时速400 km高速铁路车隧耦合气动效应研究进展

Research Progress on Train-Tunnel Coupling Aerodynamic Effects of High-Speed Railways at 400 km · h ^－1

摘要

CR450科技创新工程对时速400 km及更高速度的高速铁路技术发展提出了明确要求，随着动车组速度不断增大，其通过隧道时产生的气动效应愈加显著，影响运营的舒适性和安全性。基于文献调研、数值仿真及实车试验，研究时速400 km高速铁路隧道的关键技术问题，包括隧道合理净空面积、微气压波缓解措施、附属设施气动载荷以及动车组噪声4个方面。结果表明：列车密封指数大于17 s时，100 m²净空面积的隧道依然能够满足时速400 km运营的乘车舒适性和车体强度要求；在压缩波激化作用下隧道长度超过4.0 km后微气压波峰值激增，需重点关注降低阻塞比、洞口缓解结构和洞内辅助坑道等缓解措施；时速400 km高速铁路隧道附属设施气动载荷建议值在单车工况下的正负峰值分别为3.0和4.8 kPa，交会工况下分别为6.2和10.2 kPa；提速后在隧道环境下车内外噪声均随速度增高显著增加，客车内外噪声可分别为约80和125 dB（A），可通过“车-线”协同设计等方法降低车内噪音。

Abstract

The CR450 Science and Technology Innovation Project has set clear requirements for the development of high-speed railway technologies at 400 km · h^-1 and above. As the operating speed of electric multiple units (EMUs) continues to increase, the aerodynamic effects induced during tunnel passage become increasingly significant, affecting operational comfort and safety. Based on a literature review, numerical simulations, and full-scale field tests, this study investigates key technical issues related to high-speed railway tunnels at 400 km · h^-1, including reasonable tunnel clearance area, mitigation measures for micro-pressure waves, aerodynamic loads on ancillary facilities, and EMU noise. The results show that when the train sealing index exceeds 17 s, a tunnel with a clearance area of 100 m² can still satisfy the requirements for ride comfort and carbody structural strength during operation at 400 km · h^-1. Under the action of compression wave, the peak micro-pressure wave increases sharply when the tunnel length exceeds 4.0 km; therefore, special attention should be paid to mitigation schemes such as reducing the blockage ratio, installing portal mitigation structures, and arranging auxiliary tunnels inside the main tunnel. The recommended positive and negative peak aerodynamic loads on ancillary facilities in 400 km · h^-1 high-speed railway tunnels are 3.0 and 4.8 kPa, respectively, under single-train operation, and 6.2 and 10.2 kPa, respectively, under train-crossing operation. After speed enhancement, both interior and exterior noise levels in tunnel environments increase significantly with increasing train speed. The interior and exterior noise levels of passenger cars can reach approximately 80 and 125 dB(A), respectively. Interior noise can be reduced through integrated train-infrastructure design and other coordinated measures.

Graphical abstract

关键词

CR450科技创新工程 / 隧道工程 / 时速400 km / 气动效应 / 微气压波 / 附属设施气动载荷 / 气动噪声

Key words

CR450 Science and Technology Innovation Project / Tunnel engineering / 400 km · h^-1 / Aerodynamic effects / Micro-pressure waves / Aerodynamic loads on ancillary facilities / Aerodynamic noise

21世纪以来，世界上铁路技术强国均加快了高速铁路提速步伐。2005年日本推出了最高运行速度为360 km · h^-1的E956型ALFA-X新型高速动车组^［1］，该车曾以400 km · h^-1速度在夜间运行；西门子公司在2018年公布了设计速度为360 km · h^-1的新一代高速动车组—Velaro Novo^［2-3］；韩国现代公司（Hyundai Rotem）在法国TGV Reseau型动车组基础上进行创新，制造出了设计速度达430 km · h^-1的HEMU-400X型和HEMU-430X型高速动车组^［4-6］；俄罗斯于2024年敲定了时速400 km的莫斯科—圣彼得堡高速铁路建设方案。

中国作为高速铁路行业的后来者，历经近30年的技术发展，经历了“引进、消化、吸收、再创新”4个阶段。截至2025年底，全国铁路营业总里程达16.5万km，其中高铁里程超5万km，目前投入运营的铁路隧道19 573座，总长约25 242 km^［7］。为巩固我国高铁技术世界领跑优势，构建自主可控的铁路产业链供应链，2022年国务院印发了“十四五”现代综合交通运输体系发展规划，提出开展更高速度等级中国标准动车组、谱系化中国标准动车组研发。随着列车速度进一步提升，列车在隧道内运行时诱发的空气动力学效应更为显著，影响隧道运营舒适性和安全性^［8-10］。为保障更高速度高铁隧道的顺利建设，在隧道空气动力学方面需要重点关注的主要问题有：①高速铁路隧道合理净空面积；②隧道洞口微气压波缓解措施；③附属设施气动载荷；④高速动车组噪声。

本文围绕时速400 km高速铁路车隧耦合气动效应中的关键问题，结合文献调研、数值仿真和实车试验，系统梳理时速400 km隧道净空面积、洞口微气压波缓解措施、隧道内附属设施气动载荷以及动车组噪声等方面的研究进展，分析时速400 km条件下既有时速350 km隧道净空面积的适应性，提出时速400 km高速铁路隧道附属设施气动载荷建议值，总结隧道环境下动车组车内外噪声的变化特征及控制方向，以期为CR450科技创新工程及更高速度高铁隧道建设提供参考。

1 高速铁路隧道合理净空面积

净空面积是高速铁路隧道关键设计参数之一，直接影响列车通过隧道时产生的空气动力学效应。在保证乘车舒适性的前提下，合理的净空面积可降低高速铁路建设成本。净空面积的确定既要考虑隧道建筑限界和机车车辆限界，也要考虑列车通过隧道时诱发的空气动力学效应，特别是车内瞬变压力对乘员听觉健康和舒适度的影响^［11-13］。表1为部分国家及地区高速铁路隧道运营速度和净空面积。

由表1可知：日本隧道净空面积最小，时速240~300 km的双线隧道净空面积仅为61~64 m^2［14］，这是由于早期日本主要以提高列车密封指数增大乘车舒适性，对隧道净空面积要求不高^［15］；我国高速铁路隧道净空面积是根据“八五”国家科技攻关计划《高速铁路线桥隧设计参数的选择研究报告》提出的，时速250和350 km的高速铁路双线隧道净空面积分别为92和100 m²。

密封指数直接影响列车在隧道内运行时的乘车舒适性，分为静态密封指数和动态密封指数，动态密封指数一般为静态密封指数的1/3~1/2。我国正在服役的CR400系动车组静态密封指数技术条件为100 s^［16］；标准TB/T3250—2010《动车组密封设计及试验规范》第5.1.2.2条规定，对于速度等级250~350 km · h^-1动车组的车体密封应能应满足“车内压力变化从4 kPa降到1 kPa时间大于50 s”要求，可估算得到CR400列车动态密封指数为33~50 s、CR380系等老一代列车动态密封指数为17~25 s^［17］。

车速进一步提升至400 km · h^-1后，列车通过隧道产生的气动效应显著增强，作用于车体表面的气动压力显著增大^［18］，且气动压力将通过车辆的通风设备、密封装置等传导至列车内部，造成乘客耳痛、头痛和呕吐等反应，影响旅客乘坐的舒适性^［19］。因此，既有时速350 km高速铁路隧道净空面积能否满足时速400 km高速铁路运行需求，是否需要增大净空面积是时速400 km高速铁路研究需要解决的关键问题之一。中南大学、中铁西南科学研究院有限公司和中铁二院工程集团有限责任公司等基于数值仿真讨论了考虑乘车舒适性下的时速400 km隧道需满足的净空面积^［20-22］。图1为时速400 km隧道不同净空面积下车内3 s瞬变压力峰值，采用的车型为CRH₃型和CR380系动车组。

随后，采用CR400系动车组进行数值仿真，讨论时速400 km隧道净空面积。采用CR400AF型动车组仿真计算模型对时速400 km隧道的合理净空面积进行仿真分析，运行速度400 km · h^-1，车高4.05 m，车宽3.36 m，列车长度选用200 m^［23-24］，动车组模型表面网格如图2所示。

动车组以400 km · h^-1速度在最不利长度隧道中心交会时车内外压力变化曲线如图3所示。图中：τ为密封指数。由图3可见：随着密封指数的提高，车内压力变化愈加平缓。

车内3 s瞬变压力峰值与密封指数关系曲线如图4所示。由图4可知：当车辆密封指数大于17 s时车内3 s瞬变压力峰值为791 Pa，满足标准TB 10761—2024《高速铁路工程动态验收技术规范》中车内3 s瞬变压力不超过800 Pa的气动舒适度要求，即CR400系动车组气密性能够满足动车组以400 km · h^-1速度在净空面积100 m²隧道内运行时的舒适性要求。

为验证净空面积100 m²隧道能否满足时速400 km高速列车运行的要求，在我国某高铁线路隧道群开展了系列实车试验，隧道长度分别为300~12 000 m等，涵盖短、中、长和特长4种隧道长度等级，净空面积均为100 m²。列车在上述隧道中单车通过和2车交会时车内3 s瞬变压力峰值对比如图5所示。由图5可知：与单车隧道内通过时相比，隧道内2车交会产生的车内3 s瞬变压力峰值在350~400 km · h^-1速度时增大41%~103%；动车组在净空面积为100 m²的隧道内高速通过和交会时，车内3 s压力变化峰值均未超过标准限值，与单车通过时相比，隧道交会时对车体密封性要求更高；其中需要注意的是，时速400 km中点交会工况下车内3s瞬变压力峰值恰好为800 Pa，原因是动车组在运行过程中动态密封指数存在波动性，且随着动车组运营年限的提高其密封性能有所下降，致使车内瞬变压力峰值增大。试验结果进一步验证了100 m²的隧道净空面积能够满足时速400 km运营要求。

2 隧道洞口微气压波缓解措施

列车高速驶入隧道时产生初始压缩波，该波以当地音速传播至隧道出口时骤然释放形成脉冲波，即为“微气压波”，其强度达到一定值时，可能影响周围房屋窗框稳定性，甚至产生爆破性轰鸣声干扰周边居民正常生活和行车秩序^［25］。随着我国中西部地区高速铁路的逐渐增多及车速的提升，隧道洞口微气压波峰值显著增大，干扰隧址周边居民正常生活，主要原因有以下3个方面。

1）既有高速铁路隧道洞口缓冲措施无法适应更高速度列车运行要求

目前，我国高速铁路隧道常用的洞口结构型式有端墙式、倒切式、等环斜切式和扩大斜切式等。研究表明，隧道洞门对微气压波缓解效果的排序为：端墙式<倒切式<等环斜切式<扩大斜切式^［26-29］。因此，以扩大斜切式洞缓冲结构作为研究对象，分析车速提升对洞口微气压波峰值的影响。

图6为列车以不同速度通过净空面积为100 m²但长度不同隧道时洞口微气压波峰值与隧道长度的关系曲线^［30］。由图6可知：相同车速下微气压波峰值将随隧道长度增大先增大后减小；隧道长度大于4 km后，微气压波峰值激增，在7 km附近达到最大值，随后随着隧道长度的增加逐渐减小。

之所以隧道长度超过4 km后微气压波峰值激增，主要是由于隧道长度较长，惯性效应和摩擦效应的耦合作用下导致波形畸变，且惯性作用必将大于摩擦效应，压缩波温度、密度增长较快，在激化作用下压力梯度逐渐升高^［31］。图7为列车以不同速度通过长度为8 434 m隧道时不同纵向位置处压力梯度峰值。由图7可见：当车速超过一定限值时，波前梯度变陡，以列车速度为385 km · h^-1为例，压力梯度峰值由6.30 kPa · s^-1增至33.99 kPa · s^-1。

图8为仿真计算中列车以350和400 km · h^-1速度通过不同长度隧道时隧道微气压波峰值。由图8可知：微气压波峰值随车速提高增幅明显，车速为400 km · h^-1时洞口20 m处的微气压波峰值可达192.1 Pa，严重超过了规范容许值50 Pa；值得注意的是，长、特长隧道对应的洞口20 m处微气压波峰值较小、中长隧道显著增加，时速400 km时长度8 000 m的隧道洞口20 m处微气压波峰值较长度500 m的隧道增大了359.57%；随着隧道长度增加，压缩波激化效应增强，微气压波峰值增大，但当隧道长度超过一定值时，由于摩擦耗散距离增大，压缩波能量受摩擦效应削弱，微气压波峰值反而有所减小。

2）长大隧道内微气压波缓解措施研究较少

制定微气压波缓解措施首先要明晰微气压波生成过程，既有研究表明初始压缩波的非线性效应直接影响微气压波峰值强度^［32］，前节讨论也表明微气压波量级与初始压缩波压力梯度成正比。压缩波在长大无砟轨道隧道内将以一维形态向隧道出口传播且波形逐渐变陡，导致洞口微气压波峰值提高，当列车速度超过310 km · h^-1后，微气压波峰值与车速的6~15次方成正比^［28］。因此，缓解微气压波的关键在于降低初始压缩波的压力梯度。

目前微气压波的主要缓解措施如下。

（1）优化列车流线型结构^［33-34］。中国科学院采用模型试验论证了列车头部流线型长度对微气压波峰值的影响^［35］。研究发现，鼻锥结构越长即车头截面变化率越小，隧道内压力波波形愈平缓，压力梯度越低，对应微气压波峰值越小。在设计中也应尽量保持车体表面平滑，降低微气压波。

（2）降低阻塞比。日本学者Yamamoto基于低频远场的假设，利用线性声学理论得出微气压波p(r,t）的近似计算式为^［36］

p(r,t)=k\frac{\mathrm{2}A}{\Omega \mathrm{c}\mathrm{r}}（1）

其中，

k=\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}\left(\frac{\mathrm{d}p}{\mathrm{d}t}\right)

式中：r为测点至隧道出口中心的距离，m；t为气动载荷从测点传播到隧道出口中心的时间，s；A为隧道净空断面面积，m²；Ωcr为代表隧道出口地形的空间立体角；k为隧道出口处压力梯度峰值；p为隧道出口微气压波峰值。

由式（1）可知，通过增大隧道断面或减小车体横截面积可减缓隧道内的压力，进而降低微气压波。现场试验表明，多重优化后的新型动车组以时速400 km通过长大隧道时微气压波峰值仍达100 Pa以上，具体数值与车速关系如图9所示，且在出口处监测到音爆噪声；既有高铁隧道难以扩大净空面积，而新建隧道提高面积后会大大增加工程成本。因此，降低阻塞比虽可有效缓解微气压波，但难以作为时速400 km长大隧道微气压波控制的唯一措施，需进一步结合洞口缓冲结构、辅助坑道等措施开展综合控制。

（3）设置洞口缓冲结构。前文提到，扩大斜切式开孔缓冲结构的缓冲效果最优，调节斜切率、开孔率、缓冲结构长度、截面面积等均将影响微气压波缓解率^［37-38］。不同缓冲结构长度对应的微气压波峰值如图10所示，图中：L为缓冲结构长度；峰值为正表正峰值、为负表负峰值。缓冲结构上的空气动力学开孔形状对其缓冲效果影响较小^［39］；当隧道长度1 km、列车速度400 km · h^-1时，缓冲结构长度为88.56 m，斜切角度为30°且顶部开设2个孔时微气压波缓解效果最好，缓解率可达70%左右^［40］；对于扩大断面缓冲结构，当断面面积为隧道净空面积的1.5倍时缓解效果最好^［41-42］。洞口缓冲结构对压缩波峰值的影响甚微，但可以较为有效地减小初始压缩波压力梯度^［43］，在列车驶入端设置挡板可降低初始压缩波压力梯度，在出口沿线设置声屏障最大可将隧址周边居民区微气压波和噪声降低20%以上。由于长大隧道现场测试难、仿真计算量大，鲜有分析长大隧道微气压波缓解措施的相关研究。

（4）布置辅助坑道。横通道、竖井、斜井等辅助坑道可对初始压缩波起到分流作用，降低其传播至洞口时的压力梯度。郑万高铁实车试验表明，当列车时速为350 km时开设单一辅助坑道后长度为10.8和6.8 km的隧道微气压波分别降低了26%和54%。为探明时速400 km时开设辅助坑道缓解长大隧道微气压波的效果，在长度为13.928 km的万安隧道开展了实车试验。图11为该隧道辅助坑道设置^［40］，隧道洞身段设3处斜井，分别为南元坑斜井（距进口1 982.3 m，与线路夹角为35°）、陈屋斜井（距进口9 898.3 m，与线路夹角为83°）和九龙坑斜井（已封堵）。

分别封闭南元坑斜井、陈屋斜井及这2个斜井全封闭、全打开，测试CR400AF型动车组通过隧道时隧道洞内压力梯度，结果如图12^［44］所示。图中：纵向距离为测点至隧道进口间的距离。

由图12可知：单独开启南元坑斜井时测点压力梯度峰值反而有所提高，原因可能是南元坑斜井距离隧道入口较近且曲率较大，列车高速通过隧道产生的初始压缩波在此处不能流畅的排出，形成驻波，提高了初始压缩波强度；单独开启陈屋斜井、斜井全部打开均可降低隧道内压力梯度峰值，同时开启全部斜井时缓解率最大，可达27.5%。可见，开启辅助坑道可在一定程度上缓解微气压波，但需要考虑辅助坑道倾角、长度、布设位置和组合缓解效果等。

3）地形限制和安全考量导致缓冲措施设置不足

西北西南等地的山区铁路隧道由于地形限制难以修建较长的缓冲结构，影响其缓解效果；缓冲结构常常配套空气动力学开孔，且顶部开孔的缓解效果更优^［45］，在实际运营中为防止落石一般将开孔设置在侧面，降低了微气压波缓解率。

3 隧道内附属设施气动载荷

列车高速驶入隧道时产生的压缩波将对隧道内的附属设施如防护门、设备箱、照明设备等设备产生反复作用的冲击力，长期作用下容易引发附属结构物的疲劳损伤，强度达到一定值时甚至导致附属设施破坏^［46-47］。图13为列车分别以时速350和400 km通过某长度为1 524 m的隧道时隧道内附属设施表面气动载荷峰值。由图13可知：时速400 km条件下附属设施气动载荷正、负峰值和峰峰值较时速350 km时分别增大了46.00%，118.50%和90.56%，因此需要拟定时速400 km附属设施气动载荷建议值。

标准TB 10621—2014《高速铁路设计规范》条文说明规定了时速250~350 km对应的高速铁路隧道附属设施气动载荷建议值见表2。

目前，国内外暂无时速400 km高速铁路隧道内附属设施气动载荷的控制标准，下面从数值仿真和现场试验2个方面分析时速400 km附属设施气动载荷建议值。

列车以时速400 km在最不利长度隧道中心交会时附属设施气动载荷峰值仿真计算值与既有时速350 km附属设施气动载荷建议值对比如图14所示，表3为对应的附属设施气动载荷峰值仿真计算结果。图中：气动载荷为正时表示气动载荷正峰值，为负时表示气动载荷负峰值。数据表明，列车提速至时速400 km后隧道内附属设施气动载荷峰值超过了既有规范对时速350 km附属设施气动载荷的规定，尤其是单车通过工况超出值较多，需重新考量时速400 km附属设施气动载荷建议值。

图15为某高速铁路隧道内附属设施表面气动载荷与车速关系曲线。由图15可知：列车高速通过隧道时附属设施表面气动载荷与车速约呈2次方关系。

动车组以时速350，400和420 km通过长度为620 m的隧道时，附属设施表面气动载荷正峰值、负峰值以及峰峰值见表4。由表4可知：时速400 km时附属设施所承受的气动载荷峰峰值为7.51 kPa。

动车组分别以350和400 km · h^-1速度在该测试隧道中点交会时，附属设施表面气动载荷正峰值、负峰值以及峰峰值见表5。由表5可知：交会工况下附属设施气动载荷增幅显著，以400 km · h^-1为例，列车交会时附属设施气动载荷正、负峰值和峰峰值较单车通过时分别增大了85.71%，86.77%和86.42%。

综上，时速400 km高速铁路隧道附属设施气动载荷建议值为：单车工况下正峰值、负峰值分别为3.0和4.8 kPa；交会工况下分别为6.2和10.2 kPa。

4 高速动车组噪声

相对于明线环境，隧道环境下高速列车产生的气动噪声、轮轨噪声随着速度提升而增大，尤其是气动噪声以速度的6~8次方快速增大^［48］。在隧道阻塞效应和壁面反射效应共同作用下，噪声声源强度和传播至车身的声能量均有增加，使列车在隧道内运行时车体内外噪音显著增强，严重影响司乘人员和隧址附近居民的舒适性。同时，在低频段受到压缩和膨胀波的叠加影响时，气动噪声峰值大大提高。

当前国际铁路联盟（UIC）针对隧道内车内不同位置噪声提出了限值标准，主要涉及标准UIC 660—2002和UIC 651—2002。我国针对动车组车内噪声限值发布了TJ/CL 342A—2014和铁总科技 ［2014］210号等一系列噪声限值标准，国内外不同车内噪声限值标准见表6^［49］，但尚且缺乏针对更高速度的车内噪声标准。在实现更高速度列车轻量化、舒适化设计要求下，急需开展针对隧道环境下车内外噪声的车-隧耦合系统性研究。

考虑到隧道内噪声声波受隧道壁反射效应和对流效应的影响，结合大涡模拟和声扰动方程求解了隧道内高速列车近场气动噪声。仿真表明，相对于明线条件，隧道内列车表面噪声增大约9.8 dB，其中来自气流阻塞效应的贡献约为25.3%，而隧道壁对声波反射效应的贡献约为74.7%^［50］。

在隧道反射作用下，隧道空间内声能量分布如图16所示。图中：1，2，3和4表示列车不同纵向位置处的横截面。由图16可知：在隧道壁面反射效应作用下，隧道内声学能量主要集中在隧道拱脚附近。

不同隧道壁反射效应下声能量分布如图17所示。图中：无量纲高度为“0”和“1”时分别表示拱底和拱顶。由图17可知：双线隧道壁面气动噪声最大值出现在列车行驶侧附近拱脚处，为126.5 dB；单线隧道内噪声显著大于双线隧道。

某隧道的现场试验表明，动车组以时速400 km通过隧道时车内噪声较明线增加约6~8 dB，客室端部和中部噪声最大值均为80 dB（A），已超过针对时速350 km动车组提出的噪声限值，该环境下司乘人员烦扰度高，语音清晰度低，严重影响乘坐舒适性。在另一项现场试验研究中，车内声学试验结果表明隧道环境下车内不同位置噪声变化量有一定差别，在头车处噪声变化相对较小，列车不同位置声压级增量见表7^［51］。

相同速度下，在隧道洞口处测得噪声相比明线环境下高20 dB以上^［52］。在某隧道内开展了隧道内噪声现场测试，其中400 km · h^-1速度单车和双车交会工况下隧道内声压级-时间变化曲线如图18所示。由图18可知：隧道壁面上距地面1和4 m高处噪声最大值高于123.6 dB（A），在该环境下噪声可能会造成不可逆的听觉器官损伤。

综上，设计新型动车组时，应加强重点区域吸隔声设计，研发新型轻质吸声结构，在满足车内噪声控制指标的同时，兼顾车体轻量化的协同设计；同时开展隧道降噪方案研究，根据隧道长空间混响特性提出吸声降噪方案，从“车-线”两方面共同降低隧道内客室噪声。

5 结论

（1）列车密封指数大于17 s时，既有净空面积为100 m²的时速350 km高铁隧道在提速至时速400 km后仍然能够满足乘车舒适性和车体强度要求。

（2）从缓解措施角度分析了高速铁路隧道微气压波超限原因，主要包括：由于长大无砟轨道隧道内初始压缩波受激化作用显著，既有高速铁路隧道洞口缓冲措施无法适应更高速度列车运行要求；微气压波缓解措施研究不足，缺乏长大隧道洞口微气压波缓解结构，辅助坑道对微气压波强度的缓解效果有限，且受倾角、净空面积、布设位置等多方面的影响；地形限制和安全考量导致缓冲措施设置不足。

（3）时速400 km下附属设施气动载荷峰值较时速350 km可增加1倍以上，结合实车测试和数值仿真提出时速400 km高速铁路隧道附属设施气动载荷建议值为：单车工况下正、负峰值分别为3.0和4.8 kPa，交会工况分别为6.2和10.2 kPa。

（4）阻塞效应和壁面反射使隧道环境下列车噪声相对明线有显著增加，尤其拱脚处声能量较大。400 km · h^-1速度下高速列车的车内噪声可达约80 dB（A），车外噪声可达约125 dB（A）。未来研究中需在隧道环境下设计“车-线”协同的降噪方案。

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基金资助

国家重点研发计划项目(2022YFB2603400)