Тоннели на высокоскоростных железнодорожных магистралях
Одним из основных принципов модернизации и развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации на ближайшую перспективу является создание интегрированных высокоскоростных железнодорожных магистралей (ВСМ) со скоростями движения поездов свыше 250 км/ч. Согласно паспорту государственной программы «Развитие транспортной системы», федеральному проекту «Развитие высокоскоростных железнодорожных магистралей» следует приступить к проектированию высокоскоростной специализированной железнодорожной магистрали (ВСМ) Санкт-Петербург – Москва.
Как показывает мировой опыт, доля протяжённости тоннелей в составе ВСМ значительно выше, чем на обычных железных дорогах. Общая тенденция мирового тоннелестроения, современные требования безопасности определяют преимущественно сооружение однопутных тоннельных пересечений на ВСМ (рисунок 1): преобладают варианты с поперечными сбойками и сервисными тоннелями; при протяженности тоннелей более 20 км может быть предусмотрено наличие подземных многофункциональных станций.
Руководствуясь опытом проектирования и эксплуатации ВСМ отмечено, что тоннели являются не только средством преодоления препятствий, но и сооружениями, предназначенными улучшить эксплуатационные качества магистралей, сохранить ландшафты, природные заповедные и охранные зоны, селитебные территории. В связи с ужесточившимися требованиями по охране окружающей среды в условиях спокойного равнинного рельефа часть линий может быть проложена в тоннелях. Устройство трассы ВСМ по кратчайшему направлению на пересеченной местности, как правило, требует сооружения нескольких небольших по протяженности тоннелей. Проектные решения, принятые в последние годы в разных странах, показывают, что при пересечении водных преград на ВСМ по совокупности факторов в сравнении с мостовыми переходами зачастую предпочтительными являются тоннельные варианты [1].
Рисунок 1. Портал Готардского базисного тоннеля на ВСМ.
Из международной практики строительства и эксплуатации тоннелей на ВСМ установлено: наряду с требованиями обеспечения надёжности и долговечности, для достижения экономической целесообразности строительства определяющими задачами становятся аэродинамические процессы, возникающие в тоннелях при прохождении высокоскоростных поездов, вопросы обеспечения комфорта и безопасности пассажиров и экипажа. В зарубежных нормативах определено, что окончательные размеры поперечного сечения тоннеля при скоростях более 200 км/ч определяется возникающими аэродинамическими явлениями. Основным аэродинамическим воздействием являются перепады давления, которые при высоких скоростях движения поезда, как правило, имеют неблагоприятный характер (рисунок 2).
Рисунок 2. Образование волн давления при движении поезда в тоннеле на ВСМ.
Согласно действующей нормативной документации [2]: необходимо минимизировать величину избытого аэродинамического давления в тоннеле; необходимо провести специальные исследования для принятия решений по снижению колебаний аэродинамического давления в тоннелях; конструктивные решения должны обладать улучшенными аэродинамическими свойствами.
В случае решения задачи аэродинамического взаимодействия тоннелей и поездов при движении со скоростями до 400 км/ч проектирование тоннелей на ВСМ, ввиду отсутствия отечественных экспериментальных и опытных данных, особое значение приобретают методы исследования с использованием численного моделирования в объемной постановке задачи. Одним из наиболее распространённых и рациональных методов решения задач аэродинамики является метод конечных объемов с различными типами подвижных сеток.
Результаты исследований стали эпюры распределения давления воздушных масс, траектории воздушных потоков (рисунок 3). Были определены характерные зоны сжатия и разрежения, а также величины аэродинамического давления; определены участки наиболее неравномерного проявления давления по длине движущегося поезда и по длине тоннеля; подтверждены наличие полей завихрения в голове и хвосте состава и по длине тоннеля [3].
Рисунок 3. Эпюра аэродинамического давления при прохождении (при движении поезда со скоростью 300 км/ч (β=0,225, λ=3)) (разработано автором).
Определение перепадов аэродинамического давления в тоннелях на ВСМ – шаг к практическим рекомендациям по назначению безопасных технических параметров тоннеля. Решение задач с учетом критериев безопасности даёт возможность увеличить эффективность высокоскоростных железнодорожных перевозок за счет сохранения максимальной скорости движения поездов в тоннелях без ее снижения. Посредством оптимизации площади поперечного сечения тоннелей на ВСМ возможно добиться уменьшения затрат на капиталовложения и текущее содержание объекта инфраструктуры. С учетом отсутствия опыта проектирования тоннелей в условиях ВСМ исследований следует считать актуальными, а результаты могут быть использованы при перспективном проектировании и строительстве горных, подводных, городских, базисных железнодорожных тоннелей, а также при дальнейшей эффективной эксплуатации перспективных скоростных и высокоскоростных железнодорожных линий: Санкт-Петербург – Москва, Ростов – Туапсе – Адлер, Казань – Екатеринбург – Челябинск.
Библиографический список:
1. Высокоскоростной железнодорожный транспорт. Общий курс: учеб. пособие: в 2 т./ И.П. Киселев и др.; под ред. И.П. Киселева. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: ФГБУ ДПО «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2020.
2. СП 453.1325800.2019 «Сооружения искусственные высокоскоростных железнодорожных линий. Правила проектирования и строительства»
3. Кавказский, В.Н. Исследование аэродинамики движения поезда в однопутных тоннелях на высокоскоростных железнодорожных магистралях / В.Н. Кавказский, О.О. Шелгунов // Транспортное строительство. – 2022. – № 4. – С. 37–40.
Олег ШЕЛГУНОВ,
инженер ОАО «НИПИИ «Ленметрогипротранс»