(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
列車・トンネル模型を使用してトンネル内部及びトンネル外部の圧力波に関する模型実験を行うトンネル圧力波の模型実験方法において、
現地の列車・トンネル断面に対する地面を対称面とする鏡像を設定し、その鏡像部分を含めた断面積に対する等価直径を算出し、前記現地の地面の効果を模型で模擬し、かつ前記トンネル断面内における列車の走行位置を前記トンネル断面中心から偏心させることで、現地の複線トンネルにおける列車走行の状況を模型で模擬するトンネル圧力波の模型実験方法であって、
0003642423.tif 000011
【請求項２】
請求項１記載のトンネル圧力波の模型実験方法において、前記模型は円断面の模型であることを特徴とするトンネル圧力波の模型実験方法。
【請求項３】
請求項１記載のトンネル圧力波の模型実験方法において、
0003642423.tif 000012
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、列車がトンネルを走行する時のトンネル圧力波の模型実験方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、かかるトンネル圧力波の模型実験は、以下のように行われていた。
【０００３】
図３はかかるトンネル圧力波の模型実験装置の模式図である。
【０００４】
この図において、１０１はピアノ線であり、このピアノ線１０１をガイドとして列車模型１０２が装備されており、そのピアノ線１０１は第１の固定部１０３と第２の固定部１０４間に張られている。ピアノ線１０１の左端部には発射装置１０５が配置され、発射された列車模型１０２の速度を測るために速度センサ１０６が配置され、さらに、発射された列車模型１０２が突入するトンネル模型１０７が配置され、そのトンネル模型１０７には圧力計１０８が配置される。また、トンネル模型１０７を通った列車模型１０２を止めるために制動装置１０９が配置されている。
【０００５】
このトンネル圧力波の模型実験装置は、高速鉄道において沿線の環境問題となり得る、トンネル微気圧波等のトンネル圧力波現象に関する研究を行うものである。例えば、図３の場合、円断面の列車模型１０２・トンネル模型１０７を用いて、緊張したピアノ線１０１に誘導された列車模型１０２を、発射装置１０５で加速させてトンネル模型１０７に突入させ、トンネル入口においてトンネル内部に形成される圧力波を、内部の圧力計１０８で測定する。
【０００６】
従来は以下のような考え方に基づいて実験を行っていた。
【０００７】
図４はその模型実験の考え方の説明図であり、図４（ａ）は現地の列車・トンネルを示す図、図４（ｂ）は従来の模型実験（中心走行）、図４（ｃ）は従来の模型実験（偏心走行）、図４（ｄ）は現地の列車・トンネルの説明図、図４（ｅ）は従来の模型実験の考え方の説明図である。
【０００８】
この模型実験装置において、現実の列車２０１及びトンネル２０２を模擬するには、以下のような考え方に基づいて実験を行っていた。
【０００９】
まず、現実の列車２０１の断面積Ａ0 ′、トンネル２０２の断面積Ａ0 から、以下の式によりそれぞれの等価直径（等価な面積を持つ円の直径）ｄ0 、及びＤ0 を算出する。
【００１０】
ｄ0 ＝２√（Ａ0 ′／π），Ｄ0 ＝２√（Ａ0 ／π）
これにより、円断面の列車模型２１１，２１１′の直径ｄ、トンネル模型２１２の直径Ｄは、模型の縮尺をｓとすると、
ｄ＝ｓ・ｄ0 ，Ｄ＝ｓ・Ｄ0 
と決定される。
【００１１】
また、列車先頭部については、現実の列車先頭部長さｌ0 に対し、模型の先頭部長さｌは、
ｌ＝ｓ・ｌ0 
と決定される。
【００１２】
さらに、トンネル入口に緩衝工等の地上構造物を設置する場合は、現実の地上構造物２０３の列車進行方向の長さＬ0 に対し、模型の地上構造物２１３の列車進行方向の長さＬは、
Ｌ＝ｓ・Ｌ0 
と決定される。
【００１３】
なお、複線トンネルの場合を模擬するには、列車の走行軸、すなわち緊張ピアノ線をトンネル模型の断面中心軸から偏心させる方法がある。この時の偏心量ｂとトンネル断面直径Ｄとの比ｂ／Ｄは列車が存在しない場合、０から０．５の間の値を取り得るが、一般的な新幹線、及び現在開発中の浮上式鉄道における列車断面直径ｄが（０．４±０．１）Ｄ程度であることから、実際には列車の走行スペース確保のため、ｂ／Ｄは０から０．３±０．０５程度の値をとる。
【００１４】
この方法による実験の測定結果の一例と、現地試験での測定結果との比較を図５に示す。この図５において、横軸は時間（一目盛が０．１秒）、縦軸は圧力勾配（ｋＰａ／ｓ）を示し、グラフにおいて実線は模型実験、点線は現地実験結果を示している。
【００１５】
測定データは、列車先頭部が入口緩衝工のないトンネルに突入する際に、トンネル入口においてトンネル内部に形成される圧力波の時間微分（圧力勾配）波形であり、模型実験、現地試験とも全て同一速度で走行する、同一列車のものである。模型実験のデータは、横軸（時間）、縦軸（圧力勾配）ともに縮尺ｓで換算し、現地とスケールを合わせている。
【００１６】
表１はその時の主な諸元を示している。
【００１７】
【表１】
0003642423.tif 000002
【００１８】
図５から、模型実験の波形は、現地試験の波形の定性的な傾向は再現できているものの、その絶対値までは定量的に一致していないことがわかる。
【００１９】
表２に、図５と同一の条件において、模型実験における列車偏心量ｂのみを様々に変化させたときの、圧力勾配最大値の変化を示す。
【００２０】
【表２】
0003642423.tif 000003
【００２１】
表２より、圧力勾配最大値が最も小さいｂ／Ｄ＝０．１３のときでも、なお現地試験の値より１７％も大きいことがわかる。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
このように、上記した従来の技術における模型実験装置は、列車及びトンネルを円断面や矩形断面等の単純形状の模型で表現しており、現地の地面の影響や、トンネル断面の形状（馬蹄形など）、また列車先頭部の複雑な形状変化など、実際の状況を厳密に模擬したものではなかった。
【００２３】
これを解決するには、先に述べたような、実際の三次元的な幾何形状を厳密に模型で模擬する方法がある。しかしこの方法では、
（１）模型の製作に多大なコストを要する。
【００２４】
（２）細部まで精密に再現された列車模型が、高速で繰り返し走行しても破損しないように、加速・減速時の衝撃を緩和するため、実験装置の加速・減速区間を長く取る必要がある。
【００２５】
（３）実験装置が大規模になり、実験の作業効率が低下する。
といった点で問題があり、容易には実現できない。
【００２６】
一方、従来の技術における実験装置では、列車・トンネル模型の形状を単純化することで、３００ｋｍ／ｈ以上の速度での実験を、低コストに、コンパクトな装置で、効率良く行うことが可能である。
【００２７】
本発明は、上記状況に鑑みて、従来と同様、単純形状の列車・トンネル模型を使用して、トンネル圧力波の模型実験を行う場合に、現実のトンネル圧力波現象を精度よく再現することができるトンネル圧力波の模型実験方法を提供することを目的とする。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕列車・トンネル模型を使用してトンネル内部及びトンネル外部の圧力波に関する模型実験を行うトンネル圧力波の模型実験方法において、現地の列車・トンネル断面に対する地面を対称面とする鏡像を設定し、その鏡像部分を含めた断面積に対する等価直径を算出し、前記現地の地面の効果を模型で模擬し、かつ前記トンネル断面内における列車の走行位置を前記トンネル断面中心から偏心させることで、現地の複線トンネルにおける列車走行の状況を模型で模擬するトンネル圧力波の模型実験方法であって、
0003642423.tif 000004
【００２９】
〔２〕上記〔１〕記載のトンネル圧力波の模型実験方法において、前記模型は円断面の模型であることを特徴とする。
【００３０】
〔３〕上記〔１〕記載のトンネル圧力波の模型実験方法において、
0003642423.tif 000005
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００３２】
図１は本発明の実施例を示す地面を対称面とする鏡像を考えたトンネル圧力波の模型実験方法の説明図である。ここでは、円断面の模型を使用する場合について説明する。
【００３３】
まず、図１（ａ）に示すように、現実の列車１、及びトンネル２の断面に対し、地面３を対称面とする鏡像を考える。これを従来と同様の模型で表現すると、図１（ｂ）に示すように、列車模型１１及びトンネル模型１２の円断面を上下に二分する平面を対称面（仮想地面）１３とし、上下の流れの状態は対称となる。この対称面１３は現地における地面３に相当し、すなわち、現地の地面３の効果を、円断面の模型で仮想的に表現できることとなる。なお、この方法では、地表面や車両底面での粘性摩擦に起因する境界層や流れの乱れなど、地面にごく近い領域の流れの状況を厳密に再現することはできないが、本発明で問題としているトンネル圧力波の形成過程においては、これらの影響は小さく、無視してもよいと考えられる。なお、図１（ｄ）において、１４は地上構造物模型である。
【００３４】
この鏡像法の考え方に基づけば、現実の列車及びトンネルに対する模型の対応は、以下のようになる。
【００３５】
まず、現実の列車及びトンネルに対する鏡像を設定（考慮）して、その鏡像部分を含めた断面積に対する等価直径を算出する。
0003642423.tif 000006
【００３６】
以上をまとめると、従来の実験模型との相違点は、同じ縮尺で列車・トンネル模型を製作した場合、列車走行軸方向の長さは従来と同じであるが、それと垂直方向の長さが従来の√２倍となり、模型全体の縦横比が従来と√２倍異なることとなる。
【００３７】
図２は本発明の方法による実験の測定結果の一例と、現地試験での測定結果とを比較した図であり、横軸は時間（一目盛が０．１秒）、縦軸は圧力勾配（ｋＰａ／ｓ）を示し、グラフにおいて実線は模型実験、点線は現地実験結果を示している。
【００３８】
ここで、現地の条件は図５と同一であり、測定データは模型実験、現地試験ともすべて同一速度で走行する、同一列車のものである。
【００３９】
模型実験のデータは、横軸（時間）、縦軸（圧力勾配）ともに縮尺ｓで換算し、現地とスケールを合わせている。表３はその時の主な諸元を表している。
【００４０】
【表３】
0003642423.tif 000007
【００４１】
図２を見ると、模型実験の波形は図５と異なり、現地試験の波形の定性的な傾向のみならず、その絶対値まで定量的に一致していることが分かる。
0003642423.tif 000008
【００４２】
【表４】
0003642423.tif 000009
【００４３】
上記したように、本発明によれば、円断面の列車・トンネル模型を使用しながらも、波形の定性的な傾向だけでなく、その絶対値まで定量的に一致させることができる。
0003642423.tif 000010
【００４４】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００４５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、円断面や矩形断面等の単純形状の列車・トンネル模型を使用して、トンネル圧力波の模型実験を行う場合に、現実のトンネル圧力波現象を精度よく再現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例を示す地面を対称面とする鏡像を考えたトンネル圧力波の模型実験方法の説明図である。
【図２】  本発明の方法による実験の測定結果の一例と、現地試験での測定結果とを比較した図である。
【図３】  トンネル圧力波の模型実験装置の模式図である。
【図４】  従来のトンネル圧力波の模型実験方法の説明図である。
【図５】  従来のトンネル圧力波の模型実験方法による実験の測定結果の一例と、現地試験での測定結果との比較を示す図である。
【符号の説明】
１    現実の列車
２    トンネル
３    地面
４    地上構造物
１１    列車模型
１２    トンネル模型
１３    対称面（仮想地面）
１４    地上構造物模型
【図１】
0003642423.tif 000013
【図２】
0003642423.tif 000014
【図３】
0003642423.tif 000015
【図４】
0003642423.tif 000016
【図５】
0003642423.tif 000017