喻 渝 景雪蕾 馮春來 梅元貴

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031；2.蘭州交通大學(xué)甘肅省軌道交通力學(xué)應(yīng)用工程實(shí)驗(yàn)室， 蘭州 730070)

當(dāng)高速列車駛?cè)胨淼罆r(shí)會(huì)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(xù)時(shí)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(huì)產(chǎn)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(huán)境問題[1]。列車駛?cè)胨淼罆r(shí)產(chǎn)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(nèi)凈空采用64 m2的小斷面，1974年在三陽新干線運(yùn)行期間首次發(fā)現(xiàn)了微氣壓波問題[5-6]，為此日本進(jìn)行了大量系統(tǒng)的研究工作，通過采用在隧道洞口設(shè)置緩沖結(jié)構(gòu)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(shè)置的隧道緩沖結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度一般為12～17 m，隨著日本新干線的提速，微氣壓波現(xiàn)象變得更加劇烈，為此持續(xù)設(shè)置了長(zhǎng)度10～30 m的不同型式微氣壓波緩沖結(jié)構(gòu)[7-9]。在設(shè)計(jì)速度505 km/h的中央新干線山梨磁浮試驗(yàn)線中設(shè)置了長(zhǎng)達(dá)200 m的隧道開孔型緩沖結(jié)構(gòu)。目前，日本學(xué)者正在圍繞時(shí)速360 km/h及更高速度的隧道緩沖結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究?？紤]到在世界范圍內(nèi)日本有關(guān)緩沖結(jié)構(gòu)的研究和工程應(yīng)用較為系統(tǒng)，本文重點(diǎn)調(diào)查分析了日本新干線已建成的部分隧道緩沖結(jié)構(gòu)，以及360 km/h的隧道緩沖結(jié)構(gòu)氣動(dòng)效應(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 既有隧道緩沖結(jié)構(gòu)型式

目前，日本新干線隧道緩沖結(jié)構(gòu)可分為無開孔緩沖結(jié)構(gòu)和開孔型緩沖結(jié)構(gòu)兩類。按照隧道緩沖結(jié)構(gòu)斷面面積變化特征，也可將緩沖結(jié)構(gòu)形狀分為等截面型和擴(kuò)大截面型兩大類[10]。開孔型緩沖結(jié)構(gòu)主要有頂部、側(cè)部開孔及狹縫型開孔等類型。

1.1 緩沖結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)型式

日本新干線既有緩沖結(jié)構(gòu)的一些基本結(jié)構(gòu)型式如圖1所示，包括喇叭形擴(kuò)大斷面開孔型、等截面擴(kuò)大斷面開孔型、擴(kuò)大斷面無開孔型、既有結(jié)構(gòu)延長(zhǎng)型4種類型。

(1)如圖1(a)所示，目前使用的擴(kuò)大斷面開孔型緩沖結(jié)構(gòu)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(cè)壁一側(cè)或兩側(cè)都有開孔。日本列車以250～320 km/h運(yùn)行時(shí)，緩沖結(jié)構(gòu)長(zhǎng)80 m，當(dāng)速度增加到350 km/h或更高時(shí)，所需的緩沖結(jié)構(gòu)長(zhǎng)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(huán)境條件限制下，研究提出了長(zhǎng)度較短的無開孔等截面擴(kuò)大斷面型的緩沖結(jié)構(gòu)，可解決開孔布置困難的情形，緩沖結(jié)構(gòu)的情況如圖1(c)所示。

(3)圖1(d)是一種在既有緩沖結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上延長(zhǎng)長(zhǎng)度的開孔型緩沖結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)的基本型式圖

1.2 緩沖結(jié)構(gòu)中開孔的布置方式

開孔型緩沖結(jié)構(gòu)可較大幅度地降低列車駛?cè)胨淼缼韷嚎s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(jié)構(gòu)如圖2所示，具體包括：兩側(cè)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(jié)構(gòu)。

(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(jié)構(gòu)型式。緩沖結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度分別為10 m和49 m，如圖2(b)所示的結(jié)構(gòu)設(shè)置9個(gè)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(jié)構(gòu)型式。圖2(c)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在緩沖結(jié)構(gòu)前端布置第一個(gè)開孔，而后間隔兩個(gè)開孔的尺寸后再布置一定數(shù)量的開孔。

(3)圖2(e)為“反置型”的“狹長(zhǎng)”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(jié)構(gòu)。

圖2 緩沖結(jié)構(gòu)的開孔型式圖

以上緩沖結(jié)構(gòu)的開孔大小、開孔位置和是否均勻布置開孔等參數(shù)均需根據(jù)列車速度、隧道長(zhǎng)度等邊界條件進(jìn)行具體研究才能得出。

1.3 高速磁浮隧道緩沖結(jié)構(gòu)

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(yàn)線設(shè)置了長(zhǎng)大開孔型緩沖結(jié)構(gòu)，其最長(zhǎng)緩沖結(jié)構(gòu)已達(dá)200 m，隧道凈空面積74 m2，在緩沖結(jié)構(gòu)前端布置了大量開孔[15]，其效果滿足隧道長(zhǎng)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(jié)構(gòu)如圖3所示。方型緩沖結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)截面積與隧道截面積相同，在緩沖結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)斷面型式圖

2 基于更高速度條件下的緩沖結(jié)構(gòu)深化研究

隨著新干線提出提高運(yùn)營速度的要求，日本相關(guān)單位和學(xué)者利用模型試驗(yàn)及數(shù)值仿真分析手段，針對(duì)無開孔及開孔型兩種緩沖結(jié)構(gòu)，開展了基于 360 km/h速度的緩沖結(jié)構(gòu)的深化研究。

2.1 無開孔緩沖結(jié)構(gòu)深化研究

2.1.1 等截面擴(kuò)大斷面無開孔型緩沖結(jié)構(gòu)最優(yōu)斷面積比

針對(duì)更高速度條件下的等截面擴(kuò)大無開孔型緩沖結(jié)構(gòu)，Saito S[15]等開展了動(dòng)模型試驗(yàn)及數(shù)值仿真，對(duì)該結(jié)構(gòu)的微氣壓波峰值特征及最優(yōu)斷面積比進(jìn)行了研究。

無開孔擴(kuò)大斷面比為2.4條件下，采用模型比為1/102旋成體動(dòng)模型試驗(yàn)得出的壓縮波壓力和壓力梯度的時(shí)間歷程曲線特征圖如圖4所示[15]，試驗(yàn)相對(duì)應(yīng)的列車車頭長(zhǎng)10 m，緩沖結(jié)構(gòu)長(zhǎng)39 m。從圖4可以看出，無開孔緩沖結(jié)構(gòu)壓力波形曲線較為復(fù)雜，并且無開孔緩沖結(jié)構(gòu)的壓力波形有3個(gè)峰值。

采用數(shù)值計(jì)算方法，緩沖結(jié)構(gòu)斷面面積和隧道斷面面積之比對(duì)壓縮波壓力梯度3個(gè)峰值最大值的影響結(jié)果如圖5所示。縱軸表示帶有緩沖結(jié)構(gòu)的壓力梯度比與無緩沖結(jié)構(gòu)的壓力梯度之比。隨著緩沖結(jié)構(gòu)截面積比的增加，第一個(gè)峰值減小，而第二個(gè)和第三個(gè)峰值增加。圖5中3個(gè)壓力梯度的峰值交點(diǎn)給出了緩沖結(jié)構(gòu)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(gè)壓力梯度峰值的最大壓力梯度的變化特征圖

最優(yōu)截面積比為2.6無開孔等截面緩沖結(jié)構(gòu)和既有開孔緩沖結(jié)構(gòu)(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(jié)構(gòu)長(zhǎng)度下，無開孔緩沖結(jié)構(gòu)的最大壓力梯度最小。在這種情況下，最優(yōu)的緩沖結(jié)構(gòu)lh/d為1.8的最小壓力梯度比為0.37，而開孔緩沖結(jié)構(gòu)在lh/d為3時(shí)具有與無開孔緩沖結(jié)構(gòu)相同的最小壓力梯度比值。要達(dá)到最小壓力梯度比0.37，無開孔緩沖結(jié)構(gòu)可比開孔緩沖結(jié)構(gòu)短40%。由此可知，擴(kuò)大斷面面積可有效減短緩沖結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度；同時(shí)，由于無開孔緩沖結(jié)構(gòu)不需要設(shè)置開孔，建造相對(duì)簡(jiǎn)單。

圖6 有無開孔型緩沖結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的最大壓力梯度的比較圖

2.1.2 等截面二次擴(kuò)大斷面無開孔型緩沖結(jié)構(gòu)斷面積最優(yōu)比值

考慮既有線提速后的緩沖結(jié)構(gòu)改造問題，斉藤実俊、福田傑[16]等采取數(shù)值仿真分析手段，對(duì)等截面二次擴(kuò)大斷面無開孔型緩沖結(jié)構(gòu)的斷面積最優(yōu)比值進(jìn)行了深化研究。

二次擴(kuò)大斷面無開孔型緩沖結(jié)構(gòu)的示意如圖7所示，壓縮波PE表示列車頭部進(jìn)入緩沖結(jié)構(gòu)入口E時(shí)產(chǎn)生的壓縮波，當(dāng)列車車頭通過J1交叉口時(shí)，會(huì)產(chǎn)生壓縮波PJT1和向緩沖結(jié)構(gòu)進(jìn)口端反射的膨脹波PJH1。當(dāng)列車車頭通過隧道端J2時(shí)，會(huì)產(chǎn)生另外兩個(gè)壓縮波PJT2和膨脹波PJH2。圖7中，接續(xù)隧道的第一個(gè)擴(kuò)大斷面面積和隧道斷面面積之比為1.4[16]。運(yùn)用數(shù)值計(jì)算方法，在360 km/h速度條件下不同的截面比(第二個(gè)擴(kuò)大斷面面積和隧道斷面面積之比)對(duì)上述5種壓力波壓力梯度的影響規(guī)律如圖8所示，圖8中縱軸的壓力梯度比是無緩沖結(jié)構(gòu)時(shí)與壓力梯度最大值的比。從圖8可以看出，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)擴(kuò)大斷面面積與隧道斷面之比為1.4時(shí)，第二個(gè)擴(kuò)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(kuò)大斷面無開孔型緩沖結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 隧道中壓縮波壓力梯度比的計(jì)算結(jié)果圖

2.2 開孔型緩沖結(jié)構(gòu)深化研究

2.2.1 開孔側(cè)向的影響

既有隧道緩沖結(jié)構(gòu)開孔特征是在緩沖結(jié)構(gòu)的兩側(cè)分布著兩個(gè)等間距的開孔，稱為“兩側(cè)開孔”。考慮雙線隧道，從列車駛?cè)胨淼赖姆较蛴^察，將靠近列車一側(cè)的開孔稱為“近側(cè)開孔”，遠(yuǎn)離列車側(cè)的開孔稱為“遠(yuǎn)側(cè)開孔”。

栗田健[17]等針對(duì)“兩側(cè)開孔”與“近側(cè)封閉、遠(yuǎn)側(cè)開孔”兩種開孔方式進(jìn)行了數(shù)值仿真對(duì)比分析。

當(dāng)緩沖結(jié)構(gòu)斷面面積與隧道斷面之比為1.4時(shí)，采用數(shù)值計(jì)算方法，可得到的緩沖結(jié)構(gòu)兩側(cè)開孔和近車側(cè)開孔封閉、保持遠(yuǎn)側(cè)開孔兩種情況的的壓力梯度時(shí)間歷程曲線如圖9所示[17]。從圖9可以看出，設(shè)有兩側(cè)開孔的緩沖結(jié)構(gòu)壓力梯度的波形具有尖銳的峰值，而對(duì)于只在遠(yuǎn)側(cè)開孔的緩沖結(jié)構(gòu)，峰值會(huì)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(jié)構(gòu)開孔設(shè)定后的壓力梯度圖

2.2.2 等截面擴(kuò)大斷面緩沖結(jié)構(gòu)開孔高度的影響

針對(duì)等截面擴(kuò)大斷面開孔型緩沖結(jié)構(gòu)開孔高度的最優(yōu)取值問題，宮地徳蔵[18]等利用動(dòng)模型試驗(yàn)開展了深化研究。

等截面擴(kuò)大斷面開孔型緩沖結(jié)構(gòu)開孔布置示意如圖10所示。采用模型比為1/127旋成體動(dòng)模型試驗(yàn)得出的開孔擴(kuò)大斷面比1.44條件下的開孔高度h和壓力梯度比的關(guān)系曲線圖如圖11所示[18]。其中，列車速度360 km/h，車頭長(zhǎng)15 m。從圖10可以看出，有明顯的最佳的開孔高度。當(dāng)緩沖結(jié)構(gòu)30 m時(shí)，壓力梯度比值的最小值為0.468，對(duì)應(yīng)的開孔高度比為0.331。當(dāng)緩沖結(jié)構(gòu)50 m時(shí)，壓力梯度比值的最小值為0.360，對(duì)應(yīng)的開孔高度比為0.266。

圖10 等截面擴(kuò)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(guān)系圖

當(dāng)改變開孔高度時(shí)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(dāng)開孔高度h最佳時(shí)，壓力梯度波形的兩個(gè)峰幾乎平齊。

圖12 當(dāng)改變開孔高度時(shí)壓力梯度波形的變化圖

2.2.3 喇叭型緩沖結(jié)構(gòu)開孔高度的影響

對(duì)于喇叭型緩沖結(jié)構(gòu)，如何通過調(diào)整開孔高度實(shí)現(xiàn)微氣壓波的減弱，大久保秀彥、宮地徳蔵、福田傑[19]等通過動(dòng)模型試驗(yàn)進(jìn)行了深化研究。

喇叭型緩沖結(jié)構(gòu)的示意如圖13所示，其側(cè)面設(shè)置了等間隔的開孔，緩沖結(jié)構(gòu)的截面形狀為正方形，且沿著開孔方向擴(kuò)張，與隧道相連處截面積比為1.27，緩沖結(jié)構(gòu)開孔處截面積比為2.5，在對(duì)稱軸處設(shè)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(shí)完全關(guān)閉，h=10 mm時(shí)完全打開，調(diào)節(jié)范圍為2.5 mm≤h≤7.0 mm。采用模型比為1/127旋成體動(dòng)模型試驗(yàn)得出的喇叭型斷面比1.44條件下的壓縮波壓力梯度的時(shí)間歷程曲線特征圖如圖14所示[20]，對(duì)應(yīng)列車速度360 km/h，車頭長(zhǎng)度15 m。從圖14可以看出，當(dāng)開孔高度h=0 mm時(shí)，壓力梯度的波形在上半部具有1個(gè)高峰，在下半部具有1個(gè)低峰。當(dāng)開孔高度h=2.5 mm時(shí)，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(duì)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(jié)構(gòu)對(duì)微氣壓波的緩沖效果。

圖13 喇叭型緩沖結(jié)構(gòu)示意圖

圖14 緩沖結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度lh=50 m時(shí)的壓力梯度波形圖

壓力梯度比與緩沖結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度lh之間的關(guān)系如圖15所示，R為緩沖結(jié)構(gòu)的斷面面積與隧道斷面面積之比。從圖15可以看出，當(dāng)開孔高度h=0 mm時(shí)(即無開孔)，喇叭型緩沖結(jié)構(gòu)長(zhǎng)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(jié)構(gòu)。當(dāng)優(yōu)化開孔高度h時(shí)，壓力梯度比小于斷面比為2.5倍的緩沖結(jié)構(gòu)。因此，通過將喇叭型緩沖結(jié)構(gòu)與調(diào)整開孔高度的優(yōu)化相結(jié)合可實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的微氣壓波的減小效果。

圖15 壓力梯度比與緩沖結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度lh之比圖

3 結(jié)論

緩沖結(jié)構(gòu)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(diào)研日本新干線既有隧道緩沖結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用和更高速度條件下的緩沖結(jié)構(gòu)氣動(dòng)研究成果，可得到以下結(jié)論：

(1)目前新干線工程設(shè)置的既有隧道結(jié)構(gòu)多為開孔型結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)易于延長(zhǎng)，利于既有線緩沖結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)深化研究表明：無開孔型等截面擴(kuò)大斷面緩沖結(jié)構(gòu)具有最優(yōu)斷面比取值；擴(kuò)大緩沖結(jié)構(gòu)的斷面面積可有效減短緩沖結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度；開孔型緩沖結(jié)構(gòu)可采用較小的緩沖結(jié)構(gòu)斷面面積，但是開孔大小、個(gè)數(shù)、布置位置和開孔高度等參數(shù)及排列組合對(duì)降低壓縮波梯度有重要影響，需要結(jié)合具體工程分析才能確定最佳方案。

從本文調(diào)研結(jié)果來看，對(duì)于我國400 km/h及更高速度的高速鐵路隧道洞口緩沖結(jié)構(gòu)宜采用等截面擴(kuò)大開孔型緩沖結(jié)構(gòu)。