一种时速600km以上磁悬浮铁路隧道的横通道设计方法

摘要

本发明公开了一种时速600km以上磁悬浮铁路隧道的横通道设计方法，设计方法包括：通过数值模拟，得横通道无量纲长度系数与列车表面压力最大峰峰值关系，横通道无量纲长度系数与列车整车侧向力关系，确定较优横通道无量纲长度系数；基于较优横通道无量纲长度系数，得横通道距隧道口无量纲距离系数与列车表面压力最大峰峰值关系，确定较优横通道距隧道口无量纲距离系数；基于较优横通道无量纲长度系数和较优横通道距隧道口无量纲距离系数，通过数值模拟，得横通道无量纲截面积系数与列车表面压力最大峰峰值关系，确定较优横通道截面积。该横通道设计方法能有效缓解时速600km以上磁悬浮铁路隧道内部压力波动。

权利要求

1.一种时速600km以上磁悬浮铁路隧道的横通道设计方法，其特征在于，所述横通道设计方法包括以下步骤：

通过数值模拟计算，得到某一时速时横通道的无量纲长度系数与通过隧道时磁悬浮列车表面压力最大峰峰值的关系式，以及此时速时横通道的无量纲长度系数与通过隧道时磁悬浮列车整车侧向力的关系式，从而确定磁悬浮列车表面压力最大峰峰值和磁悬浮列车整车侧向力均较小时的较优的横通道无量纲长度系数；

基于所述较优的横通道无量纲长度系数，通过数值模拟计算，得到此时速时横通道距隧道口的无量纲距离系数与通过隧道时磁悬浮列车表面压力最大峰峰值的关系式，从而确定较优的横通道距隧道口的无量纲距离系数；

基于所述较优的横通道无量纲长度系数和所述较优的横通道距隧道口的无量纲距离系数，通过数值模拟计算，得到此时速时横通道无量纲截面积系数与通过隧道时磁悬浮列车表面压力最大峰峰值的关系式，从而确定较优的横通道截面积；

其中，所述无量纲长度系数是指横通道的长度与通过磁悬浮铁路隧道的磁悬浮列车长度之比；所述无量纲距离系数是指横通道距磁悬浮铁路隧道的隧道口的距离与磁悬浮铁路隧道的长度之比；所述无量纲截面积系数是指横通道的截面积与磁悬浮铁路隧道中一个单线隧道的截面积之比。

2.根据权利要求1所述的时速600km以上磁悬浮铁路隧道的横通道设计方法，其特征在于，所述横通道的无量纲长度系数与通过隧道时磁悬浮列车表面压力最大峰峰值的关系式如下：

ΔP = ax1 + b；

所述横通道的无量纲长度系数与通过隧道时磁悬浮列车整车侧向力的关系式如下：2

Fy = cx1 ‑ dx1 + e；

其中，ΔP为通过隧道时磁悬浮列车表面压力最大峰峰值；x1为横通道的无量纲长度系数；Fy为通过隧道时磁悬浮列车整车侧向力；a、b、c、d、e为通过数值模拟确定的系数。

3.根据权利要求1所述的时速600km以上磁悬浮铁路隧道的横通道设计方法，其特征在于，所述横通道距隧道口的无量纲距离系数与通过隧道时磁悬浮列车表面压力最大峰峰值的关系式如下：

2 

ΔP = fx2 ‑ gx2 + h；

其中，x2为横通道距隧道口的无量纲距离系数；f、g、h为通过数值模拟确定的系数。

4.根据权利要求1所述的时速600km以上磁悬浮铁路隧道的横通道设计方法，其特征在于，所述横通道无量纲截面积系数与通过隧道时磁悬浮列车表面压力最大峰峰值的关系式如下：

2

ΔP = ix3 ‑ jx3 + k；

其中，x3为横通道无量纲截面积系数；i、j、k为通过数值模拟确定的系数。

说明书

一种时速600km以上磁悬浮铁路隧道的横通道设计方法

技术领域

[0001] 本发明涉及磁悬浮铁路隧道工程技术领域，具体而言，涉及一种时速600km以上磁悬浮铁路隧道的横通道设计方法。

背景技术

[0002] 对于单线铁路隧道建设，为了施工以及应急情况下的救援需要，常采取横通道来联通两隧道。目前国内外研究主要集中在时速不超过350km(马赫数小于0.3)的普通高速铁
路隧道的横通道设计上，研究结果表明合理设置横通道参数可以有效缓解隧道内的压力波
动。

[0003] 对于时速600km+磁悬浮列车，其马赫数达到0.49，介于可压缩流动与跨声速流动之间，其通过隧道时内部的流动性质会发生根本性的变化，同时也会产生比普通高速铁路
隧道内更为剧烈且复杂的压力变化，现有的普通高速铁路隧道横通道的设计方法很难再次
适用。

[0004] 因此，亟需提出一种针对时速600km以上磁悬浮铁路隧道的横通道设计方法。

发明内容

[0005] 本发明的主要目的在于提供一种时速600km以上磁悬浮铁路隧道的横通道设计方法，以解决现有的横通道设计方法不能有效缓解时速600km以上磁悬浮铁路隧道内部压力
波动的问题。

[0006] 为了实现上述目的，本发明提供了一种时速600km以上磁悬浮铁路隧道的横通道设计方法，该横通道设计方法包括以下步骤：

[0007] 通过数值模拟计算，得到某一时速时横通道的无量纲长度系数与通过隧道时磁悬浮列车表面压力最大峰峰值的关系式，以及此时速时横通道的无量纲长度系数与通过隧道
时磁悬浮列车整车侧向力的关系式，从而确定磁悬浮列车表面压力最大峰峰值和磁悬浮列
车整车侧向力均较小时的较优横通道无量纲长度系数；

[0008] 基于较优横通道无量纲长度系数，通过数值模拟计算，得到此时速时横通道距隧道口的无量纲距离系数与通过隧道时磁悬浮列车表面压力最大峰峰值的关系式，从而确定
较优的横通道距隧道口的无量纲距离系数；

[0009] 基于较优横通道无量纲长度系数和较优的横通道距隧道口的无量纲距离系数，通过数值模拟计算，得到此时速时横通道无量纲截面积系数与通过隧道时磁悬浮列车表面压
力最大峰峰值的关系式，从而确定较优的横通道截面积；

[0010] 其中，无量纲长度系数是指横通道的长度与通过磁悬浮铁路隧道的磁悬浮列车长度之比；无量纲距离系数是指横通道距磁悬浮铁路隧道的隧道口的距离与磁悬浮铁路隧道
的长度之比；无量纲截面积系数是指横通道的截面积与磁悬浮铁路隧道中一个单线隧道的
截面积之比。

[0011] 进一步地，横通道的无量纲长度系数与通过隧道时磁悬浮列车表面压力最大峰峰值的关系式如下：

[0012] ΔP＝ax1+b；

[0013] 横通道的无量纲长度系数与通过隧道时磁悬浮列车整车侧向力的关系式如下：

[0014] Fy＝cx12‑dx1+e；

[0015] 其中，ΔP为通过隧道时磁悬浮列车表面压力最大峰峰值；x1为横通道的无量纲长度系数；Fy为通过隧道时磁悬浮列车整车侧向力；a、b、c、d、e为通过数值模拟确定的系数。

[0016] 进一步地，横通道距隧道口的无量纲距离系数与通过隧道时磁悬浮列车表面压力最大峰峰值的关系式如下：

[0017] ΔP＝fx22‑gx2+h；

[0018] 其中，x2为横通道距隧道口的无量纲距离系数；f、g、h为通过数值模拟确定的系数。

[0019] 进一步地，横通道无量纲截面积系数与通过隧道时磁悬浮列车表面压力最大峰峰值的关系式如下：

[0020] ΔP＝ix32‑jx3+k；

[0021] 其中，x3为横通道无量纲截面积系数；i、j、k为通过数值模拟确定的系数。

[0022] 应用本发明的技术方案，综合考虑通过隧道时磁悬浮列车表面压力最大峰峰值与横通道的无量纲长度系数之间的关系、磁悬浮列车整车侧向力与横通道的无量纲长度系数
之间的关系，确定较优的横通道无量纲长度系数；在较优的横通道无量纲长度系数基础上，
考虑磁悬浮列车表面压力最大峰峰值与横通道距隧道口的无量纲距离系数之间的关系，确
定较优的横通道距隧道口的无量纲距离系数；然后在此基础上，考虑磁悬浮列车表面压力
最大峰峰值与横通道无量纲截面积系数之间的关系，确定较优的横通道截面积，从而对横
通道的参数进行确定。该横通道设计方法可以在保证时速600km以上磁悬浮铁路隧道横通
道发挥其应急救援作用的同时，有效地缓解列车通过时隧道内的压力波动，对于指导时速
600km以上磁悬浮铁路隧道横通道的建设有着重要意义。

[0023] 下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

[0024] 构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

[0025] 图1为磁悬浮铁路隧道的立体示意图。

[0026] 图2为磁悬浮铁路隧道的俯视图。

[0027] 图3为磁悬浮铁路隧道的单洞截面图。

[0028] 图4为磁悬浮铁路隧道中横通道的截面图。

[0029] 图5为列车表面压力最大峰峰值与横通道无量纲长度系数的函数关系图。

[0030] 图6为列车整体最大侧向力与横通道无量纲长度系数的函数关系图。

[0031] 图7为列车表面压力最大峰峰值与横通道距隧道口的无量纲距离系数的函数关系图。

[0032] 图8为列车表面压力最大峰峰值与横通道无量纲截面积系数的函数关系图。

[0033] 其中，上述附图包括以下附图标记：

[0034] 1、第一隧道；2、第二隧道；3、横通道；4、隧道口。

具体实施方式

[0035] 为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。需要说明的是，在不冲
突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

[0036] 一种本发明实施例的时速600km以上磁悬浮铁路隧道的横通道设计方法。其中，磁悬浮铁路隧道的结构如图1至图4所示，由图可见，该磁悬浮铁路隧道包括第一隧道1和第二
隧道2，在第一隧道1和第二隧道2之间设置有横通道3，该横通道3将第一隧道1和第二隧道2
进行连通。

[0037] 本发明的时速600km以上磁悬浮铁路隧道的横通道设计方法，以时速600km磁悬浮铁路隧道为例，包括以下步骤：

[0038] 步骤S1：通过数值模拟计算，得到时速600km时横通道3的无量纲长度系数与通过隧道时磁悬浮列车表面压力最大峰峰值的关系式，以及时速600km时横通道3的无量纲长度
系数与通过隧道时磁悬浮列车整车侧向力的关系式，从而确定时速600km时磁悬浮列车表
面压力最大峰峰值和磁悬浮列车整车侧向力均较小时的较优横通道3无量纲长度系数；

[0039] 步骤S2：基于上述的较优横通道无量纲长度系数，通过数值模拟计算，得到时速600km时横通道3距隧道口4的无量纲距离系数与磁悬浮列车表面压力最大峰峰值的关系
式，从而确定较优的横通道3距隧道口4的无量纲距离系数；

[0040] 步骤S3：基于上述较优横通道3无量纲长度系数和较优的横通道3距隧道口4的无量纲距离系数，通过数值模拟计算，得到时速600km时横通道3无量纲截面积系数与磁悬浮
列车表面压力最大峰峰值的关系式，从而确定较优的横通道3截面积；

[0041] 其中，无量纲长度系数是指横通道3的长度(参见图2中L2)与通过磁悬浮铁路隧道的磁悬浮列车长度之比；无量纲距离系数是指横通道3距磁悬浮铁路隧道的隧道口4的距离
(参见图2中L1)与磁悬浮铁路隧道的长度(参见图2中L)之比；无量纲截面积系数是指横通
道3的截面积(参见图4中S1)与磁悬浮铁路隧道中一个单线隧道(即第一隧道1或第二隧道
2)的截面积(参见图3中S)之比。

[0042] 上述的时速600km磁悬浮铁路隧道的横通道3设计方法，综合考虑通过隧道时磁悬浮列车表面压力最大峰峰值与横通道3的无量纲长度系数之间的关系、磁悬浮列车整车侧
向力与横通道3的无量纲长度系数之间的关系，确定较优的横通道3无量纲长度系数；在较
优的横通道3无量纲长度系数基础上，考虑磁悬浮列车表面压力最大峰峰值与横通道3距隧
道口4的无量纲距离系数之间的关系，确定较优的横通道3距隧道口4的无量纲距离系数；然
后在此基础上，考虑磁悬浮列车表面压力最大峰峰值与横通道3无量纲截面积系数之间的
关系，确定较优的横通道3截面积，从而对横通道3的参数进行确定。该横通道3设计方法可
以在保证时速600km磁悬浮铁路隧道横通道3发挥其应急救援作用的同时，有效地缓解列车
通过时隧道内的压力波动，对于指导时速600km磁悬浮铁路隧道横通道的建设有着重要意
义。

[0043] 具体来说，参见图5，通过数值模拟发现，在时速600km时，当横通道3的无量纲长度系数从0.375依次增加到0.675时，列车表面压力最大峰峰值也从8559Pa增加到9663Pa，近
似成正比关系。在本实施例的步骤S1中，横通道3的无量纲长度系数与通过隧道时磁悬浮列
车表面压力最大峰峰值的关系可表示为：

[0044] ΔP＝4024x1+7051.7，R2＝1；

[0045] 式中，ΔP为通过隧道时磁悬浮列车表面压力最大峰峰值，单位为Pa；x1为横通道32
的无量纲长度系数；R为决定系数，是趋势线拟合程度的指标，其数值大小反映趋势线的估
计值与对应的实际数据之间的拟合程度，拟合程度越高，趋势线的可靠性越高。

[0046] 参见图6，通过数值模拟发现，在时速600km时，当横通道3的无量纲长度系数从0.375增加到0.5再增加到0.675时，磁悬浮列车整车侧向力分别为24722N、20255N、19987N，
近似成二次多项式关系。在本实施例的步骤S1中，横通道3的无量纲长度系数与通过隧道时
磁悬浮列车整车侧向力的关系可表示为：

[0047] Fy＝134368x12‑153308x1+63317，R2＝1；

[0048] 上述两式中，ΔP为通过隧道时磁悬浮列车表面压力最大峰峰值，单位为Pa；x1为横通道3的无量纲长度系数；Fy为通过隧道时磁悬浮列车整车侧向力，单位为N。

[0049] 由于列车表面压力和侧向力过大都会严重影响乘客的旅行体验，综合考虑通过隧道时磁悬浮列车表面压力最大峰峰值和磁悬浮列车整车侧向力，本实施例中优选将横通道
3的无量纲长度系数x1设置为0.5。

[0050] 具体地，参见图7，在时速600km时，在横通道3的无量纲长度系数确定的情况下，通过数值模拟发现，当横通道3距隧道口的无量纲距离系数从0.33依次增加到0.5再到0.67
时，列车表面压力最大峰峰值分别为8815Pa、8566Pa、9219Pa，两者近似成二次多项式关系。
在本实施例的步骤S2中，横通道3距隧道口4的无量纲距离系数与通过隧道时磁悬浮列车表
面压力最大峰峰值的关系可表示为：

[0051] ΔP＝15606x22‑14417x2+11873，R2＝1；

[0052] 其中，x2为横通道3距隧道口4的无量纲距离系数。由上述二次多项式方程可求出最优x2＝0.46。即本实施例中，横通道3距隧道口4的无量纲距离系数优选设置为0.46。

[0053] 进一步地，参见图8，在时速600km时，在横通道3的无量纲长度系数和横通道3距隧道口4的无量纲距离系数均确定的情况下，当横通道3无量纲截面积系数从0.1依次增加到
0.2、0.3、0.4时，列车表面压力最大峰峰值分别为9524Pa、8566Pa、8303Pa、8730Pa，两者近
似成二次多项式关系。在本实施例的步骤S3中，横通道3无量纲截面积系数与通过隧道时磁
悬浮列车表面压力最大峰峰值的关系可表示为：

[0054] ΔP＝34772x32‑20011x3+11177，R2＝1。

[0055] 其中，x3为横通道3无量纲截面积系数。由上述二次多项式方程可求出其最优x3＝0.29。即本发明中，横通道3无量纲截面积系数优选设置为0.29。

[0056] 需要说明的是，以上实施例只是举例了时速为600km时横通道3设计方法，运用本发明提供的时速600km以上磁悬浮铁路隧道的横通道3设计方法可以按照以上步骤确定时
速600km以上的某一速度下横通道3的多个参数关系式，得到此速度时能够有效地缓解列车
通过时隧道内压力波动的最优横通道3参数。

[0057] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修
改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。