高速铁路隧道洞口缓冲结构设计

田鲁鲁

(中铁二院昆明勘察设计研究院有限责任公司，云南昆明650200)

高速铁路是速度目标值在250 km/h及以上的铁路，列车以较高速度通过隧道时会产生空气动力学效应，从而对列车、旅客和隧道洞口周围环境产生不良影响。当洞口附近有建筑物或特殊环境要求时，为了减缓此效应产生的影响，高速铁路隧道设计中多采用缓冲结构。国内学者通过模型试验、数值计算及现场测试等手段进行了系统的分析和研究［1～5］，研究成果对洞口缓冲结构设计提供了支持。本文结合云桂线孟村隧道出口端的设计实例，就缓冲结构设计方面的具体做法进行详细阐述。

1 空气动力学效应基本原理

列车高速进入隧道，前方的空气受到挤压，产生初始压缩波，此波以近似音速的速度沿隧道向前传播，随着列车驶入隧道长度增加，隧道内的压力也不断增大，压缩波的前锋压力梯度也随着增强，直到列车全部进入隧道一段时间后为止，当压缩波传至隧道出口，骤然膨胀，形成一个被称为“微气压波”的脉冲波，此脉冲波自隧道出口向周围地区辐射，发出爆炸声，并使得附近房屋的门窗、百叶窗等急剧震动，发出嘎啦的响声。图1为列车通过隧道时产生空气动力学效应过程示意图。

图1 列车通过隧道产生空气动力学效应示意

微气压波的影响因素主要有列车速度、车头形状、车头长细比、隧道的阻塞比、隧道长度、隧道内部条件(如轨道结构，有无竖井、斜井和横通道等)和隧道出口地形等。其中，列车进入隧道的速度和隧道阻塞比是最重要的两个影响因素。隧道压缩波的最大压力梯度值与列车进入隧道的速度的三次方成正比，而微气压波的峰值和压缩波到达隧道出口时的最大压力梯度大致成正比。

由于微气压波的大小和微气压波到达隧道出口时的压力梯度大致成正比，目前采用的减缓微气压波措施的指导原则是减小微气压波的压力梯度。在隧道方面采取的措施主要是在隧道洞口设置缓冲结构和增大隧道断面积。对于新建铁路隧道，需要对增大隧道断面积和修建缓冲结构进行经济、技术上的比较来确定。

2 洞口缓冲结构设置标准

一般情况下，隧道洞口可不设置缓冲结构。当隧道洞口有建筑物或特殊环境要求时，可考虑设置缓冲结构。隧道洞口缓冲结构设置应考虑列车类型及长度、隧道长度、隧道净空有效面积、隧道轨道类型、隧道洞口附近地形和居民情况因素。

研究人员针对微气压波现象，通过现场测试、模型试验、理论研究，总结了一套行之有效的缓解微气压波影响的方法。根据微气压波峰值控制指标，表1中三种情况需设置缓冲结构。

表1 洞口缓冲结构设置标准［6］

3 针对隧道方面缓解空气动力学效应的措施

3.1 隧道净空有效面积

我国高速铁路隧道在综合考虑缓解空气动力学效应和各种安全预留空间要求，规定相应的隧道净空有效面积为：

设计行车速度为250 km/h时，单线隧道轨顶面以上净空横断面面积不宜小于58 m2，双线隧道净空横断面面积不宜小于90 m2。

设计行车速度为300 km/h～350 km/h时，单线隧道轨顶面以上净空横断面面积不宜小于70 m2，双线隧道净空横断面面积不宜小于10 m2。

根据国外的工程经验，当阻塞比小于0.15且净空有效面积大于71 m2时，可以不在洞口设置缓冲结构；阻塞比大于0.18且内净空面积小于64 m2时，则必须提高列车的密封性能。

3.2 洞门型式的确定

传统铁路隧道洞门型式基本上以端墙式、翼墙式、台阶式和柱式为主，这些洞门型式的设计理念均建立在挡土墙理论基础上，对地表破坏较大，不利于目前所倡导的环境保护要求，对隧道与周围环境的协调亦考虑较少。高速铁路隧道洞门除了考虑结构的稳定安全之外，还应选择与周围环境协调，采用有利于缓解空气动力学效应的洞门形式，靠近城市或风景区的隧道洞门宜结合景观进行设计，必要时可根据洞门形式适当设置缓冲结构，减小微气压波对洞口周围居民和建筑物的影响。

高速铁路隧道洞门考虑的主要因素有：(1)结构稳定性；(2)消减微气压波效果；(3)施工方便性；(4)地形地质条件适应性。

高速铁路隧道考虑空气动力学效应，常采用切削式洞门结构作为缓冲结构的洞门型式［4］。

3.3 隧道洞口设置缓冲结构

在隧道洞口处设置缓冲结构是缓解隧道洞口微气压波最基本的一种方法。按照其周壁有无开口，缓冲结构可以分为无开口缓冲结构和开口缓冲结构；按照其母线情况，缓冲结构可分为断面扩大型缓冲结构(母线和隧道轴线平行)和喇叭型缓冲结构。缓冲结构的主要参数是母线形状、位置，长度和横断面大小，如果其顶部或侧面存在开口，则开口面积及位置设计也是非常重要的。

对于无开口的缓冲结构，当缓冲结构长度小于隧道断面的等效直径时，微气压波的峰值压力随缓冲区的增加而减小；当长度大于一倍隧道断面的等效直径长度时，则不会进一步减低，所以缓冲结构长度一般取为一倍隧道断面的等效直径(或略大于)。缓冲结构横截面积的大小的选取则要考虑两个区段产生的微气压波的比较情况。因为随着缓冲结构断面的扩大，列车进入该区段所产生的微气压波减小了，可是在由缓冲结构段进入隧道时就会产生较高的微气压波。

开口型缓冲结构的微气压波减缓效果通常要好于无开口缓冲结构，开口面积大小和位置对减缓效果有重要影响。

若取缓冲结构的横断面积与隧道截面相同，通过在缓冲结构顶部开口起缓冲作用，其主要设计参数有两个：缓冲结构长度和开口率。通常情况下，缓冲结构长度越长，起到的减缓作用越明显。

喇叭型缓冲结构是一种变截面的缓冲结构，其纵向可采用直线型母线和曲线型母线。

缓冲结构形式应从实用美观出发，结合洞口附近的地理环境确定。一般情况下，洞口缓冲结构宜采用与隧道衬砌轮廓形式相似的开孔式结构，也可采用其他结构形式。

3.4 缓冲结构开孔及长度

两侧开孔或顶部开孔的缓冲结构比同全封闭的缓冲结构具有更好的降压效果。缓冲结构的开口处，最大有效面积为隧道内轨顶面以上净空面积的1.4～1.5倍。开孔面积为隧道净空横断面面积的1/5～1/3时，会取得较好的降压效果。

缓冲结构长度过短起不到降低微气压波的作用，过长则其降低微气压波的作用提高很小。缓冲结构长度以在隧道断面水力直径至50 m范围内为好。

4 工程实例

4.1 工程概况

云桂高铁孟村隧道全长10 068 m，设计为200 km/h预留250 km/h条件客货共线双线隧道，位于云南省文山州富宁县境内。洞口附近建筑物主要有孟村小学(距离洞口约70 m)及孟村村庄(距离洞口约150 m)，出口平面地形如图2所示。为减缓高速列车通过隧道产生空气动力学效应的不良影响，在孟村隧道出口设计了缓冲结构。

4.2 缓冲结构设计

以下将从孟村隧道出口缓冲结构设置的必要性、缓冲结构位置、截面形式、缓冲结构开孔及长度、洞门形式的选择等方面对缓冲结构的设计进行阐述。

图2 孟村隧道出口段平面地形

4.2.1 缓冲结构设置的必要性

根据我国客运专线双线隧道断面的情况，阻塞比小于0.15，内净空有效面积不小于80 m2，原则上一般双线隧道洞口可不设缓冲结构。孟村隧道满足上述条件，但是在隧道出口离小学校园较近(距离洞口约70 m)，而且附近不远有大片的居民区这样的特殊环境下，为满足校园安静的教学环境要求及避免噪音扰民，考虑在洞口处适当设置缓冲结构。

4.2.2 缓冲结构位置

孟村隧道出口仰坡较平缓，洞口右侧紧邻小学校园及大片居民区，且323国道在出口处穿越线路，经综合各方面因素考虑接长明洞，即出口段DK326+423～DK326+447段采用偏压明洞，DK326+447～DK326+465段设缓冲构筑物，DK326+465～DK326+480段设洞口斜切段。孟村隧道出口段纵断面详见图3所示。

图3 孟村隧道出口段纵断面(单位：cm)

4.2.3 洞门形式

孟村隧道出口洞门设计采用帽檐斜切式洞门，斜切式洞门消减空气动力学效应有效率随着斜切洞门斜率的减小而减小，从性价比来看，一般取斜切面1∶1或1∶1.25较好。为与全线洞门统一，本处斜切面取1∶1.25。

4.2.4 缓冲结构截面形式

缓冲结构截面形式分为等截面和变截面两种。本设计选择等截面缓冲结构，缓冲结构内轮廓与隧道衬砌内轮廓相同(净空有效面积93 m2)，以便与斜切段和偏压明洞段衔接，不需设置过渡段，施工可采用同一架台车，简化施工过程及减少造价。缓冲结构横断面见图4。

图4 缓冲结构横断面(单位：cm)

4.2.5 缓冲结构长度及开孔

缓冲结构采用开孔等截面结构，长度为18.0 m，在隧道断面水利直径(本处设计为10.8 m)至50 m范围内；拱顶开孔，单孔尺寸3.2 m(长)×2.6 m(宽)，开孔间距为3.0 m，共开孔3个，开孔面积为隧道净空有效面积的26.8%，位于1/5～1/3比例范围，有较好的降压效果。缓冲结构设计详见图 5、图 6。

图5 缓冲结构平面(单位：cm)

图6 缓冲结构纵断面(单位：cm)

5 结束语

基于以上分析及孟村隧道出口缓冲结构设计可得以下结论。

(1)孟村隧道出口采用开孔等截面缓冲结构和帽檐式斜切洞门，充分结合了洞口环境要求，设计美观大方，和洞口地貌浑然一体，起到良好的缓冲作用。

(2)缓冲结构采用开孔等截面结构，内轮廓与洞口偏压明洞及斜切段内轮廓相同，可采用同一架台车模筑，施工相对简单，并可减少造价。

(3)孟村隧道出口缓冲结构设计长度及开孔率合理，有较好的降压效果。云桂高铁已于2016年底开通运营，隧道洞口缓冲结构设计达到了预期效果，未产生噪声污染影响附近居民及学校环境。