新型高速鐵路隧道洞口微氣壓波減緩設施研究

范勝利，張慧玲，朱 勇，高 強

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031)

1 高速鐵路隧道洞口微氣壓波

高速列車通過隧道時，會在車前形成初始壓縮波，該壓縮波以當地聲速向前傳播，到達隧道出口處，大部分能量以膨脹波的形式被反射回隧道內，少部分以低頻脈沖波的形式向外輻射，形成沖擊波。如果該沖擊波的強度足夠大，會在隧道洞口處產生氣動爆破噪聲，造成洞口周圍輕型結構物機車窗戶、房屋門窗的低頻劇烈振動，影響附近建筑物和居民的正常生活[1-2]。列車進入隧道產生微氣壓波的基本過程如圖1所示：

圖1 列車進入隧道產生微氣壓波的示意

目前，國內外設計人員在土建方面通常設置洞口緩沖結構來緩解隧道洞口微氣壓波。洞口緩沖結構是由隧道洞口段襯砌向外延伸形成的洞體延長段，通過擴大延長段的斷面面積或在洞體延長段上布置開口來緩解微氣壓。擴大開口型緩沖結構的作用原理一是增加壓縮波形成的時間，從而降低其壓力梯度；二是擠壓列車前方及周邊空氣從開口處排出，從而達到分流的目的。但是這種緩沖結構的缺點是當列車車速有所調整時，很難通過改變開口位置、數量或尺寸達到有效減緩微氣壓波的目的[3]。針對這一問題，本文研究提出了一種新型高速鐵路隧道洞口微氣壓波減緩設施。

2 帶有排氣管的擴大等截面式緩沖結構的提出

傳統的擴大型緩沖結構的斷面面積為隧道斷面面積的1.4～1.55倍的等截面結構，即緩沖結構斷面均保持同一個斷面面積。

帶有排氣管的擴大型緩沖結構是在傳統的擴大型緩沖結構上按一定間距布置多個排氣管(圖2)。排氣管取代在緩沖結構上開口，排氣管一端與緩沖結構相連，另一端與大氣相聯接。列車駛入緩沖結構后，一部分壓縮波進入排氣管中，而進入排氣管的壓縮波一部分排出到緩沖結構外，另一部分在排氣管末端形成發射波回到緩沖結構內從而減緩壓縮波的強度和壓力梯度。

圖2 帶有排氣管的擴大型緩沖結構示意

3 帶有排氣管的擴大等截面式緩沖結構的緩解效果

本文采用ANSYS-FLUENT流體力學計算軟件通過計算斷面面積相同的常規擴大等截面式緩沖結構(不開口和開口)以及帶有排氣管的擴大等截面式緩沖結構(排氣管位置、數量和截面面積與開口擴大等截面式緩沖結構相同)這三種工況下列車進入隧道后產生的壓力波梯度的緩解程度來比較說明帶有排氣管的擴大等截面式緩沖結構對微氣壓波的緩解效果。

為了較真實地模擬隧道內空氣的復雜流動，目前常用的方法為三維可壓縮非定常雷諾平均N-S方程結合k-ε雙方程湍流模型，對隧道空氣動力效應進行數值計算，用滑移網格(Sliding mesh)或動網格技術實現列車與隧道之間的相對運動。有關基本控制方程的說明、邊界條件的設置與相關數值模擬論文[4-5]無異。

數值模擬取CRH3型動車組，列車總長為200 m，速度為360 km/h，動車三維模型見圖3；隧道截面取為100 m2，長度取1 000 m，氣壓梯度測點距隧道進口200 m，設置在高度為距軌道面1.5 m的靠近列車運行一側邊墻上，氣壓測點位置見圖4；緩沖結構長度均為25 m，截面面積為140 m2。常規擴大等截面式緩沖結構開口數量為3個，均為方形，面積分別為20 m2、20 m2和10 m2，其位置、尺寸等信息見圖5；帶有排氣管的擴大等截面式緩沖結構中排氣管長度均為4 m，內徑均為1 m，排氣管布置見圖6。計算時隧道前后計算流域長度為800 m，列車頭部距隧道入口為50 m。

圖3 CRH3型動車組三維模型

圖4 氣壓測點布置

圖5 常規擴大等截面式緩沖結構開口位置及尺寸

圖6 帶有排氣管的擴大等截面式緩沖結構排氣管布置

三種工況下測點處的氣壓梯度曲線如圖7～圖9所示?？梢姡Ｒ幉婚_口擴大等截面式緩沖結構測點對應的最大壓力梯度為1 055.4 Pa，常規開口擴大等截面式緩沖結構測點對應的最大壓力梯度為887.4 Pa，帶有排氣管的擴大等截面式緩沖結構測點對應的最大氣壓梯度為763.2 Pa，說明在緩沖結構上設置排氣管對微氣壓波的減緩效果較等面積開口好。

圖7 常規不開口擴大等截面式緩沖結構測點氣壓梯度曲線

圖8 常規開口擴大等截面式緩沖結構測點氣壓梯度曲線

圖9 帶有排氣管的擴大等截面式緩沖結構測點氣壓梯度曲線

4 帶有排氣管的擴大等截面式緩沖結構的設計參數

通過對多種工況進行數值模擬計算后發現，列車速度越大時，排氣管的數量應越多，排氣管的間距應越小，具體需列車車速和車頭形狀計算確定；同時，由于壓縮波的強度及梯度是隨著列車進入緩沖結構的車體長度的增加而增大的，因此若排氣管的斷面面積相同，則其長度應該從緩沖結構進口到隧道進口越來越長；若排氣管的長度相同，則其斷面面積應該從緩沖結構進口到隧道進口越來越大。

另外，排氣管的長度應不大于壓縮波前長度的一半；每個排氣管的斷面面積宜不大于緩沖結構斷面面積的20 %，且可以設置于緩沖結構的上方或兩側。

5 帶有排氣管的擴大等截面式緩沖結構的優化

根據隧道洞口不同的具體環境和列車不同車速的影響，排氣管設置的參數和形狀等可適當優化。

當排氣管設置于緩沖結構上方時，為避免山體落石堵塞排氣管或降雨時雨水沿排氣管進入緩沖結構內部，可將排氣管與大氣聯接一端折成一定的角度，或者封閉其與大氣聯通一端，在管身上開孔(圖10、圖11)。

當隧道洞口外有居民房屋時，排氣管可設置于緩沖結構側邊的無民居一側，降低其對隧道周邊居民的影響(圖12)。

氣管的材料可以使用彈性材料，做成長度可調節的形式，另外可在排氣管的管身上等間距開孔，開孔做成可開閉的形式，當列車車速有所調整時，可以調節排氣管的長度或改變排氣開孔的位置或數量達到有效減緩微氣壓波的目的(圖13)。

圖10 排氣管彎折的緩沖結構示意

圖11 排氣管開孔的緩沖結構示意

6 結論

帶有排氣管的擴大型緩沖結構是一種新型高速鐵路隧道洞口微氣壓波減緩設施。當列車駛入該緩沖結構后可即時生成發射波以降低壓縮波強度及其壓力梯度，從而達到充分減緩微氣壓波的目的，并改善鄰近建筑物和居民的環境質量。當列車車速有所調整時，可以調節排氣管的長度或改變排氣開孔的位置或數量達到有效減緩微氣壓波的目的。

圖12 排氣管位于側邊的緩沖結構示意

圖13 可伸縮、開口可關閉排氣管緩沖結構示意