隧道的长度差别并不影响后续相关隧道气动效应研究工作。

测试隧道的三维模型示意图如图1所示。隧道A和B两端洞口均设帽檐斜切式缓解结构，且洞口缓解结构长度相同，均为20 m。隧道A在拱腰处各设有2个矩形开口，几何尺寸均为2.0 m（横向）\times4.2 m（纵向）；隧道B未设置开口。

1.2　测点布置与测控系统

试验隧道内测点布置示意图如图2所示。图中：x_{\mathrm{n}}为隧道洞内测点到洞口的纵向距离，以位于隧道出口处为0；x_{\mathrm{t}}为隧道洞外测点到洞口中心点的纵向距离，以位于隧道出口处为0；R为隧道内轮廓半径。测量隧道壁面气动压力时变规律时，在洞内\mathrm{一侧}\mathrm{腰墙}{x}_{\mathrm{n}}为210，220和230 m处（距离疏散通道平面高度1.2和2.0 m）分别布置气动压力传感器。测量作用于附属设施处气动压力的时变规律时，在控制柜、照明灯具和水槽盖板等隧道洞内附属设施处布置气动压力传感器。测量洞口微气压波时变规律时，在洞外x_{\mathrm{t}}为20和50 m处分别布置微气压波传感器。测量列车活塞风（列车通过隧道时产生的风速）的时变规律时，在洞内腰墙x_{\mathrm{n}}为220 m处（距离疏散通道平面高度1.5 m）布置1个风速传感器。

试验测控系统主要由GPS、传感器、IMC集成测控数采系统、数据传输系统与存储终端组成。其中，GPS用于对试验测量时间进行标准化处理；测量洞内气动压力的传感器为美国航空Endevoco气动压力传感器，测量量程为-8.0~8.0 kPa，精度等级为0.01 Pa级，数据采样频率为1 000 Hz；测量进洞口微气压波的传感器为德国Head-ArtemiS高精度传感器，测量量程为-120.0~120.0 Pa，精度等级为0.01 Pa级，数据采样频率为1 000 Hz；测量隧道洞内风速的传感器为英国Wind-Sonic二维风速传感器，测量量程为0~60 \mathrm{m}\bullet {\mathrm{s}}^{-\mathrm{1}}，精度等级为0.01 \mathrm{m}\bullet {\mathrm{s}}^{-\mathrm{1}}；各传感器采集的数据传输至IMC数采系统并导入数据存储终端保存。数据测量采集系统及数据传输走向如图3所示。

1.3　测试方案及分析

线路的设计速度为350 \mathrm{k}\mathrm{m}\bullet {\mathrm{h}}^{-\mathrm{1}}，考虑了10%的增长速度冗余后，最高试验速度为385 \mathrm{k}\mathrm{m}\bullet {\mathrm{h}}^{-\mathrm{1}}。为了探究在\mathrm{180}~\mathrm{385}\mathrm{k}\mathrm{m}\bullet {\mathrm{h}}^{-\mathrm{1}}速度范围内隧道气动效应的基本特性和变化规律，列车先以10 \mathrm{k}\mathrm{m}\bullet {\mathrm{h}}^{-\mathrm{1}}为提速单位，逐步从\mathrm{180}\mathrm{k}\mathrm{m}\bullet {\mathrm{h}}^{-\mathrm{1}}提速至380 km · h^-1；以5 km · h^-1为提速单位，从380 \mathrm{k}\mathrm{m}\bullet {\mathrm{h}}^{-\mathrm{1}}提速至385 km · h^-1。同一列车速度级下正、反向各通过隧道一次记为一组往返试验，两条隧道分别完成22组往返试验，并将正向运行记为“重复试验-1”、反向运行记为“重复试验-2”。取列车车头驶入隧道的时刻为0，当列车以320 \mathrm{k}\mathrm{m}\bullet {\mathrm{h}}^{-\mathrm{1}}速度通过隧道A和列车以310 \mathrm{k}\mathrm{m}\bullet {\mathrm{h}}^{-\mathrm{1}}速度通过隧道B时，x_{\mathrm{n}}=\mathrm{220}\mathrm{m}测点处的气动压力时变曲线如图4所示。图中：V_tr为列车运行速度；气动压力为正表示比常压（即1个标准大气压）气体压力高的气体状态，反之为负。由图4可以看出：列车以相同速度正、反向通过隧道时，气动压力时变曲线波形、峰值均具有良好的吻合度。其他速度级下的气动压力时变曲线也表现出这一变化规律，可知列车在短隧道内正、反方向运行时，隧道内气动压力主要受列车速度的影响，因此有必要进一步研究隧道气动效应各参量随列车速度的增长特性。

2 试验结果

2.1　洞内气动压力

列车以速度180 \mathrm{k}\mathrm{m}\bullet {\mathrm{h}}^{-\mathrm{1}}通过隧道B时，洞内壁面x_{\mathrm{n}}=220 m测点处的气动压力时变曲线及隧道内压缩波、膨胀波传播规律如图5所示。图中：a—g分别为气动压力值突变时刻。由图5分析得到压缩波、膨胀波的形成与变化规律：列车驶入隧道产生初始压缩波，于时刻a抵达测点位置，造成时段a—b压力突增；列车尾部驶入隧道产生初始膨胀波，于时刻b传播至测点处，造成时段b—c压力陡降；在列车车头经过壁面测点前，时段c—d气动压力逐渐回升；之后列车车头驶过测点，由于车头周围压力损失造成时段d—e的压降，当列车车尾驶过测点，由于车尾周围压力回弹造成时段e—f的压升；由于初始压缩波传播至隧道出口后会以膨胀波的形式反射回测点，时段f—g会在点处形成压降；压缩波与膨胀波在隧道内往复传播且相互作用，由此形成所观察到的压力波波形周期性变化规律。这一规律表明，隧道壁面的气压波动是由列车驶入隧道产生的初始压缩波与膨胀波及其反射波、车头压力损失与车尾压力回弹相互叠加导致的。

由图5可知，当初始压缩波、初始膨胀波分别形成后，隧道内气动压力波的传播周期为两倍隧道长度与当地声速之比，隧道A的压力波传播周期约为10.8 s，同理隧道B的压力波传播周期约为4.7 s；隧道越短，气动压力波的往复周期时间越小、给定测点处的压力波动频率越高，此时从洞口反射回隧道洞内的气动压力波之间越容易形成波的叠加。

不同速度条件下，列车通过两条隧道x_{\mathrm{n}}=\mathrm{220}\mathrm{m}测点处的压力变化如图6所示。图中：∆P_{\mathrm{t}\mathrm{u}}为隧道壁面气动压力幅值变化值。由图6可知：隧道气动压力峰值随着列车运行速度的提升而增加，当列车速度从180 \mathrm{k}\mathrm{m}\bullet {\mathrm{h}}^{-\mathrm{1}}增至385 \mathrm{k}\mathrm{m}\bullet {\mathrm{h}}^{-\mathrm{1}}时，测点处的气动压力正峰值从0.19 kPa增至1.46 kPa；列车通过速度相同时，两条隧道内的气动压力峰值相差不大，如列车以180 \mathrm{k}\mathrm{m}\bullet {\mathrm{h}}^{-\mathrm{1}}速度进入两条隧道时，测点处的气动压力正峰值分别为0.19和0.20 kPa，峰值相对差值约5%；列车在净空面积相同的隧道运行时，隧道内气动压力峰值主要由列车速度决定。

为量化列车速度对于气动压力峰值的影响，进一步绘制不同速度条件下，列车通过两条隧道时气动压力正峰值、负峰值和峰峰值的变化曲线如图7所示。图中：P_{\mathrm{t}\mathrm{u}-\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}和P_{\mathrm{t}\mathrm{u}-\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}分别为作用于隧道壁面的气动压力正峰值和负峰值；∆P_{\mathrm{t}\mathrm{u}}为作用于隧道壁面的气动压力峰峰值，∆P_{\mathrm{t}\mathrm{u}}=P_{\mathrm{t}\mathrm{u}-\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-P_{\mathrm{t}\mathrm{u}-\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}。由图7可知：当列车速度从180 \mathrm{k}\mathrm{m}\bullet {\mathrm{h}}^{-\mathrm{1}}提升至385 \mathrm{k}\mathrm{m}\bullet {\mathrm{h}}^{-\mathrm{1}}时，隧道A的气动压力峰峰值从0.55 kPa增至2.60 kPa，隧道B的气动压力峰峰值从0.45 kPa增至2.70 kPa，隧道内气动压力的峰峰值均随列车速度的提升而显著增加。

初始压缩波在隧道洞内传播时的压力梯度变化是隧道气动效应监测的主要参量，且该参量对洞口微气压波峰值的大小有重要影响作用。列车以不同速度条件通过两条隧道时，x_{\mathrm{n}}=\mathrm{220}\mathrm{m}测点处的压力梯度时变曲线如图8所示。图中：压力梯度∆P_{\mathrm{g}\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{d}}为气动压力的微分，以气动压力上升为正、反之为负。由图8可知：当列车速度从320 \mathrm{k}\mathrm{m}\bullet {\mathrm{h}}^{-\mathrm{1}}提升至380 \mathrm{k}\mathrm{m}\bullet {\mathrm{h}}^{-\mathrm{1}}时，隧道A内初始压缩波的压力梯度峰值从3.9 \mathrm{k}\mathrm{P}\mathrm{a}\bullet {\mathrm{s}}^{-\mathrm{1}}增至7.0 \mathrm{k}\mathrm{P}\mathrm{a}\bullet {\mathrm{s}}^{-\mathrm{1}}；当列车速度从220 \mathrm{k}\mathrm{m}\bullet {\mathrm{h}}^{-\mathrm{1}}提升至310 \mathrm{k}\mathrm{m}\bullet {\mathrm{h}}^{-\mathrm{1}}时，隧道B内初始压缩波的压力梯度峰值从1.0 \mathrm{k}\mathrm{P}\mathrm{a}\bullet {\mathrm{s}}^{-\mathrm{1}}增至2.8 \mathrm{k}\mathrm{P}\mathrm{a}\bullet {\mathrm{s}}^{-\mathrm{1}}；两条隧道内的初始压缩波压力梯度均随列车速度提升而显著增加。

当气动压力作用于隧道洞内的附属设施时，对气压变化敏感的控制箱、照明指示灯具等附属设施容易受到影响并产生较大安全隐患。两条隧道内控制箱的位置高度等同于列车的车身中心高度，照明指示灯位于隧道壁面拱脚的位置，气动压力传感器布置方向垂直于附属设施表面；铺设于疏散通道的水沟盖板距离列车车身最近，传感器布置方向垂直于疏散通道的表面。不同列车速度、行车方向下，两条隧道x_{\mathrm{n}}=\mathrm{220}\mathrm{m}测点处控制柜、水沟盖板及照明指示灯的气动压力分别见表1—表3。表中：P_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}和P_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}分别为作用于附属设施的气动压力正峰值和负峰值；∆P_{\mathrm{m}-\mathrm{n}}为作用于附属设施的气动压力峰峰值，∆P_{\mathrm{m}-\mathrm{n}}=P_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-P_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}。由表1—表3可知：作用于附属设施的气动压力均随列车行驶速度的提升而增加；当列车速度达试验峰值时，洞内控制柜、水槽盖板和照明灯具所承受的气动压力正峰值P_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}分别约为1.66，1.46和1.37 kPa，气动压力峰峰值∆P_{\mathrm{m}-\mathrm{n}}分别约3.47，3.02和2.63 kPa，均未超过高速铁路隧道附属设施气动压力±9 kPa的设计安全限值；相同速度级条件下，气动压力峰值、峰峰值均表现为控制柜处>沟槽盖板处>照明指示灯处，由此认为对于给定隧道横截面，在相同速度级条件下的气动压力峰值、峰峰值在横、纵向空间内的分布存在一定差异。

2.2　洞口微气压波

如果隧址环境周围有居民区，那么洞口微气压波是监测隧道噪声是否超过限定标准的主要参量^［33］。而列车速度又对微气压波峰值具有决定性影响。列车以不同速度条件通过两条隧道时，洞外x_{\mathrm{t}}分别为\mathrm{20}和\mathrm{50}\mathrm{m}测点处的微气压波时变曲线如图9所示。图中：∆P_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{c}\mathrm{r}\mathrm{o}}为洞口微气压波的变化值。由图9可知：当列车速度从220 \mathrm{k}\mathrm{m}\bullet {\mathrm{h}}^{-\mathrm{1}}提升至385 \mathrm{k}\mathrm{m}\bullet {\mathrm{h}}^{-\mathrm{1}}时，隧道A洞外x_{\mathrm{t}}=\mathrm{20}\mathrm{m}处微气压波峰值从约3.0 Pa增加至39.3 Pa左右，隧道B洞外x_{\mathrm{t}}=\mathrm{20}\mathrm{m}测点处微气压波峰值从约2.0 Pa增加至26.3 Pa左右，洞口微气压波峰值均随列车速度提升而显著增加。

列车以不同速度通过两条隧道时，洞口x_{\mathrm{t}}分别为\mathrm{20}\mathrm{和}\mathrm{50}\mathrm{m}处的微气压波峰值随列车速度的变化曲线如图10所示。由图10可知：当列车速度在200~360 \mathrm{k}\mathrm{m}\bullet {\mathrm{h}}^{-\mathrm{1}}区间时，两条隧道洞口x_{\mathrm{t}}=\mathrm{20}\mathrm{m}测点处的微气压波峰值差异不明显；当列车以更高的速度385 \mathrm{k}\mathrm{m}\bullet {\mathrm{h}}^{-\mathrm{1}}通过隧道时，两条隧道洞口x_{\mathrm{t}}=\mathrm{20}\mathrm{m}测点处微气压波峰值分别约39.3和26.3 Pa，隧道A的微气压波比隧道B的高出13.0 Pa。总体而言，当列车在200~385 \mathrm{k}\mathrm{m}\bullet {\mathrm{h}}^{-\mathrm{1}}速度区间通过洞口为斜切型缓解结构的隧道时，洞口微气压波均未超限值^［35］，这表明隧道洞口设置斜切型缓解结构可有效地控制微气压波峰值。

既有研究表明，隧道出口微气压波与隧道内出口端的压力梯度成正相关^［1］。进一步对比相同列车速度下，两条隧道内的压力梯度时变曲线如图11所示。由图11可知：当列车速度为260 \mathrm{k}\mathrm{m}\bullet {\mathrm{h}}^{-\mathrm{1}}时，隧道A内的压力梯度峰值比隧道B内的高约0.4 \mathrm{k}\mathrm{P}\mathrm{a}\bullet {\mathrm{s}}^{-\mathrm{1}}，且随着列车速度的增加，压力梯度峰值的差异显著增加；当列车速度为380 \mathrm{k}\mathrm{m}\bullet {\mathrm{h}}^{-\mathrm{1}}时，初始压缩波的压力梯度峰值在两条隧道内的差值已达约1.0 \mathrm{k}\mathrm{P}\mathrm{a}\bullet {\mathrm{s}}^{-\mathrm{1}}，隧道A洞口微气压波峰值相对更高。

2.3　洞内列车活塞风

除隧道洞内气动压力和洞口微气压波之外，列车活塞风（列车通过隧道时产生的风速）对于设备设施安全也存在一定影响。不同速度条件下，列车通过两条隧道时洞内x_{\mathrm{n}}=220 m处壁面风速时变曲线如图12所示。图中：V_{\mathrm{p}}为隧道壁面测点处的列车风速峰值。由图12可知：隧道A内列车速度由200 \mathrm{k}\mathrm{m}\bullet {\mathrm{h}}^{-\mathrm{1}}增至370 \mathrm{k}\mathrm{m}\bullet {\mathrm{h}}^{-\mathrm{1}}时，列车风峰值由8.9 \mathrm{m}\bullet {\mathrm{s}}^{-\mathrm{1}}增至16.1 \mathrm{m}\bullet {\mathrm{s}}^{-\mathrm{1}}，隧道B内列车速度由180 \mathrm{k}\mathrm{m}\bullet {\mathrm{h}}^{-\mathrm{1}}至380 \mathrm{k}\mathrm{m}\bullet {\mathrm{h}}^{-\mathrm{1}}时，列车风峰值由7.1 \mathrm{m}\bullet {\mathrm{s}}^{-\mathrm{1}}增至20.2 \mathrm{m}\bullet {\mathrm{s}}^{-\mathrm{1}}，列车风峰值均随列车速度的提升显著增加；当列车驶离隧道后，隧道壁面测点处风速维持周期性变化，且峰值逐渐减小，直至降为环境风速。

不同速度条件下，列车通过两条隧道时洞内x_{\mathrm{n}}=220 m壁面测点处风速峰值见表4。由表4可知：当列车速度在180~300 \mathrm{k}\mathrm{m}\bullet {\mathrm{h}}^{-\mathrm{1}}时，两条隧道的风速峰值大致相同，换言之，列车行驶速度低于300 \mathrm{k}\mathrm{m}\bullet {\mathrm{h}}^{-\mathrm{1}}时，隧道洞口缓解结构、长度对隧道壁面风速峰值的影响有限；当列车速度大于300 \mathrm{k}\mathrm{m}\bullet {\mathrm{h}}^{-\mathrm{1}}后，随着列车速度的进一步增加，两条隧道内壁面测点风速峰值差值进一步扩大。

3 结论

（1）对于长度在2 000 m以内的短隧道，当列车通过的隧道净空面积相同时，隧道内气动压力峰值主要由列车速度决定；当列车速度达到380 \mathrm{k}\mathrm{m}\bullet {\mathrm{h}}^{-\mathrm{1}}时，通过隧道过程中作用于隧道洞内控制柜、水沟盖板、照明灯具的气动压力峰峰值分别为3.47，3.02和2.63 kPa，未超过高速铁路隧道附属设施安全设计标准。

（2）对于长度在2 000 m以内的短隧道，洞口微气压波峰值随列车速度提升而显著增加，当列车速度达到385 \mathrm{k}\mathrm{m}\bullet {\mathrm{h}}^{-\mathrm{1}}时，两条隧道在洞外x_{\mathrm{t}}=\mathrm{20}\mathrm{m}测点处的微气压波峰值分别约39.3和26.3 Pa，均未超洞口微气压波限值，在洞口设置斜切型缓解结构可有效控制微气压波峰值。

（3）对于长度在2 000 m以内的短隧道，洞内列车活塞风速会随列车速度的提升而增加，当列车速度达到385 \mathrm{k}\mathrm{m}\bullet {\mathrm{h}}^{-\mathrm{1}}时，通过隧道产生的隧道壁面风速峰值达20.18 \mathrm{m}\bullet {\mathrm{s}}^{-\mathrm{1}}；但列车速度低于300 \mathrm{k}\mathrm{m}\bullet {\mathrm{h}}^{-\mathrm{1}}时，隧道洞口缓解结构型式、隧道长度对列车通过隧道过程中诱导产生的活塞风速峰值影响并不大。

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基金资助

中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划课题（N2023T0 11-A（JB））

中国铁道科学研究院集团有限公司科研开发计划项目(2021YJ177)