铁路隧道空气环境质量影响研究

曹小刚,闫永新,刘健,王晓东,陈文胜

内容提要：铁路隧道受断面面积、洞门形状、隧道长度、曲线、列车速度、列车长度、机车车辆交汇等因素影响，隧道内的空气压力复杂多变；唐包线目前是以大宗运煤为主的货运铁路线路，受空气动力效应影响，隧道煤尘堆积严重，隧道空气环境质量差。

关键词:铁路；隧道；空气环境；气压波；瞬变压力；煤尘

1.概述

本文阐述观点以唐包线双线货运铁路线路为研究对象，自然状态下，隧道内的空气环境属于一种自然、均匀的状态，当列车驶入隧道的瞬间，在隧道进口会产生瞬变压力，车头前方通过隧道口进入隧道时，车头前方空气受到压缩，从而产生气压波，随着列车的不断驶入，空气压力会逐渐升高，气压波继续增大，直到列车尾部进入隧道时为止。并且，根据隧道断面面积、洞门形状、隧道长度、曲线、列车速度、列车长度、机车车辆交汇等不同因素影响，气压波会呈现不同程度的增速和传递过程。气压波随着列车推移，到达隧道口时会产生膨胀反射波和微气压波。

2.隧道断面面积对隧道空气环境的影响

在理想状态下，隧道断面面积与隧道空气运动成正比关系，隧道断面面积越大，列车通过时对隧道的空气运动影响就越小。在现实情况下，受施工难度、成本等条件限制，隧道断面面积不可能被无限放大，必须控制在一个合理的范围内，根据隧道断面面积划分及运营隧道分析，国内大多数普速双线铁路隧道断面面积在80-160m2左右。

3.隧道洞门形式对隧道空气环境的影响

当列车通过隧道时，隧道内的气压波会以声速向前传播，到达隧道出口的瞬间由于空间的突然转变，气压波转换为膨胀反射波和微气压波两部分，膨胀反射波反向流入隧道，在设计阶段，为减缓这种空气效应的影响，特别是有特殊需求时，设计部门一般会选择喇叭口式、明洞式洞门等形式，当气压波传播至洞口时，采取缓冲措施逐步改变空间大小和放射方式，使其压力释放有一个平缓的过程，进而降低膨胀反射波。

4.隧道长度对隧道空气环境的影响

当列车通过隧道时，隧道内的气压波往前推移过程中，由于空间约束、隧道壁粗糙度、道床形式等影响，气压波能量本身虽然逐渐衰减，但由于列车继续向前推移压缩空气以及隧道出口的膨胀反射波作用，气压波整体仍处于增大趋势，气压波的增大又导致膨胀反射波增大，气压波与膨胀反射波在某一阈值范围内呈正增长关系。

5.曲线对隧道空气环境的影响

当列车进入曲线隧道时，气压波传递方向因为与隧道壁非顺向平行关系，气压波与前方隧道壁交汇从而产生折返和方向改变，该折返气压波与膨胀反射波机理相同，但形成原因有别，使得隧道内空气运动更加复杂。

6.列车速度对隧道空气环境的影响

当列车进入隧道时，隧道内原来均衡的自然风压会发生扰动，产生气压波，气压波的大小除与隧道结构本身有关外，还与列车运行速度有关，研究表明，隧道进口的瞬变压力的最大值与列车速度的平方成正比，隧道出口的微气压波与列车速度的三次方成正比，此结论证明隧道气压波与列车运行速度成正比关系。

7.列车长度对隧道空气环境的影响

在其他条件一样时，列车长度和隧道长度对隧道自然风压的影响成正比关系。当隧道长度小于列车长度时，列车在运行通过隧道过程中产生的气压波、反射波机理相同；当隧道长度大于列车长度时，车列编组越长，气压波幅值越大，而且成线性增长关系。

8.列车交汇对隧道空气环境的影响

当双向列车在区间隧道交汇时，由于气压波在交汇面相互作用，空气在隧道内的运动会发生“紊流”现象，空气运行变得更加复杂，气压波也会是单向列车通过时的好几倍。

9.总结：

根据前面的有关分析，可以看出，气压波在各种因素的综合影响下，会发生非常复杂变化。气压波在进口的骤变以及在出口的反射，使得隧道内空气环境恶化，特别是像大宗粉煤、铁粉等货物运输，由于隧道口的骤变压力、反射波影响，隧道内细颗粒物质、轻飘物漂浮在空中或移动，导致隧道内空气环境质量变差，隧道进出口矿粉等杂物堆积。

针对以上问题，对于既有铁路线路而言，提升隧道空气环境质量的方法：一是降低列车运行速度，特别是长大隧道和曲线隧道，减小进出口气压波波值，降低气压波对矿粉货物的刮落；二是采取封闭式集中箱或开合式集装箱，减少隧道气压波对矿粉货物的直接作用；三是设置机械通风，改善隧道内自然风压，减小进出口气压波波值，降低气压波对矿粉货物的刮落。

参考文献

[1]TB 10068-2010.铁路隧道运营通风设计规范[S].

[2]金学易.隧道通风及隧道空气动力学[M].中国铁道出版社，1983

[3]《铁路工程施工技术》（隧道）.铁道部第二工程局主编.北京：中国铁道出版社，2004年.

[4]《铁路隧道设计规范》.铁道部第二勘测设计院主编.北京：中国铁道出版社，2005年.