新型高速铁路隧道洞口微气压波减缓设施研究

范胜利，张慧玲，朱 勇，高 强

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031)

1 高速铁路隧道洞口微气压波

高速列车通过隧道时，会在车前形成初始压缩波，该压缩波以当地声速向前传播，到达隧道出口处，大部分能量以膨胀波的形式被反射回隧道内，少部分以低频脉冲波的形式向外辐射，形成冲击波。如果该冲击波的强度足够大，会在隧道洞口处产生气动爆破噪声，造成洞口周围轻型结构物机车窗户、房屋门窗的低频剧烈振动，影响附近建筑物和居民的正常生活[1-2]。列车进入隧道产生微气压波的基本过程如图1所示：

图1 列车进入隧道产生微气压波的示意

目前，国内外设计人员在土建方面通常设置洞口缓冲结构来缓解隧道洞口微气压波。洞口缓冲结构是由隧道洞口段衬砌向外延伸形成的洞体延长段，通过扩大延长段的断面面积或在洞体延长段上布置开口来缓解微气压。扩大开口型缓冲结构的作用原理一是增加压缩波形成的时间，从而降低其压力梯度；二是挤压列车前方及周边空气从开口处排出，从而达到分流的目的。但是这种缓冲结构的缺点是当列车车速有所调整时，很难通过改变开口位置、数量或尺寸达到有效减缓微气压波的目的[3]。针对这一问题，本文研究提出了一种新型高速铁路隧道洞口微气压波减缓设施。

2 带有排气管的扩大等截面式缓冲结构的提出

传统的扩大型缓冲结构的断面面积为隧道断面面积的1.4～1.55倍的等截面结构，即缓冲结构断面均保持同一个断面面积。

带有排气管的扩大型缓冲结构是在传统的扩大型缓冲结构上按一定间距布置多个排气管(图2)。排气管取代在缓冲结构上开口，排气管一端与缓冲结构相连，另一端与大气相联接。列车驶入缓冲结构后，一部分压缩波进入排气管中，而进入排气管的压缩波一部分排出到缓冲结构外，另一部分在排气管末端形成发射波回到缓冲结构内从而减缓压缩波的强度和压力梯度。

图2 带有排气管的扩大型缓冲结构示意

3 带有排气管的扩大等截面式缓冲结构的缓解效果

本文采用ANSYS-FLUENT流体力学计算软件通过计算断面面积相同的常规扩大等截面式缓冲结构(不开口和开口)以及带有排气管的扩大等截面式缓冲结构(排气管位置、数量和截面面积与开口扩大等截面式缓冲结构相同)这三种工况下列车进入隧道后产生的压力波梯度的缓解程度来比较说明带有排气管的扩大等截面式缓冲结构对微气压波的缓解效果。

为了较真实地模拟隧道内空气的复杂流动，目前常用的方法为三维可压缩非定常雷诺平均N-S方程结合k-ε双方程湍流模型，对隧道空气动力效应进行数值计算，用滑移网格(Sliding mesh)或动网格技术实现列车与隧道之间的相对运动。有关基本控制方程的说明、边界条件的设置与相关数值模拟论文[4-5]无异。

数值模拟取CRH3型动车组，列车总长为200 m，速度为360 km/h，动车三维模型见图3；隧道截面取为100 m2，长度取1 000 m，气压梯度测点距隧道进口200 m，设置在高度为距轨道面1.5 m的靠近列车运行一侧边墙上，气压测点位置见图4；缓冲结构长度均为25 m，截面面积为140 m2。常规扩大等截面式缓冲结构开口数量为3个，均为方形，面积分别为20 m2、20 m2和10 m2，其位置、尺寸等信息见图5；带有排气管的扩大等截面式缓冲结构中排气管长度均为4 m，内径均为1 m，排气管布置见图6。计算时隧道前后计算流域长度为800 m，列车头部距隧道入口为50 m。

图3 CRH3型动车组三维模型

图4 气压测点布置

图5 常规扩大等截面式缓冲结构开口位置及尺寸

图6 带有排气管的扩大等截面式缓冲结构排气管布置

三种工况下测点处的气压梯度曲线如图7～图9所示。可见，常规不开口扩大等截面式缓冲结构测点对应的最大压力梯度为1 055.4 Pa，常规开口扩大等截面式缓冲结构测点对应的最大压力梯度为887.4 Pa，带有排气管的扩大等截面式缓冲结构测点对应的最大气压梯度为763.2 Pa，说明在缓冲结构上设置排气管对微气压波的减缓效果较等面积开口好。

图7 常规不开口扩大等截面式缓冲结构测点气压梯度曲线

图8 常规开口扩大等截面式缓冲结构测点气压梯度曲线

图9 带有排气管的扩大等截面式缓冲结构测点气压梯度曲线

4 带有排气管的扩大等截面式缓冲结构的设计参数

通过对多种工况进行数值模拟计算后发现，列车速度越大时，排气管的数量应越多，排气管的间距应越小，具体需列车车速和车头形状计算确定；同时，由于压缩波的强度及梯度是随着列车进入缓冲结构的车体长度的增加而增大的，因此若排气管的断面面积相同，则其长度应该从缓冲结构进口到隧道进口越来越长；若排气管的长度相同，则其断面面积应该从缓冲结构进口到隧道进口越来越大。

另外，排气管的长度应不大于压缩波前长度的一半；每个排气管的断面面积宜不大于缓冲结构断面面积的20 %，且可以设置于缓冲结构的上方或两侧。

5 带有排气管的扩大等截面式缓冲结构的优化

根据隧道洞口不同的具体环境和列车不同车速的影响，排气管设置的参数和形状等可适当优化。

当排气管设置于缓冲结构上方时，为避免山体落石堵塞排气管或降雨时雨水沿排气管进入缓冲结构内部，可将排气管与大气联接一端折成一定的角度，或者封闭其与大气联通一端，在管身上开孔(图10、图11)。

当隧道洞口外有居民房屋时，排气管可设置于缓冲结构侧边的无民居一侧，降低其对隧道周边居民的影响(图12)。

气管的材料可以使用弹性材料，做成长度可调节的形式，另外可在排气管的管身上等间距开孔，开孔做成可开闭的形式，当列车车速有所调整时，可以调节排气管的长度或改变排气开孔的位置或数量达到有效减缓微气压波的目的(图13)。

图10 排气管弯折的缓冲结构示意

图11 排气管开孔的缓冲结构示意

6 结论

带有排气管的扩大型缓冲结构是一种新型高速铁路隧道洞口微气压波减缓设施。当列车驶入该缓冲结构后可即时生成发射波以降低压缩波强度及其压力梯度，从而达到充分减缓微气压波的目的，并改善邻近建筑物和居民的环境质量。当列车车速有所调整时，可以调节排气管的长度或改变排气开孔的位置或数量达到有效减缓微气压波的目的。

图12 排气管位于侧边的缓冲结构示意

图13 可伸缩、开口可关闭排气管缓冲结构示意