電氣化鐵路隧道坡度折減系數(shù)的應(yīng)用研究

熊　偉

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津　300142)

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電氣化鐵路隧道坡度折減系數(shù)的應(yīng)用研究

熊偉

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300142)

鐵路線路限制坡度的選擇應(yīng)根據(jù)鐵路等級、地形條件、牽引種類和運(yùn)輸要求比選確定。在限制坡度選定后，電力牽引隧道內(nèi)的坡度折減系數(shù)與最終的設(shè)計(jì)坡度直接相關(guān)。參照某改建鐵路建二線工程的施工圖審核實(shí)例，對電力牽引隧道折減系數(shù)進(jìn)行研究，提出合適的坡度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

限制坡度隧道空氣附加阻力隧道斷面機(jī)車類型

1　隧道設(shè)計(jì)概況

某改建鐵路增建二線工程為I級電氣化鐵路，設(shè)計(jì)速度120 km/h，牽引質(zhì)量5 000 t，采用HXD系列機(jī)車。其中一段為單雙線隧道(以下簡稱二線隧道)，處于采用限制坡度為13‰的雙機(jī)牽引地段，其中左線隧道長10.324 km，右線隧道長9.487 km，以DK7+065 km為界，左、右線隧道在小里程端分別有3.382 km和2.545 km段為單線隧道，大里程端匯合為長度6.942 km的雙線隧道。隧道內(nèi)坡度設(shè)計(jì)情況如表1所示。

他是唐門七子中的五公子，能夠在唐門殘酷血腥的晉升機(jī)制下，爬到并坐穩(wěn)這個(gè)位置，定然是人中的翹楚。他經(jīng)歷過了太多的生死攸關(guān)，那些寶貴的經(jīng)歷，讓他在當(dāng)前極度的劣勢下，仍然沒有放棄心頭的那絲清明。他告訴自己，那些鬼影和鬼聲，都是當(dāng)前環(huán)境下大腦的錯(cuò)覺，此陣的關(guān)鍵，就是遠(yuǎn)處那團(tuán)模糊的紅影！

而對于研學(xué)團(tuán)的導(dǎo)游詞的文風(fēng)多是能引發(fā)思考、注重教育；如：“這件漢朝的帛畫把寫實(shí)和幻想都融合在一起了。所以畫畫可以滿足和啟發(fā)我們的想象力、創(chuàng)造力，表現(xiàn)很多生活中不存在的景象。一般人常說：科學(xué)的發(fā)明是無中生有，其實(shí)繪畫也是一樣無中生有，人類文明的進(jìn)步，大抵是從無到有，想從無到有，就必須發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力。這一點(diǎn)，神話和繪畫都有很大的貢獻(xiàn)。”

2　隧道設(shè)計(jì)坡度審核情況

電力牽引隧道的坡度折減因素主要是隧道附加空氣阻力控制。而在一定的列車通過速度下，隧道附加空氣阻力與隧道斷面相關(guān)。120 km/h客貨共線鐵路(普貨)的隧道斷面面積受控于建筑限界，單線隧道斷面內(nèi)凈面積約為30 m2，雙線隧道斷面內(nèi)凈面積約為64 m2。

根據(jù)GB50090—2006《鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡稱“線規(guī)”)中的3.2.5條，電力牽引隧道L>4 000 m時(shí)，線路最大折減系數(shù)應(yīng)為0.85，計(jì)算得到隧道內(nèi)最大設(shè)計(jì)坡度為13‰×0.85=11.05‰。

式中D——隧道附加空氣阻力/(N/kN)；

考慮涼風(fēng)埡隧道試驗(yàn)公式在隧道長度、隧道斷面方面的局限性，不適用長大隧道等情況，中鐵二院、西南科學(xué)研究院、西南交通大學(xué)關(guān)于《長大隧道合理坡度折減系數(shù)研究報(bào)告》對隧道空氣阻力試驗(yàn)公式進(jìn)行了修正，報(bào)告對HXD系列機(jī)車隧道折減系數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，得出如下試驗(yàn)公式

從表2可以看出，按照“研究報(bào)告”試驗(yàn)公式，采用HXD3型機(jī)車，二線隧道的左、右線隧道單線地段長度分別是3 382 m和2 545 m，按照隧道長度4 000 m，隧道斷面31 m2時(shí)，對應(yīng)的折減系數(shù)為0.83；雙線隧道地段長度6 942 m，按照隧道長度7 000 m，隧道斷面60 m2時(shí)，對應(yīng)折減系數(shù)最小為0.97。通過與“線規(guī)”對照發(fā)現(xiàn)，單線地段折減系數(shù)與“線規(guī)”中表3.2.5中隧道長度大于4 000 m的數(shù)的最大坡度折減系數(shù)0.85接近，雙線地段的折減系數(shù)與《線規(guī)》中表51中的數(shù)值0.94接近。

2.1采用涼風(fēng)埡隧道試驗(yàn)公式

(1)

根據(jù)涼風(fēng)埡試驗(yàn)公式，通過分析、計(jì)算、簡化，可得出與“線規(guī)”表3.2.5規(guī)定一樣的結(jié)論：長度L>4 000 m的隧道按涼風(fēng)埡試驗(yàn)公式電力牽引的折減系數(shù)應(yīng)為0.85；而涼風(fēng)埡試驗(yàn)公式的隧道長度為4 270 m，為渝黔鐵路中的單線電氣化鐵路隧道試驗(yàn)成果，是否適用長達(dá)10 km的二線隧道尚待下一步研究。

V——隧道內(nèi)列車運(yùn)行速度/(km/h)；

Ls——隧道長度/m；

L——列車長度/m；

P——機(jī)車計(jì)算質(zhì)量/t；

Q——列車牽引質(zhì)量/t。

式中ωs——隧道附加空氣阻力/(N/kN)；

2.2采用《長大隧道合理坡度折減系數(shù)研究報(bào)告》隧道試驗(yàn)公式

市面上不少輸液報(bào)警器功能比較單一,有些只有蜂鳴器報(bào)警,沒有輸液滴速控制,沒有輸液加熱控制,更別提有人機(jī)友好的交互模塊。這些因素造成用戶體驗(yàn)效果差。

(2)

根據(jù)“線規(guī)”表51“電力牽引隧道內(nèi)線路最大坡度系數(shù)計(jì)算表”，在采用SS7機(jī)型、13‰限制坡度的情況下，查表51得其折減系數(shù)應(yīng)為0.94，計(jì)算得到隧道內(nèi)最大設(shè)計(jì)坡度為13‰×0.94=12.2‰。

l——列車長度/m；

L——隧道長度/m；

Av——列車橫斷面積/m2；

At——隧道橫斷面積/m2；

Sv——列車橫斷面的周長/m；

St——隧道橫斷面的周長/m；

U——列車相對于地面的運(yùn)行速度/(m/s)；

u——隧道中列車前方一定范圍內(nèi)相對于地面的平均氣流速度(活塞風(fēng))/(m/s)；

λ——隧道壁面沿程阻力系數(shù)；

λ′——列車側(cè)壁表面沿程阻力系數(shù)；

Ch——列車車頭壓差阻力系數(shù)；

Ct——列車車尾壓差阻力系數(shù)；

ρ——大氣密度/(kg/m3)。

根據(jù)試驗(yàn)公式，“研究報(bào)告”得出電力HX系列牽引隧道內(nèi)線路最大坡度系數(shù)研究成果見表2。

本次審核以機(jī)型HXD3為例，結(jié)合“線規(guī)”，通過涼風(fēng)埡隧道試驗(yàn)公式、《中長大隧道合理坡度折減系數(shù)研究報(bào)告》(以下簡稱“研究報(bào)告”中隧道試驗(yàn)公式研究計(jì)算二線隧道最大坡度折減系數(shù)，以及采用牽引質(zhì)量檢算的方法對設(shè)計(jì)坡度進(jìn)行檢算。

2.3牽引質(zhì)量檢算隧道設(shè)計(jì)坡度

根據(jù)HXD3型機(jī)車參數(shù)，對二線隧道設(shè)計(jì)坡度相對較小的左線隧道DZK5+200～DZK7+100單線隧道的縱斷面進(jìn)行牽引質(zhì)量檢算。單線地段DZK5+200～DZK7+100段縱斷面設(shè)計(jì)坡度為11.7‰，牽引力系數(shù)取1.0，曲線折減換算坡度0.75‰，根據(jù)“線規(guī)”，并參照“研究報(bào)告”單線地段隧道阻力系數(shù)取0.85，隧道阻力換算坡度1.95‰，則本段實(shí)際換算坡度為14.4‰，牽引計(jì)算見圖1。

食用向日葵（先瑞12）外緣籽粒灌漿時(shí)間最快的時(shí)期在16～20 d，而內(nèi)部籽粒達(dá)到最大灌漿速率的時(shí)期在22～27 d。說明在不同的密度下，籽粒增重的時(shí)期是后15～27 d。向日葵的籽粒鮮重生長規(guī)律呈單峰曲線，這與馮鵬[8]在研究玉米籽粒增重規(guī)律變化相一致。

表2　電力HX系列牽引隧道內(nèi)線路最大坡度系數(shù)計(jì)算

圖1　牽引計(jì)算

從牽引計(jì)算結(jié)果看，該段設(shè)計(jì)坡度11.7‰，牽引力系數(shù)1.0條件下，最大牽引質(zhì)量為4 721 t，不能滿足牽引5 000 t要求。

3　結(jié)論

由于隧道折減系數(shù)受到隧道空氣附加阻力影響，而附加阻力與機(jī)型、隧道斷面、隧道長度等因素相關(guān)，且“線規(guī)”條文說明中關(guān)于隧道內(nèi)線路最大坡度系數(shù)說明中，明確指出該公式是否適用于長大隧道尚缺乏研究和驗(yàn)證。因此，筆者建議對單、雙線隧道進(jìn)行區(qū)別對待，參照“研究報(bào)告”成果，結(jié)合現(xiàn)行《鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定和牽引計(jì)算的檢算結(jié)果，建議二線隧道的單線和雙線地段折減系數(shù)，隧道長度大于4 000 m的單線地段折減系數(shù)采用0.85，隧道長度大于4 000 m的雙線地段折減系數(shù)采用0.94，即單線地段隧道折減后最大設(shè)計(jì)坡度采用11.05‰，雙線地段隧道折減后最大設(shè)計(jì)坡度采用12.22‰，曲線地段考慮曲線阻力折減。業(yè)主和設(shè)計(jì)單位最終理解并接受了審核意見，并按照最新的成果進(jìn)行了坡度修改，具體情況如表3所示。

這樣的設(shè)計(jì)方法不僅避免了統(tǒng)一采用涼風(fēng)埡試驗(yàn)公式的較小折減系數(shù)導(dǎo)致無法用足坡度，也避免了統(tǒng)一采用較大設(shè)計(jì)坡度出現(xiàn)機(jī)力不足，導(dǎo)致安全事故的情況發(fā)生，對于客貨混跑電氣化鐵路隧道的坡度折減有重大的借鑒意義。

表3　二線隧道內(nèi)設(shè)計(jì)修改坡度

[1]中華人民共和國建設(shè)部.GB50090—2006鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2006

[2]中國人民共和國鐵道部.TB10003—2005鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005

[3]1983GB146.2—83標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路建筑限界[S]

[4]中國人民共和國鐵道部.TB10082—2005鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005

[5]中鐵二院，西南科學(xué)研究院，西南交通大學(xué).長大隧道合理坡度折減系數(shù)研究報(bào)告[R].成都：中鐵二院，2012

[6]易思蓉，聶良濤，陳彥恒.電氣化鐵路隧道最大坡度系數(shù)研究[J].中國鐵道科學(xué)，2013(6)

[7]陳彥恒.長大鐵路隧道最大坡度折減方法研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2011

[8]梁學(xué)明，康亞林.關(guān)于隧道坡度折減系數(shù)的探討[J].鐵道建筑，2003(7)

[9]王彥華.蘭州至重慶鐵路限制坡度研究[J].鐵道勘察，2006(2)

[10]申廣博，李永金.東北東部鐵路通道通化至灌水段線路限制坡度研究[J].鐵道勘察，2008(4)

[11]李富.麟游礦區(qū)至寶雞二電廠鐵路最大坡度的選擇[J].鐵道勘察，2009(6)

[12]李建新.線路選線中對長大隧道坡度折減的研究[J].交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息，2008(3)

Study on Application of Gradient Reduced Coefficient in Electrified Railway Tunnels

XIONG Wei

2016-02-24

熊偉(1983—)，男，2006年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)土木工程(鐵道工程)專業(yè)，工程師。

1672-7479(2016)02-0072-03

U212.34

A