高速鐵路隧道空氣動力效應控制技術（簡體書）

《高速鐵路隧道空氣動力效應控制技術》以作者所參與的科研項目及我國高速鐵路隧道發展狀況為背景，對高速鐵路隧道車隧氣動效應展開深入分析，為車隧氣動效應的緩解和治理提供參考。在組織體系上，注重深入淺出，首先從發生機理出發，明確其特徵和控制方法；然後對每種控制措施的特徵進行探討和分析；最後通過工程實例的效果分析，明確各種措施的綜合應用方法。
《高速鐵路隧道空氣動力效應控制技術》對我國高速鐵路建設和科研工作者都有重要參考和借鑒意義。·

《高速鐵路隧道空氣動力效應控制技術》由科學出版社出版。

前言
第1章 緒論
1.1 世界高速鐵路的發展概況
1.1.1 國外高速鐵路發展情況
1.1.2 我國高速鐵路發展情況
1.2 高速鐵路隧道氣動效應研究
1.2.1 高速鐵路隧道的特點
1.2.2 世界各國及地區高速鐵路隧道技術要點
1.2.3 我國高速鐵路隧道的特點
1.2.4 車隧氣動效應的解決方法
1.3 本書主要內容
參考文獻

第2章 高速鐵路隧道空氣動力學基本理論及研究方法
2.1 車隧氣動效應產生機理
2.1.1 車隧氣動效應問題的提出——微氣壓波及瞬變壓力
2.1.2 氣動效應影響因素分析
2.1.3 列車的壓力舒適度問題
2.1.4 隧道線路相關問題
2.1.5 小結
2.2 高速鐵路隧道空氣動力學研究方法
2.2.1 模型試驗研究
2.2.2 數值模擬方法的研究
2.2.3 現場測試技術及方法
2.2.4 小結
參考文獻

第3章 緩解空氣動力效應的主要措施
3.1 洞口緩衝結構緩解效果分析及工程應用
3.1.1 斷面擴大無開口型緩衝結構
3.1.2 喇叭形緩衝結構
3.1.3 開口型緩衝結構的作用機理
3.2 豎井緩解效果分析及工程應用
3.2.1 豎井緩解氣動效應原理
3.2.2 豎井緩解氣動效應參數分析
3.2.3 小結
3.3 橫通道緩解效果分析及工程應用
3.3.1 橫通道緩解氣動效應原理
3.3.2 橫通道緩解氣動效應參數分析
3.3.3 小結
參考文獻

第4章 典型工程應用
4.1 遂渝鐵路緩解車隧氣動效應措施研究
4.1.1 工程背景
4.1.2 無緩解措施車隧氣動特性分析
4.1.3 有緩衝措施時車隧氣動特性分析
4.1.4 小結
4.2 京滬鐵路緩解車隧氣動效應措施研究
4.2.1 工程背景
4.2.2 緩衝設施緩解微壓波氣動效應措施綜合分析
4.2.3 小結
4.3 地下車站緩解車隧氣動效應措施研究
4.3.1 工程背景
4.3.2 地下車站緩解壓力舒適度綜合措施分析
4.3.3 磁浮地下車站緩解壓力微壓波綜合措施分析
參考文獻·

第1章 緒論
1.1 世界高速鐵路的發展概況
自1903年德國西門子公司生產首列速度達到200km/h以上的電力機車以來［1］，高速鐵路的發展已有一個世紀的歷史了，高速鐵路事業有了突飛猛進的發展，已經成為鐵路現代化的重要標志。
鐵路運輸遠遠早于汽車運輸，1825年9月27日，世界上第一條鐵路在英國Stockton和Darlington之間開通，利用蒸汽機車牽引列車。19世紀末，鐵路運輸業進入第一個高速發展時期，全球鐵路總長超過120萬km。進入20世紀以后，汽車、航空、水運和管道運輸迅速發展，汽車的短途客貨運輸量逐漸超過了鐵路運輸。尤其是高速公路網的形成，不僅吸引了大量的中短途旅客，而且大型集裝箱運輸能快捷方便地到達目的地，使公路運輸成為中短途貨運的主要手段。各國鐵路客貨運輸量逐年下降，尤其是在發達國家出現了大幅度下降，鐵路運輸業連年經營虧損。到了50年代，在發達國家鐵路運輸業已成為夕陽產業。
1964年10月，日本建成世界上第一條現代化高速鐵路――東海道新干線，列車運營速度為210～230km/h，運行時間誤差低于1min，耗能為汽車的1/5，無廢氣排放。這條高速線在幾十年的運營中，吸引了東京至大阪90%的乘客，取得了舉世矚目的成就。由此，鐵路運輸尤其是高速鐵路運輸引起世界各國的高度重視。
近二十年來，一些經濟技術發達的國家相繼修建了高速鐵路。高速鐵路速度目標值一直在提高，比過去的運營速度上了兩個臺階。20世紀60年代到80年代初，列車速度由210km/h提高到250km/h，80年代中到90年代末，列車速度由250km/h提高到300km/h。目前，高速列車的線路運行速度達到350km/h。在京滬線的試運行期間，高鐵啟用國產“和諧號”CRH380A新一代高速動車組。在滬杭高鐵試運行期間，最高時速達到416.6km/h，刷新世界鐵路最高運行時速。
1970年5月，日本政府在第71號法律《全國新干線鐵路整備法》中規定：“列車在主要區間能以200km/h以上速度運行的干線鐵路稱為高速鐵路”。這是世界上第一個以國家法律條文的形式給高速鐵路下的定義。1985年5月，聯合國歐洲經濟委員會將高速鐵路的列車最高運行速度規定為：客運專線300km/h，客貨共線250km/h。1986年1月，國際鐵路聯盟秘書長勃萊認為，高速列車最高運行速度應不小于200km/h。因此，國際上目前將列車最高運行速度大于等于200km/h的鐵路稱為高速鐵路，我國把新建最高運行速度不小于250km/h和改建既有線最高運行速度不小于200km/h的鐵路稱為高速鐵路［2］ 。這就給出了高速鐵路更為明確清晰的定義。
如果以國際鐵路聯盟規定的最高運行速度應不小于200km/h作為高速鐵路的定義，則符合條件的國家除中國以外，還有日本、法國、德國、西班牙、英國、意大利、瑞典、芬蘭、美國、韓國和俄羅斯，以及巴黎―布魯塞爾―科隆/阿姆斯特丹高速線（法國、比利時、德國和荷蘭區域）和“歐洲之星”線（英國、法國和比利時區域）。下面對日本、法國、德國、西班牙、意大利、英國的高速鐵路發展狀況作簡單介紹。
1.1.1　國外高速鐵路發展情況［3］
1.日本
日本是世界上第一個運營高速鐵路的國家，1964年開始東海道（東京―大阪）高速鐵路運輸。它的成功運營促進了其他高速干線（表1.1.1）的建設。2006年初，新干線高速鐵路網由6條專用線組成，總長度為2175.2km，還包括兩條改建線路――山形線和秋田線。根據日本的高速鐵路網擴建計劃，預計至2013年還將建設5條高速線，總長度為1141.3km，見表1.1.1。
表1.1.1　日本高速鐵路線
線　路 線路長度/km 開始運營年份/年 最高速度/（km/h）
東京―大阪（東海道線） 515.4 1964 270
大阪―博多（山陽線） 553.7 1972/1975（分階段） 300
東京―盛岡―八戶（東北線） 593.0 1982/2002（分階段） 275
東京―新（上越線） 269.5 1982 275
高崎―長野（北陸線） 117.4 1997 260
八代―鹿兒島（九州島線） 126.1 2004 260
2.法國
法國高速干線和機車車輛的設計始于日本東海道新干線商業運營成功之后。1981年首次在歐洲運營的TGV列車（高速列車）是經特殊制造的，用于巴黎―里昂的旅客運輸，最高速度為260km/h，后來速度提高到270km/h。目前這些線路稱為LGV線路，見表1.1.2。
表1.1.2　法國高速鐵路線
線　路 線路長度/km 開始運營年份/年 最高速度/（km /h）
巴黎―里昂（LGV 東南線） 427 1981/1983 270
里昂―瓦朗斯（LGV 東南線） 83 1994 270
里昂環行線 38 1992 270
巴黎―勒芒/圖爾（LGV 大西洋線） 282 1989/1990 300
巴黎―里爾―加來/比利時邊界（LGV 北歐線） 333 1993 320
巴黎環行線 104 1995 ―
瓦朗斯―馬賽―蒙彼利埃（LGV 線） 302 2001 300
3.德國
德國第一批高速線路于1991年投入運營，線路總長度達2620km ，見表1.1.3。允許最高速度為280km /h （科隆―法蘭克福線路最高速度為300km/h）。
表1.1.3　德國高速鐵路線
線　路 線路長度/km 開始運營年份/年 最高速度/（km /h）
漢諾威―維爾茨堡 327 1988/1991 280
曼海姆―斯圖加特 99 1991 280
柏林―漢諾威 264 1998 280
科隆―法蘭克福 177 2002 300（330）
4.西班牙
目前，在西班牙國營鐵路（REN FE）網內有4條高速線路（表1.1.4），運行AVE 系列高速列車。
表1.1.4　西班牙高速鐵路線
線　路 線路長度/km 開始運營年份/年 最高速度/（km /h）
馬德里―塞維利亞 471 1992 300
馬德里―托萊多 74 2005 270
馬德里―萊利達 481 2003/2005 200（350）
馬德里―巴塞羅那 640 2008 300
5.意大利
意大利正式運營的高速線路有兩條：新建專線羅馬―佛羅倫薩，長252km ，用于運營旅客列車和貨物列車及最高速度為250km /h 的ET R 系列動車組；在建線羅馬-那波利之間的第一階段，長度為186km 。自2005年12月運營以來的高速列車最高速度為300km /h （表1.1.5）。
表1.1.5　意大利高速鐵路線路
線　路 線路長度/km 開始運營年份/年 最高速度/（km /h）
羅馬―佛羅倫薩 252 1977/1992（分階段） 250
羅馬―那波利（第一階段） 186 1999/2005（分階段） 300
根據意大利的高速網的擴建計劃，其將新建復線區段，設計最高速度為300km /h ，旅客列車和貨物列車混合運行（表1.1.6）。
表1.1.6　意大利鐵路計劃修建的新高速鐵路
線　路 線路長度/km 竣工的年份/年
都靈―諾瓦拉―米蘭（第一階段） 84 2006年交付運營
都靈―諾瓦拉―米蘭（第二階段） 41 2009
米蘭―博洛尼亞 182 2007
博洛尼亞―佛羅倫薩 79 2008
羅馬―那波利（下一個階段） 18 .5 2008
米蘭―維羅納 112 2008
維羅納―威尼斯 100 2008
米蘭―熱那亞 54 2008
6.英國
目前，英國有以下3條線路運行高速列車：
（1）倫敦―愛丁堡（東海岸干線），長度為632km ，包括改建線路，能夠運行最高速度為225km /h 的列車。
（2）倫敦―曼徹斯特（改建線路），長度為296km ，是長度為642km 倫敦―格拉斯哥（西海岸干線）運輸走廊的一部分。從2004年開始，此改建線路可運行最高速度為200km /h 的列車。
（3）英國鐵路與歐洲大陸高速鐵路網干線鐵路倫敦―拉芒什海峽隧道（海底隧道，總長度為108km）的第一區段長74km 的線路于2003年投入運營，可運行最高速度為300km /h 的列車。
1.1.2　我國高速鐵路發展情況
黨的“十六大”以來，鐵路現代化建設步伐加快，并取得了顯著成績，高速鐵路發展成就尤為突出。自1997年以來，我國鐵路進行了六次提速。第一次：1997年4月1日，開行最高時速140km 的40對快速列車和64列夕發朝至車。
第二次：1998年10月1日，最高時速達到140～160km 。
第三次：2000年10月21日，提速范圍主要是隴海線、蘭新線、京九線和浙贛線。第四次：2001年11月21日，提速范圍主要是京九線、武昌―成都（漢丹、襄渝、達成）、京廣線南段、浙贛線和哈大線。第五次：2004年4月18日，京滬、京廣、京哈等干線鐵路提速區段列車最高時速可以達到160km /h 。第六次：2007年4月18日，我國鐵路第六次大面積提速調圖正式付諸實施，主要干線開始“時速200km”的高速運行，我國鐵路開啟“追風時代”。
至此，我國完成了對鐵路既有線路的提速。進入高鐵技術寵兒“和諧號”的時代，成為與德國的ICE 、法國的TGV 、歐洲的“歐洲之星”、日本的新干線系統并列的高鐵系統。目前，我國已經有多條高鐵線路投入運營，并有多條規劃線路。
中國臺灣的臺北―高雄的高鐵線路全長345km ，設計時速為350km ，于2000年開工建設，2007年投入運營。
我國內地目前已經開通的高鐵線路及開通時間如下：
2008年8月1日，京津城際高鐵通車；
2009年4月1日，石太客運專線通車；
2009年9月28日，溫福、甬臺溫鐵路通車；
2009年12月26日，武廣高鐵建成通車；
2010年1月28日，鄭西高鐵建成通車；
2010年4月26日，福廈高鐵通車；
2010年5月1日，成灌高鐵通車；
2010年7月1日，滬寧高鐵通車；
2010年9月20日，昌九城際高鐵通車；
2010年10月26日，滬杭高鐵通車；
2010年10月26日，寧杭高鐵通車。
我國規劃建設的“四橫四縱”高速鐵路客運網已經初具規模。
“四縱”客運專線：
（1）北京―上海，全長約1318km ，縱貫京、津、滬和冀、魯、皖、蘇四省，連接環渤海和長江三角洲經濟區。
（2）北京―武漢―廣州―深圳，全長2260km ，連接華北、華中和華南地區。
（3）北京―沈陽―哈爾濱（大連），全長約1700km ，連接東北和關內地區。秦皇島―沈陽客運專線已于2003年建成。
（4）上海―杭州―寧波―福州―深圳，全長約1600km ，連接長江、珠江三角洲和東南沿海地區。“四橫”客運專線：
（1）徐州―鄭州―蘭州，全長約1400km ，連接西北和華東地區。
（2）杭州―南昌―長沙，全長約880km ，連接華中和華東地區。
（3）青島―石家莊―太原，全長約770km ，連接華北和華東地區。
（4）南京―武漢―重慶―成都（寧漢蓉），全長約1600km ，連接西南和華東地區。
根據我國《中長期鐵路網規劃》，到2020年全國鐵路營業里程達到12萬km 以上，建設客運專線1.6萬km 以上［2］ 。到2012年，我國鐵路營業里程將達到11萬km 以上，其中新建高速鐵路將達到1.3萬km 。鄰近省會城市將形成1～2h 交通圈、省會與周邊城市形成半小時至1小時交通圈。北京到全國絕大部分省會城市將形成8h 以內交通圈。再經過幾年努力，到2020年，“人便其行、貨.其流”的目標將成為現實。而我國的高鐵建設在分析總結前期建設經驗和成果的基礎上，將很快進入快速發展期，中國高鐵事業的黃金時代將很快到來。
1.2　高速鐵路隧道氣動效應研究
1.2.1　高速鐵路隧道的特點
高速鐵路隧道與一般鐵路隧道相比有較多不同之處。高速鐵路隧道的特點主要與列車空氣動力學相關。當列車進入隧道時，原來占據空間的空氣被排開。空氣的黏性及隧道壁面和列車表面的摩擦阻力作用使得被排開的空氣不能像在隧道外那樣及時、順.地沿列車兩側和上部形成統流。于是，列車前方的空氣受到壓縮，列車后方則形成一定的負壓，因而產生一個壓力波動過程。這種壓力波動又以聲速傳播至隧道口，形成反射波，回傳、疊加，產生一系列復雜的空氣動力學效應。高速鐵路隧道工程的研究涉及隧道的洞口形式、隧道及列車的橫斷面積、列車頭部形狀、車輛密封性、隧道結構的耐久性、洞內設施及軌道類型等一系列問題。