日本新干線隧道緩沖結構技術

喻 渝 景雪蕾 馮春來 梅元貴

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031；2.蘭州交通大學甘肅省軌道交通力學應用工程實驗室， 蘭州 730070)

當高速列車駛入隧道時會在車頭前形成壓縮波，該壓縮波以聲速傳播到隧道出口，其中一部分壓縮波輻射出隧道外形成持續時間短的脈沖波，通常稱為“微氣壓波”。微氣壓波含有大量頻率在20 Hz以下的低頻次聲波，而頻率在20 Hz以上部分的微氣壓波則可能會產生音爆，在隧道出口形成“轟鳴聲”，影響隧道周圍建筑和居民，造成環境問題[1]。列車駛入隧道時產生的微氣壓波大小與出口端壓縮波最大梯度成正比[2-3]，壓縮波最大梯度與列車速度的3次方成正比[4]。由于日本新干線隧道內凈空采用64 m2的小斷面，1974年在三陽新干線運行期間首次發現了微氣壓波問題[5-6]，為此日本進行了大量系統的研究工作，通過采用在隧道洞口設置緩沖結構的方法，較大幅度地減緩了微氣壓波的影響。日本新干線早期設置的隧道緩沖結構長度一般為12～17 m，隨著日本新干線的提速，微氣壓波現象變得更加劇烈，為此持續設置了長度10～30 m的不同型式微氣壓波緩沖結構[7-9]。在設計速度505 km/h的中央新干線山梨磁浮試驗線中設置了長達200 m的隧道開孔型緩沖結構。目前，日本學者正在圍繞時速360 km/h及更高速度的隧道緩沖結構進行研究。考慮到在世界范圍內日本有關緩沖結構的研究和工程應用較為系統，本文重點調查分析了日本新干線已建成的部分隧道緩沖結構，以及360 km/h的隧道緩沖結構氣動效應深化研究成果，期望為我國400 km/h及以上速度的隧道緩沖結構設計和施工提供參考。

1 既有隧道緩沖結構型式

目前，日本新干線隧道緩沖結構可分為無開孔緩沖結構和開孔型緩沖結構兩類。按照隧道緩沖結構斷面面積變化特征，也可將緩沖結構形狀分為等截面型和擴大截面型兩大類[10]。開孔型緩沖結構主要有頂部、側部開孔及狹縫型開孔等類型。

1.1 緩沖結構基本結構型式

日本新干線既有緩沖結構的一些基本結構型式如圖1所示，包括喇叭形擴大斷面開孔型、等截面擴大斷面開孔型、擴大斷面無開孔型、既有結構延長型4種類型。

(1)如圖1(a)所示，目前使用的擴大斷面開孔型緩沖結構的橫截面面積與隧道橫截面面積之比在1.4～1.5之間，且沿側壁一側或兩側都有開孔。日本列車以250～320 km/h運行時，緩沖結構長80 m，當速度增加到350 km/h或更高時，所需的緩沖結構長度可能將超過100 m[11-13]，如圖1(b)所示。

(2)在洞外某些特殊環境條件限制下，研究提出了長度較短的無開孔等截面擴大斷面型的緩沖結構，可解決開孔布置困難的情形，緩沖結構的情況如圖1(c)所示。

(3)圖1(d)是一種在既有緩沖結構基礎上延長長度的開孔型緩沖結構，以解決既有線路上提速后惡化的微氣壓波問題。

圖1 緩沖結構的基本型式圖

1.2 緩沖結構中開孔的布置方式

開孔型緩沖結構可較大幅度地降低列車駛入隧道帶來壓縮波的最大壓力梯度，是一種非常有效的工程措施。不同開孔型式的緩沖結構如圖2所示，具體包括：兩側開孔、等間距開孔、非等間距開孔、非均勻尺寸開孔和混合型非等間距開孔5種類型緩沖結構。

(1)圖2(a)和圖2(b)分別為等間距布置“正置型”矩形開孔的兩種緩沖結構型式。緩沖結構長度分別為10 m和49 m，如圖2(b)所示的結構設置9個開孔[14]。

(2)圖2(c)和圖2(d)分別為非等間距布置矩形開孔的兩種緩沖結構型式。圖2(c)結構特點是在緩沖結構前端布置第一個開孔，而后間隔兩個開孔的尺寸后再布置一定數量的開孔。

(3)圖2(e)為“反置型”的“狹長”型的矩形開孔和“方形”開孔兩種混合型的非等間距開孔緩沖結構。

圖2 緩沖結構的開孔型式圖

以上緩沖結構的開孔大小、開孔位置和是否均勻布置開孔等參數均需根據列車速度、隧道長度等邊界條件進行具體研究才能得出。

1.3 高速磁浮隧道緩沖結構

為消除505 km/h速度高速磁浮隧道微氣壓波危害，日本中央新干線的山梨試驗線設置了長大開孔型緩沖結構，其最長緩沖結構已達200 m，隧道凈空面積74 m2，在緩沖結構前端布置了大量開孔[15]，其效果滿足隧道長度不超過45 km的微氣壓波控制值。“方型”和“拱型”兩種斷面型式的開孔緩沖結構如圖3所示。方型緩沖結構截面積比隧道截面積大，其頂部布有直徑為10 cm的開孔。拱型緩沖結構截面積與隧道截面積相同，在緩沖結構的前端開孔率為10%，后端的開孔率為0.5%。

圖3 高速磁浮隧道緩沖結構斷面型式圖

2 基于更高速度條件下的緩沖結構深化研究

隨著新干線提出提高運營速度的要求，日本相關單位和學者利用模型試驗及數值仿真分析手段，針對無開孔及開孔型兩種緩沖結構，開展了基于 360 km/h速度的緩沖結構的深化研究。

2.1 無開孔緩沖結構深化研究

2.1.1 等截面擴大斷面無開孔型緩沖結構最優斷面積比

針對更高速度條件下的等截面擴大無開孔型緩沖結構，Saito S[15]等開展了動模型試驗及數值仿真，對該結構的微氣壓波峰值特征及最優斷面積比進行了研究。

無開孔擴大斷面比為2.4條件下，采用模型比為1/102旋成體動模型試驗得出的壓縮波壓力和壓力梯度的時間歷程曲線特征圖如圖4所示[15]，試驗相對應的列車車頭長10 m，緩沖結構長39 m。從圖4可以看出，無開孔緩沖結構壓力波形曲線較為復雜，并且無開孔緩沖結構的壓力波形有3個峰值。

采用數值計算方法，緩沖結構斷面面積和隧道斷面面積之比對壓縮波壓力梯度3個峰值最大值的影響結果如圖5所示。縱軸表示帶有緩沖結構的壓力梯度比與無緩沖結構的壓力梯度之比。隨著緩沖結構截面積比的增加，第一個峰值減小，而第二個和第三個峰值增加。圖5中3個壓力梯度的峰值交點給出了緩沖結構斷面面積和隧道斷面面積之比的最佳值，最佳值約為2.6。

圖5 每個壓力梯度峰值的最大壓力梯度的變化特征圖

最優截面積比為2.6無開孔等截面緩沖結構和既有開孔緩沖結構(R=1.4)間的最大壓力梯度比的比較如圖6所示。在一定的緩沖結構長度下，無開孔緩沖結構的最大壓力梯度最小。在這種情況下，最優的緩沖結構lh/d為1.8的最小壓力梯度比為0.37，而開孔緩沖結構在lh/d為3時具有與無開孔緩沖結構相同的最小壓力梯度比值。要達到最小壓力梯度比0.37，無開孔緩沖結構可比開孔緩沖結構短40%。由此可知，擴大斷面面積可有效減短緩沖結構長度；同時，由于無開孔緩沖結構不需要設置開孔，建造相對簡單。

圖6 有無開孔型緩沖結構結構的最大壓力梯度的比較圖

2.1.2 等截面二次擴大斷面無開孔型緩沖結構斷面積最優比值

考慮既有線提速后的緩沖結構改造問題，斉藤実俊、福田傑[16]等采取數值仿真分析手段，對等截面二次擴大斷面無開孔型緩沖結構的斷面積最優比值進行了深化研究。

二次擴大斷面無開孔型緩沖結構的示意如圖7所示，壓縮波PE表示列車頭部進入緩沖結構入口E時產生的壓縮波，當列車車頭通過J1交叉口時，會產生壓縮波PJT1和向緩沖結構進口端反射的膨脹波PJH1。當列車車頭通過隧道端J2時，會產生另外兩個壓縮波PJT2和膨脹波PJH2。圖7中，接續隧道的第一個擴大斷面面積和隧道斷面面積之比為1.4[16]。運用數值計算方法，在360 km/h速度條件下不同的截面比(第二個擴大斷面面積和隧道斷面面積之比)對上述5種壓力波壓力梯度的影響規律如圖8所示，圖8中縱軸的壓力梯度比是無緩沖結構時與壓力梯度最大值的比。從圖8可以看出，當第一個擴大斷面面積與隧道斷面之比為1.4時，第二個擴大斷面面積和隧道斷面面積之比為3.9，可最大程度減小壓縮波的最大梯度值。

圖7 等截面二次擴大斷面無開孔型緩沖結構示意圖

圖8 隧道中壓縮波壓力梯度比的計算結果圖

2.2 開孔型緩沖結構深化研究

2.2.1 開孔側向的影響

既有隧道緩沖結構開孔特征是在緩沖結構的兩側分布著兩個等間距的開孔，稱為“兩側開孔”。考慮雙線隧道，從列車駛入隧道的方向觀察，將靠近列車一側的開孔稱為“近側開孔”，遠離列車側的開孔稱為“遠側開孔”。

栗田健[17]等針對“兩側開孔”與“近側封閉、遠側開孔”兩種開孔方式進行了數值仿真對比分析。

當緩沖結構斷面面積與隧道斷面之比為1.4時，采用數值計算方法，可得到的緩沖結構兩側開孔和近車側開孔封閉、保持遠側開孔兩種情況的的壓力梯度時間歷程曲線如圖9所示[17]。從圖9可以看出，設有兩側開孔的緩沖結構壓力梯度的波形具有尖銳的峰值，而對于只在遠側開孔的緩沖結構，峰值會降低，并且壓力梯度減小，減緩微氣壓波效果更為明顯。

圖9 緩沖結構開孔設定后的壓力梯度圖

2.2.2 等截面擴大斷面緩沖結構開孔高度的影響

針對等截面擴大斷面開孔型緩沖結構開孔高度的最優取值問題，宮地徳蔵[18]等利用動模型試驗開展了深化研究。

等截面擴大斷面開孔型緩沖結構開孔布置示意如圖10所示。采用模型比為1/127旋成體動模型試驗得出的開孔擴大斷面比1.44條件下的開孔高度h和壓力梯度比的關系曲線圖如圖11所示[18]。其中，列車速度360 km/h，車頭長15 m。從圖10可以看出，有明顯的最佳的開孔高度。當緩沖結構30 m時，壓力梯度比值的最小值為0.468，對應的開孔高度比為0.331。當緩沖結構50 m時，壓力梯度比值的最小值為0.360，對應的開孔高度比為0.266。

圖10 等截面擴大斷面開孔布置示意圖

圖11 開孔高度h和壓力梯度比之間的關系圖

當改變開孔高度時壓力梯度波形的變化曲線圖如圖12所示。從圖12可以看出，若開孔高度大于最佳開孔高度，即開孔過大，壓力梯度波形向右上方升。如果開孔高度小于最佳開孔高度，即開孔過小，壓力梯度波形向左上方升。當開孔高度h最佳時，壓力梯度波形的兩個峰幾乎平齊。

圖12 當改變開孔高度時壓力梯度波形的變化圖

2.2.3 喇叭型緩沖結構開孔高度的影響

對于喇叭型緩沖結構，如何通過調整開孔高度實現微氣壓波的減弱，大久保秀彥、宮地徳蔵、福田傑[19]等通過動模型試驗進行了深化研究。

喇叭型緩沖結構的示意如圖13所示，其側面設置了等間隔的開孔，緩沖結構的截面形狀為正方形，且沿著開孔方向擴張，與隧道相連處截面積比為1.27，緩沖結構開孔處截面積比為2.5，在對稱軸處設有開孔(高20 mm×寬24 mm)，通過在中央安裝封板來改變開孔高度h,h=0 mm時完全關閉，h=10 mm時完全打開，調節范圍為2.5 mm≤h≤7.0 mm。采用模型比為1/127旋成體動模型試驗得出的喇叭型斷面比1.44條件下的壓縮波壓力梯度的時間歷程曲線特征圖如圖14所示[20]，對應列車速度360 km/h，車頭長度15 m。從圖14可以看出，當開孔高度h=0 mm時，壓力梯度的波形在上半部具有1個高峰，在下半部具有1個低峰。當開孔高度h=2.5 mm時，上半部波形在上半部具有較低的峰值，在下半部具有的峰與下半部分的峰對齊，從而抑制了壓力梯度的增加。因此，通過改變開孔高度h可以有效的改善喇叭型緩沖結構對微氣壓波的緩沖效果。

圖13 喇叭型緩沖結構示意圖

圖14 緩沖結構長度lh=50 m時的壓力梯度波形圖

壓力梯度比與緩沖結構長度lh之間的關系如圖15所示，R為緩沖結構的斷面面積與隧道斷面面積之比。從圖15可以看出，當開孔高度h=0 mm時(即無開孔)，喇叭型緩沖結構長度為30 m和50 m處，壓力梯度比大于斷面比為2.5倍的緩沖結構。當優化開孔高度h時，壓力梯度比小于斷面比為2.5倍的緩沖結構。因此，通過將喇叭型緩沖結構與調整開孔高度的優化相結合可實現更優的微氣壓波的減小效果。

圖15 壓力梯度比與緩沖結構長度lh之比圖

3 結論

緩沖結構是有效防治高速鐵路隧道微氣壓波的工程措施。本文通過調研日本新干線既有隧道緩沖結構的工程應用和更高速度條件下的緩沖結構氣動研究成果，可得到以下結論：

(1)目前新干線工程設置的既有隧道結構多為開孔型結構，開孔類型可分為等間距開孔和不等間距開孔。等截面開孔型緩沖結構易于延長，利于既有線緩沖結構的改造，適用于既有線提速下的隧道洞口微氣壓波控制。

(2)更高速度條件下的緩沖結構深化研究表明：無開孔型等截面擴大斷面緩沖結構具有最優斷面比取值；擴大緩沖結構的斷面面積可有效減短緩沖結構長度；開孔型緩沖結構可采用較小的緩沖結構斷面面積，但是開孔大小、個數、布置位置和開孔高度等參數及排列組合對降低壓縮波梯度有重要影響，需要結合具體工程分析才能確定最佳方案。

從本文調研結果來看，對于我國400 km/h及更高速度的高速鐵路隧道洞口緩沖結構宜采用等截面擴大開孔型緩沖結構。