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1、 財團法人中興工程顧問社 Sinotech Engineering Consultants, INC. 2008年12月23日 簡 報 者 黃 國 倫 中興工程顧問社 土木水利工程應用研究中心 - - 2008兩岸橋樑隧道工程學術研討會 1- 財團法人中興工程顧問社 Sinotech Engineering Consultants, INC. 複雜列車隧道系統之空氣動力分析 及結果動畫展示 一、 前言 二、 地下列車空氣動力分析之目的 三、 地下軌道列車曾遭遇之情況 四、 地下列車空氣動力之物理現象 五、 SAFT(Simulate Air Flow in Train-Tunnel)之驗證 六
2、、 SAFT之應用及模擬結果動態展示 簡報內容 - 2 - 2- 財團法人中興工程顧問社 Sinotech Engineering Consultants, INC. 一、前言 海峽兩岸鐵公路之連結，長度約為130公里，水深約60多米，無論採 用橋樑或隧道，都將是世界上最浩大及最艱鉅的大工程之。 如考量公路聯通兩岸，在130公里長之海上距離再加上兩端引道，無 論橋隧是否有必要在中途設置休息站，將是工程的大挑戰。 目前世界上跨海公路橋樑都在40公里以下。而長隧道對公路汽車排 氣將嚴重挑戰隧道內之環境品質，因此，世界上之長隧道公路都在30 公里以下。在長公路橋樑之緊急事故救援將會是嚴重的考驗，對於
3、長 公路隧道不僅救援外還要增加旅客緊急逃生之考量。 世界上鐵路隧道有多條在50公里以上，最長為瑞士之Gotthard Base 隧道約為57公里。 - 3 - 3- 財團法人中興工程顧問社 Sinotech Engineering Consultants, INC. 歐洲隧道 全長50.5公里，包括海底37.9公里及陸地之12.6公里， 其平均深度為海床下45公尺，最大水深為55公尺。 - 4 - 於1974年成立基金開始正式研究(之前已進行系列的研究，包括列車空氣動力 研究)，1986年簽約開始建造，並於1988年開始隧道施工，而在1990年服務隧 道(service tunnel)貫通，並
4、於1994年完成列車隧道與通車。 4- 財團法人中興工程顧問社 Sinotech Engineering Consultants, INC. 二、地下列車空氣動力分析之目的 依據瑞士及德國之經驗發現經空氣動力分析之隧道斷面將可大 為縮減，甚至可以縮減達四分之以上之開挖斷面。 長列車隧道通風分析將可使隧道佈置更合理化，不僅可顧及旅 客舒適度與安全性，且可以節約工程建造及營運管理之費用。 當隧道通風發生問題時，事後的補救措施可能非常棘手，且所 需之費用可能非常龐大。 - 5 -5- 財團法人中興工程顧問社 Sinotech Engineering Consultants, INC. 三、地下軌道列
5、車曾遭遇之情況 巡軌列車將地下車站出入口之鐵捲門破壞。 列車通過不停靠之地下車站時，列車需減速而無法 以原設計速度通過。 多起隧道內的門受到風壓之破壞。 列車於隧道之設計行車速度是否有改善之空間？ 如何評估地下隧道或車站承受風壓之標準？ - 6 - 6- 財團法人中興工程顧問社 Sinotech Engineering Consultants, INC. 四、 地下列車空氣動力之物理現象 列車進隧道之壓力產生 壓力之影響 各國對列車隧道之壓力標準 改善之方法 - 7 - 7- 財團法人中興工程顧問社 Sinotech Engineering Consultants, INC. 1. 列車進隧道
6、之壓力產生 A. 壓力之瞬間產生 B. 瞬間壓力之再增加 C.壓力波之傳播 D.列車通過短豎井 - 8 - 活 塞 8- 財團法人中興工程顧問社 Sinotech Engineering Consultants, INC. A. 壓力之瞬間產生 列車行車速度較大差異於隧道內之空氣流速。 列車與隧道斷面之比值越大，產生之壓力越大。 車頭設計流線化將降低壓力強度。 壓力約為列車車速之平方關係。 隧道 列車 - 9 - 9- 財團法人中興工程顧問社 Sinotech Engineering Consultants, INC. 相 對 壓 力 Pa - 10 - 10- 財團法人中興工程顧問社 Sin
7、otech Engineering Consultants, INC. B. 瞬間壓力之再增加 受到列車前後隧道空氣流動之影響，將使隧道壓 力有再增加之現象。 隧道壁摩阻係數越大，產生之壓力波越強。 車身摩阻係數越大，產生之壓力波越強。 隧道 列車 - 11 - 11- 財團法人中興工程顧問社 Sinotech Engineering Consultants, INC. C. 壓力波之傳播 壓力波以空氣之音速傳播，約為 330 m/s。 音速遠大於列車速度。 (目前世界最快之試驗列車速度約為：158 m/s) 當壓力波傳抵下游之隧道口會反射回隧道內；再傳至 車頭時產生較強烈之負壓波；該波部分反
8、射回隧道出 口，部分經車身往車尾傳送。 列車車尾進入隧道產生另一股負壓波。 各波交互作用成為隧道內之壓力變化情況。 隧道 列車 音速 - 12 - 12- 財團法人中興工程顧問社 Sinotech Engineering Consultants, INC. D. 列車通過短豎井 豎井斷面積越大，豎井通風效果越好，但在 豎井下游產生新壓力波的強度越強。 列 車 隧道 豎 井 - 13 - 13- 財團法人中興工程顧問社 Sinotech Engineering Consultants, INC. 相 對 壓 力 Pa 相 對 壓 力 Pa 無豎井佈置之列車進入隧道之偵測點壓力情況 有豎井佈置之列
9、車進入隧道之偵測點壓力情況 - 14 - 14- 財團法人中興工程顧問社 Sinotech Engineering Consultants, INC. 2. 壓力之影響 . 隧道內 . 隧道外 . 設備 . 列車行進速度之穩定性 . 隧道之通風 . 列車耗能情況 - 15 - 15- 財團法人中興工程顧問社 Sinotech Engineering Consultants, INC. .隧道內： 旅客或隧道內之維修人員在短時間內受到過大的壓力改變， 將產生耳鳴、頭暈等不舒服現象。 .隧道外： 高速列車進入隧道產生一股強烈之正壓力波，當此壓力波傳 抵下游隧道出口時，衝出隧道口對隧道口外之空氣產生
10、撞擊 ，該撞擊波隨著空間擴大而稀薄化，此種波動稱為微壓波 (Micro Pressure Wave) ，該微壓波將會產生令人不愉悅的 噪音使隧道出口附近住民受到干擾，這種現象稱為音爆 (Sonic Boom)。 - 16 - 16- 財團法人中興工程顧問社 Sinotech Engineering Consultants, INC. .設備： 隧道內設備或結構長期受高壓波震盪影響，容易損壞。 妨礙排水功能。 地下車站冷氣大量外洩。 .列車行進速度之穩定性： 因隧道內空氣壓力波傳播震盪之影響使列車行進有時受到較 大之空氣阻力，有時甚至受到空氣推力，使列車在隧道內之 行進速度忽快忽慢，造成旅客不舒
11、服。 .隧道之通風： 良好之隧道佈置可藉由列車活塞效應達到自然通風之功效。 .列車耗能情況： 隧道內空氣壓力變化，大多數時間空氣會對列車做負功，但 也有做正功的時候。減小負功強度，便能節約能源之耗損。 - 17 - 17- 財團法人中興工程顧問社 Sinotech Engineering Consultants, INC. 3. 各國對列車隧道之壓力標準 日本新幹線(高鐵) 興建標準為允許壓力最大變化 1 kPa，允許壓力最大改變率為200 Pa/s (日本國道設備維修標準將允許壓力最大改變率放寬為300 Pa/s )，為德國高鐵所依行，但允許壓力最大改變率則放寬為400 Pa/s。 英國鐵道
12、局之標準(鐵路及高鐵) 允許在4秒內壓力最大變化單軌為 2.5 kPa，雙軌為 3.0 kPa，此 標準應用於歐洲跨海隧道(營運速度：140公里/小時)，且亦為義 大利及瑞士等歐洲國家所採用。 美國運輸部之標準(捷運) 壓力大於及等於每平方吋面積受0.1磅(689.4 Pa)時，允許每秒在 每平方吋面積受0.06磅(413.7 Pa)之壓力變化率。 - 18 - 18- 財團法人中興工程顧問社 Sinotech Engineering Consultants, INC. UIC之壓力標準(2002) - 19 -19- 財團法人中興工程顧問社 Sinotech Engineering Cons
13、ultants, INC. UIC規範之建議 . UIC對於隧道系統之壓力及流速分析，建議採用 一維之CFD模式進行分析模擬。 . UIC提供之隧道斷面設計圖表，僅適用在沒有豎 井、旁通道等其他設施之簡單隧道。且其列車之 長度、車頭阻力係數、列車行車速度等都僅適用 在特定的車種。 - 20 -20- 財團法人中興工程顧問社 Sinotech Engineering Consultants, INC. 慕尼黑機場高鐵空氣動力之研究方案 4. 改善之方法 - 21 - 21- 財團法人中興工程顧問社 Sinotech Engineering Consultants, INC. 隧道系統土木佈置改善
14、之空氣動力效應 - 22 -22- 財團法人中興工程顧問社 Sinotech Engineering Consultants, INC. 隧道/車站名稱長度(公尺)淨斷面積(平方公尺) 明挖覆蓋段潛盾隧道明挖覆蓋段潛盾隧道 市區鐵路車站311-42- 機場車站426-42- Landshuter Allee160441360-4242 Feldmoching36021806042 Tunnel Flughafen1212-60/52- 慕尼黑機場高鐵之設計 最大行車時速：350公里 全長：38公里 行車時間：約10分鐘 23- 財團法人中興工程顧問社 Sinotech Engineering
15、Consultants, INC. - 24 - 五、SAFT(Simulate Air Flow in Train-Tunnel)之驗證 - 24 - 試驗者 案 例 模擬概況 偵測點測量 資料組數 備註 Woods and Pope 一 列車以時速125公里通過Patchway Old Tunnel長度為1,140公尺。 一組斷面速度偵測 三組壓力偵測：隧 道中央、列車車頭 前及列車車尾旁。 Glockle 等人 二Loco-hauled列車以305公里/小時通過 Muhlberg隧道長度為5,527公尺。 四組壓力偵測點散 佈於隧道長度。 ICE為流線形 車頭，阻力係 數小於Loco- hauled列車。 Einmalberg隧 道之斷面隨著 長度而有所變 化。 三Loco-hauled列車以242公里/小時通過 Einmalberg隧道長度為1,140公尺。 一組壓力偵測點。 四ICE列車以242公里/小時通過 Einmalberg隧道。 一組壓力偵測點。 五ICE列車以250公里
