新型高速鐵路隧道洞口微氣壓波減緩設(shè)施研究

范勝利，張慧玲，朱 勇，高 強(qiáng)

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)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(shí)，會(huì)在車前形成初始壓縮波，該壓縮波以當(dāng)?shù)芈曀傧蚯皞鞑?，到達(dá)隧道出口處，大部分能量以膨脹波的形式被反射回隧道內(nèi)，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(qiáng)度足夠大，會(huì)在隧道洞口處產(chǎn)生氣動(dòng)爆破噪聲，造成洞口周圍輕型結(jié)構(gòu)物機(jī)車窗戶、房屋門窗的低頻劇烈振動(dòng)，影響附近建筑物和居民的正常生活[1-2]。列車進(jìn)入隧道產(chǎn)生微氣壓波的基本過程如圖1所示：

圖1 列車進(jìn)入隧道產(chǎn)生微氣壓波的示意

目前，國內(nèi)外設(shè)計(jì)人員在土建方面通常設(shè)置洞口緩沖結(jié)構(gòu)來緩解隧道洞口微氣壓波。洞口緩沖結(jié)構(gòu)是由隧道洞口段襯砌向外延伸形成的洞體延長段，通過擴(kuò)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(kuò)大開口型緩沖結(jié)構(gòu)的作用原理一是增加壓縮波形成的時(shí)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(dá)到分流的目的。但是這種緩沖結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是當(dāng)列車車速有所調(diào)整時(shí)，很難通過改變開口位置、數(shù)量或尺寸達(dá)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(shè)施。

2 帶有排氣管的擴(kuò)大等截面式緩沖結(jié)構(gòu)的提出

傳統(tǒng)的擴(kuò)大型緩沖結(jié)構(gòu)的斷面面積為隧道斷面面積的1.4～1.55倍的等截面結(jié)構(gòu)，即緩沖結(jié)構(gòu)斷面均保持同一個(gè)斷面面積。

帶有排氣管的擴(kuò)大型緩沖結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)的擴(kuò)大型緩沖結(jié)構(gòu)上按一定間距布置多個(gè)排氣管(圖2)。排氣管取代在緩沖結(jié)構(gòu)上開口，排氣管一端與緩沖結(jié)構(gòu)相連，另一端與大氣相聯(lián)接。列車駛?cè)刖彌_結(jié)構(gòu)后，一部分壓縮波進(jìn)入排氣管中，而進(jìn)入排氣管的壓縮波一部分排出到緩沖結(jié)構(gòu)外，另一部分在排氣管末端形成發(fā)射波回到緩沖結(jié)構(gòu)內(nèi)從而減緩壓縮波的強(qiáng)度和壓力梯度。

圖2 帶有排氣管的擴(kuò)大型緩沖結(jié)構(gòu)示意

3 帶有排氣管的擴(kuò)大等截面式緩沖結(jié)構(gòu)的緩解效果

本文采用ANSYS-FLUENT流體力學(xué)計(jì)算軟件通過計(jì)算斷面面積相同的常規(guī)擴(kuò)大等截面式緩沖結(jié)構(gòu)(不開口和開口)以及帶有排氣管的擴(kuò)大等截面式緩沖結(jié)構(gòu)(排氣管位置、數(shù)量和截面面積與開口擴(kuò)大等截面式緩沖結(jié)構(gòu)相同)這三種工況下列車進(jìn)入隧道后產(chǎn)生的壓力波梯度的緩解程度來比較說明帶有排氣管的擴(kuò)大等截面式緩沖結(jié)構(gòu)對微氣壓波的緩解效果。

為了較真實(shí)地模擬隧道內(nèi)空氣的復(fù)雜流動(dòng)，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(jié)合k-ε雙方程湍流模型，對隧道空氣動(dòng)力效應(yīng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，用滑移網(wǎng)格(Sliding mesh)或動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)列車與隧道之間的相對運(yùn)動(dòng)。有關(guān)基本控制方程的說明、邊界條件的設(shè)置與相關(guān)數(shù)值模擬論文[4-5]無異。

數(shù)值模擬取CRH3型動(dòng)車組，列車總長為200 m，速度為360 km/h，動(dòng)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(diǎn)距隧道進(jìn)口200 m，設(shè)置在高度為距軌道面1.5 m的靠近列車運(yùn)行一側(cè)邊墻上，氣壓測點(diǎn)位置見圖4；緩沖結(jié)構(gòu)長度均為25 m，截面面積為140 m2。常規(guī)擴(kuò)大等截面式緩沖結(jié)構(gòu)開口數(shù)量為3個(gè)，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(kuò)大等截面式緩沖結(jié)構(gòu)中排氣管長度均為4 m，內(nèi)徑均為1 m，排氣管布置見圖6。計(jì)算時(shí)隧道前后計(jì)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(dòng)車組三維模型

圖4 氣壓測點(diǎn)布置

圖5 常規(guī)擴(kuò)大等截面式緩沖結(jié)構(gòu)開口位置及尺寸

圖6 帶有排氣管的擴(kuò)大等截面式緩沖結(jié)構(gòu)排氣管布置

三種工況下測點(diǎn)處的氣壓梯度曲線如圖7～圖9所示?？梢姡Ｒ?guī)不開口擴(kuò)大等截面式緩沖結(jié)構(gòu)測點(diǎn)對應(yīng)的最大壓力梯度為1 055.4 Pa，常規(guī)開口擴(kuò)大等截面式緩沖結(jié)構(gòu)測點(diǎn)對應(yīng)的最大壓力梯度為887.4 Pa，帶有排氣管的擴(kuò)大等截面式緩沖結(jié)構(gòu)測點(diǎn)對應(yīng)的最大氣壓梯度為763.2 Pa，說明在緩沖結(jié)構(gòu)上設(shè)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(guī)不開口擴(kuò)大等截面式緩沖結(jié)構(gòu)測點(diǎn)氣壓梯度曲線

圖8 常規(guī)開口擴(kuò)大等截面式緩沖結(jié)構(gòu)測點(diǎn)氣壓梯度曲線

圖9 帶有排氣管的擴(kuò)大等截面式緩沖結(jié)構(gòu)測點(diǎn)氣壓梯度曲線

4 帶有排氣管的擴(kuò)大等截面式緩沖結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)

通過對多種工況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，列車速度越大時(shí)，排氣管的數(shù)量應(yīng)越多，排氣管的間距應(yīng)越小，具體需列車車速和車頭形狀計(jì)算確定；同時(shí)，由于壓縮波的強(qiáng)度及梯度是隨著列車進(jìn)入緩沖結(jié)構(gòu)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(yīng)該從緩沖結(jié)構(gòu)進(jìn)口到隧道進(jìn)口越來越長；若排氣管的長度相同，則其斷面面積應(yīng)該從緩沖結(jié)構(gòu)進(jìn)口到隧道進(jìn)口越來越大。

另外，排氣管的長度應(yīng)不大于壓縮波前長度的一半；每個(gè)排氣管的斷面面積宜不大于緩沖結(jié)構(gòu)斷面面積的20 %，且可以設(shè)置于緩沖結(jié)構(gòu)的上方或兩側(cè)。

5 帶有排氣管的擴(kuò)大等截面式緩沖結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

根據(jù)隧道洞口不同的具體環(huán)境和列車不同車速的影響，排氣管設(shè)置的參數(shù)和形狀等可適當(dāng)優(yōu)化。

當(dāng)排氣管設(shè)置于緩沖結(jié)構(gòu)上方時(shí)，為避免山體落石堵塞排氣管或降雨時(shí)雨水沿排氣管進(jìn)入緩沖結(jié)構(gòu)內(nèi)部，可將排氣管與大氣聯(lián)接一端折成一定的角度，或者封閉其與大氣聯(lián)通一端，在管身上開孔(圖10、圖11)。

當(dāng)隧道洞口外有居民房屋時(shí)，排氣管可設(shè)置于緩沖結(jié)構(gòu)側(cè)邊的無民居一側(cè)，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(diào)節(jié)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(dāng)列車車速有所調(diào)整時(shí)，可以調(diào)節(jié)排氣管的長度或改變排氣開孔的位置或數(shù)量達(dá)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(jié)構(gòu)示意

圖11 排氣管開孔的緩沖結(jié)構(gòu)示意

6 結(jié)論

帶有排氣管的擴(kuò)大型緩沖結(jié)構(gòu)是一種新型高速鐵路隧道洞口微氣壓波減緩設(shè)施。當(dāng)列車駛?cè)朐摼彌_結(jié)構(gòu)后可即時(shí)生成發(fā)射波以降低壓縮波強(qiáng)度及其壓力梯度，從而達(dá)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(huán)境質(zhì)量。當(dāng)列車車速有所調(diào)整時(shí)，可以調(diào)節(jié)排氣管的長度或改變排氣開孔的位置或數(shù)量達(dá)到有效減緩微氣壓波的目的。

圖12 排氣管位于側(cè)邊的緩沖結(jié)構(gòu)示意

圖13 可伸縮、開口可關(guān)閉排氣管緩沖結(jié)構(gòu)示意