艱險山區(qū)客運專線鐵路隧道緩沖結構研究

孫春華

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

1 工程概況

寶雞至蘭州客運專線鐵路位于陜西、甘肅兩省，速度目標值為250 km/h。線路長度400.6 km，隧道工程總計272.2 km/73座，隧線比68%。其中特長隧道74.47 km/6座，6～10 km的長隧道63.3 km/9座，3～6 km的長隧道81.93 km/19座。1～3 km的隧道45.26 km/24座，小于1 km的隧道7.2 km/15座。

寶蘭客運專線鐵路沿線洞口段地形、地質(zhì)條件復雜，多處隧道洞口位于城鎮(zhèn)、村莊等居民區(qū)，且有多處洞口橋隧相連或橋臺進洞。為深入研究高速鐵路隧道洞口微壓波特性，確定各種緩沖結構在控制微壓波方面的效果，提出緩沖結構設計的合理方案，設立了科研項目進行專項研究。本文在科研項目成果基礎上，結合設計過程對寶蘭客運專線鐵路隧道緩沖結構的研究情況進行介紹。

2 研究原理和數(shù)值計算簡介

2.1 研究原理

高速列車進出隧道形成的壓力波帶來乘客舒適度下降、隧道洞口噪聲污染、威脅隧道洞口建筑物安全等多種不利影響。壓縮波與微壓波形成機理見圖1。

圖1 壓縮波與微壓波形成機理

以往經(jīng)驗表明，阻塞比(列車斷面與隧道斷面的比值)大于0.2，在列車提速到200 km/h后，出現(xiàn)了較明顯的空氣噪聲問題。日本人小沢智的研究報告中對多種削減措施進行了研究和測試。為減小微壓波，可以在隧道口修建緩沖段，緩沖結構又分為無開口全封閉緩沖結構、有窗口的緩沖結構、開槽式緩沖結構和喇叭型緩沖結構。緩沖結構的重要參數(shù)是緩沖區(qū)長度和緩沖棚橫截面積的大小。

2.2 數(shù)值計算方程

為了保證車-隧耦合氣動效應計算精度，課題研究中采用粘性流體計算，并將空氣視為理想氣體，求解納維-斯托克斯(Navier-Stokes)方程(以下簡稱為N-S方程)，得到流場的數(shù)值解。

N-S方程包括質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程。

質(zhì)量守恒方程

動量守恒方程

能量守恒方程

高速鐵路隧道空氣動力效應中雷諾數(shù)Re約為105，遠大于4 000，處于湍流狀態(tài)，因此需要引入湍流模式與N-S方程耦合求解。湍流模式采用標準的k-ε模型，標準的k-ε模型由下面方程定義。

(1)湍流粘性系數(shù)

湍流粘性系數(shù)按下式定義

(2)運輸方程

湍流動能k和湍流耗散率ε可以從以下運輸方程得到

3 設計典型工況及工程措施研究

3.1 等截面雙側(cè)開口緩沖結構研究

以往項目在隧道洞口修建斷面擴大型緩沖結構，由于隧道斷面擴大對施工工藝要求高、施工難度大，在實際過程中，一些隧道洞口難于施作。因此有必要對斷面不擴大型等截面隧道洞口緩沖結構的參數(shù)優(yōu)化進行研究。

筆架山隧道全長14 752 m，寶雞端洞口設置25.5 m明洞。針對筆架山隧道洞口工程條件，建立了3種工況模型對隧道緩沖結構進行了分析。

(1)工況Ⅰ

緩沖結構長度為24 m，開口率=50.4%，雙側(cè)對稱開口，見圖2。

圖2 緩沖結構開口布置(工況Ⅰ)示意(單位:m)

(2)工況Ⅱ

緩沖結構長度為23 m，開口率=38.7%，雙側(cè)對稱開口，見圖3。

圖3 緩沖結構開口布置(工況Ⅱ)示意(單位:m)

(3)工況Ⅲ

緩沖結構長度為21 m，開口率=21.5%，雙側(cè)對稱開口，見圖4。

圖4 緩沖結構開口布置(工況Ⅲ)示意(單位:m)

研究顯示，設置緩沖結構以后，可以將微壓波降低30%以上，相比斷面擴大型效果要差;緩沖結構開口率由25.8%～27.95%變化過程中，25.8%開口方案的首波與二次波接近，屬于最優(yōu)方案，詳見表1、圖5。

表1 隧道內(nèi)首波壓力梯度對比(一)

圖5 斷面不擴大型雙開口緩沖結構降低壓力梯度對比曲線(雙開口，200 m處測點)

3.2 等截面單側(cè)開口緩沖結構研究

麥積山隧道全長13 932 m，蘭州端地形偏壓，洞口設置59 m明洞，設置緩沖結構條件困難。針對麥積山隧道洞口工程條件，建立了工況模型對隧道緩沖結構進行了分析，麥積山隧道蘭州端洞口斷面見圖6。

根據(jù)洞口工程設置情況，選擇了2個開口方案，開口形式如下。

(1)工況Ⅰ(圖7)

圖6 麥積山隧道蘭州端洞口(單位:cm)

圖7 蘭州端洞門開口形式(工況Ⅰ)示意(單位:m)

(2)工況Ⅱ(圖8)

圖8 蘭州端洞門開口形式(工況Ⅱ)示意(單位:m)

研究表明，采用側(cè)面開口設計方案，可以取得較好效果，可以將微壓波降低40%以上。詳見表2。

表2 隧道內(nèi)首波壓力梯度對比(二)

3.3 隧道洞口設置平導式緩沖結構研究

在部分隧道洞口，地形高陡，橋隧相連，隧道洞口無設置明洞條件，在明洞段落設置緩沖結構條件極差。基于此種工況，對隧道洞口設置平導+橫通道作為緩沖結構進行了研究，古城嶺隧道蘭州端洞口斷面見圖9。

圖9 古城嶺隧道蘭州端洞口(單位:cm)

對平導式緩沖結構設計時，重點對以下設計參數(shù)進行了研究:橫通道與隧道所成角度影響、橫通道間距影響、橫通道個數(shù)影響等。平導及橫通道布置見圖10。

圖10 平導及橫通道布置形式(單位:m)

通過對設置橫通道緩解微壓波的效果分析，可以得出如下主要結論。

(1)隧道雙側(cè)設置橫通道工況

在隧道洞口附近設置橫通道，可以有效緩解隧道出口微壓波，設置4個橫通道可以將微壓波降低36%;

橫通道與隧道成90°角(垂直)時，緩解微壓波的效率略優(yōu)于橫通道與隧道成45°角的情況。

(2)隧道單側(cè)設置橫通道工況

相對于雙側(cè)設置橫通道，單側(cè)開口的降低效率明顯降低;

設置5個橫通道以后，再繼續(xù)增加橫通道個數(shù)對降低效率提高不明顯;

將第一個橫通道的位置接近隧道洞口是有利的。

4 結語

結合寶蘭客運專線鐵路隧道緩沖結構方案設計，針對復雜條件下隧道緩沖結構設置的關鍵問題進行了研究和分析。

(1)寶蘭客運專線鐵路隧道緩沖結構設計研究涵蓋了350 km/h和250 km/h兩種速度標準，為高速鐵路緩沖結構的設置提供了豐富的研究經(jīng)驗。

(2)結合隧道復雜洞口環(huán)境特點，提出了隧道洞口段設置橫通道、單側(cè)開口等新型緩沖結構形式，解決了寶蘭客運專線鐵路隧道洞口緩沖結構的設計難題，擴展了緩沖結構的應用范圍。

［1］賀旭洲，王英學，付業(yè)凡，彭永利.斜切式洞門緩沖結構開口率的優(yōu)化分析［J］.空氣動力學學報，2012，4(2):202-205.

［2］劉堂紅，田紅旗，梁習鋒.緩沖結構對隧道口微氣壓波的影響［J］.中南大學學報:自然科學版，2009，10(5):1306-1311.

［3］Satoru O，TATSUOM.Tunnel entrance hoods for reduction of micropressure wave［J］.QR OF RTRI，1988，29(3):134-139.

［4］Tatsuo M.Micro-pressure wave radiationg from tunnel portal and pressure variation due to train passage［J］.QR OF RTRI，1996，37(4):199-203.

［5］HYEOK-BIN K，KI-HYEOK J，YU-SHIN K.Nose shape optimization of high-speed train for minimization of tunnel sonic boom［J］.JSME International Journal.Series C，2001，44(3):890-899.

［6］Masanobu I，TSUYOSHI M，KOJI N，et al.Effective nose shape for reducing tunnel sonic boom ［J］. QR OF RTRI， 1997，38(4):206-211.

［7］Howe M S，F(xiàn)UKUDA T，MAEDA T.Theoretical and experimental investigation of the compression wave generated by a train entering a tunnel with a flared portal［J］.Journal of Fluid Mechanics，2000，425:111-132.

［8］駱建軍，高波，王英學.高速列車穿越隧道時二維非定常流的數(shù)值模擬［J］.鐵道學報，2003，25(2):68-73.

［9］趙文成，高波，王英學，琚娟.高速列車通過隧道時壓力波動過程的模型試驗［J］.現(xiàn)代隧道技術，2004，41(6):16-20.

［10］梅元貴，周朝暉，耿烽，許建林，李剛.高速鐵路隧道初始壓縮波一維流動模型的數(shù)值分析方法［J］.空氣動力學學報，2006，24(4):508-512.

［11］駱建軍，王夢恕，高波，王英學.高速列車進入帶緩沖結構隧道的壓力變化研究(Ⅰ)［J］.空氣動力學學報，2007，12(4):488-494.

［12］李人憲，關永久，趙晶，趙繼維.高速鐵路隧道緩沖結構的氣動作用分析［J］.西南交通大學學報，2012，4(2):175-180.