艱險(xiǎn)山區(qū)客運(yùn)專線鐵路隧道緩沖結(jié)構(gòu)研究

孫春華

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

1 工程概況

寶雞至蘭州客運(yùn)專線鐵路位于陜西、甘肅兩省，速度目標(biāo)值為250 km/h。線路長(zhǎng)度400.6 km，隧道工程總計(jì)272.2 km/73座，隧線比68%。其中特長(zhǎng)隧道74.47 km/6座，6～10 km的長(zhǎng)隧道63.3 km/9座，3～6 km的長(zhǎng)隧道81.93 km/19座。1～3 km的隧道45.26 km/24座，小于1 km的隧道7.2 km/15座。

寶蘭客運(yùn)專線鐵路沿線洞口段地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，多處隧道洞口位于城鎮(zhèn)、村莊等居民區(qū)，且有多處洞口橋隧相連或橋臺(tái)進(jìn)洞。為深入研究高速鐵路隧道洞口微壓波特性，確定各種緩沖結(jié)構(gòu)在控制微壓波方面的效果，提出緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理方案，設(shè)立了科研項(xiàng)目進(jìn)行專項(xiàng)研究。本文在科研項(xiàng)目成果基礎(chǔ)上，結(jié)合設(shè)計(jì)過(guò)程對(duì)寶蘭客運(yùn)專線鐵路隧道緩沖結(jié)構(gòu)的研究情況進(jìn)行介紹。

2 研究原理和數(shù)值計(jì)算簡(jiǎn)介

2.1 研究原理

高速列車(chē)進(jìn)出隧道形成的壓力波帶來(lái)乘客舒適度下降、隧道洞口噪聲污染、威脅隧道洞口建筑物安全等多種不利影響。壓縮波與微壓波形成機(jī)理見(jiàn)圖1。

圖1 壓縮波與微壓波形成機(jī)理

以往經(jīng)驗(yàn)表明，阻塞比(列車(chē)斷面與隧道斷面的比值)大于0.2，在列車(chē)提速到200 km/h后，出現(xiàn)了較明顯的空氣噪聲問(wèn)題。日本人小沢智的研究報(bào)告中對(duì)多種削減措施進(jìn)行了研究和測(cè)試。為減小微壓波，可以在隧道口修建緩沖段，緩沖結(jié)構(gòu)又分為無(wú)開(kāi)口全封閉緩沖結(jié)構(gòu)、有窗口的緩沖結(jié)構(gòu)、開(kāi)槽式緩沖結(jié)構(gòu)和喇叭型緩沖結(jié)構(gòu)。緩沖結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)是緩沖區(qū)長(zhǎng)度和緩沖棚橫截面積的大小。

2.2 數(shù)值計(jì)算方程

為了保證車(chē)-隧耦合氣動(dòng)效應(yīng)計(jì)算精度，課題研究中采用粘性流體計(jì)算，并將空氣視為理想氣體，求解納維-斯托克斯(Navier-Stokes)方程(以下簡(jiǎn)稱為N-S方程)，得到流場(chǎng)的數(shù)值解。

N-S方程包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程。

質(zhì)量守恒方程

動(dòng)量守恒方程

能量守恒方程

高速鐵路隧道空氣動(dòng)力效應(yīng)中雷諾數(shù)Re約為105，遠(yuǎn)大于4 000，處于湍流狀態(tài)，因此需要引入湍流模式與N-S方程耦合求解。湍流模式采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型，標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型由下面方程定義。

(1)湍流粘性系數(shù)

湍流粘性系數(shù)按下式定義

(2)運(yùn)輸方程

湍流動(dòng)能k和湍流耗散率ε可以從以下運(yùn)輸方程得到

3 設(shè)計(jì)典型工況及工程措施研究

3.1 等截面雙側(cè)開(kāi)口緩沖結(jié)構(gòu)研究

以往項(xiàng)目在隧道洞口修建斷面擴(kuò)大型緩沖結(jié)構(gòu)，由于隧道斷面擴(kuò)大對(duì)施工工藝要求高、施工難度大，在實(shí)際過(guò)程中，一些隧道洞口難于施作。因此有必要對(duì)斷面不擴(kuò)大型等截面隧道洞口緩沖結(jié)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行研究。

筆架山隧道全長(zhǎng)14 752 m，寶雞端洞口設(shè)置25.5 m明洞。針對(duì)筆架山隧道洞口工程條件，建立了3種工況模型對(duì)隧道緩沖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。

(1)工況Ⅰ

緩沖結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為24 m，開(kāi)口率=50.4%，雙側(cè)對(duì)稱開(kāi)口，見(jiàn)圖2。

圖2 緩沖結(jié)構(gòu)開(kāi)口布置(工況Ⅰ)示意(單位:m)

(2)工況Ⅱ

緩沖結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為23 m，開(kāi)口率=38.7%，雙側(cè)對(duì)稱開(kāi)口，見(jiàn)圖3。

圖3 緩沖結(jié)構(gòu)開(kāi)口布置(工況Ⅱ)示意(單位:m)

(3)工況Ⅲ

緩沖結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為21 m，開(kāi)口率=21.5%，雙側(cè)對(duì)稱開(kāi)口，見(jiàn)圖4。

圖4 緩沖結(jié)構(gòu)開(kāi)口布置(工況Ⅲ)示意(單位:m)

研究顯示，設(shè)置緩沖結(jié)構(gòu)以后，可以將微壓波降低30%以上，相比斷面擴(kuò)大型效果要差;緩沖結(jié)構(gòu)開(kāi)口率由25.8%～27.95%變化過(guò)程中，25.8%開(kāi)口方案的首波與二次波接近，屬于最優(yōu)方案，詳見(jiàn)表1、圖5。

表1 隧道內(nèi)首波壓力梯度對(duì)比(一)

圖5 斷面不擴(kuò)大型雙開(kāi)口緩沖結(jié)構(gòu)降低壓力梯度對(duì)比曲線(雙開(kāi)口，200 m處測(cè)點(diǎn))

3.2 等截面單側(cè)開(kāi)口緩沖結(jié)構(gòu)研究

麥積山隧道全長(zhǎng)13 932 m，蘭州端地形偏壓，洞口設(shè)置59 m明洞，設(shè)置緩沖結(jié)構(gòu)條件困難。針對(duì)麥積山隧道洞口工程條件，建立了工況模型對(duì)隧道緩沖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，麥積山隧道蘭州端洞口斷面見(jiàn)圖6。

根據(jù)洞口工程設(shè)置情況，選擇了2個(gè)開(kāi)口方案，開(kāi)口形式如下。

(1)工況Ⅰ(圖7)

圖6 麥積山隧道蘭州端洞口(單位:cm)

圖7 蘭州端洞門(mén)開(kāi)口形式(工況Ⅰ)示意(單位:m)

(2)工況Ⅱ(圖8)

圖8 蘭州端洞門(mén)開(kāi)口形式(工況Ⅱ)示意(單位:m)

研究表明，采用側(cè)面開(kāi)口設(shè)計(jì)方案，可以取得較好效果，可以將微壓波降低40%以上。詳見(jiàn)表2。

表2 隧道內(nèi)首波壓力梯度對(duì)比(二)

3.3 隧道洞口設(shè)置平導(dǎo)式緩沖結(jié)構(gòu)研究

在部分隧道洞口，地形高陡，橋隧相連，隧道洞口無(wú)設(shè)置明洞條件，在明洞段落設(shè)置緩沖結(jié)構(gòu)條件極差。基于此種工況，對(duì)隧道洞口設(shè)置平導(dǎo)+橫通道作為緩沖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，古城嶺隧道蘭州端洞口斷面見(jiàn)圖9。

圖9 古城嶺隧道蘭州端洞口(單位:cm)

對(duì)平導(dǎo)式緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)對(duì)以下設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了研究:橫通道與隧道所成角度影響、橫通道間距影響、橫通道個(gè)數(shù)影響等。平導(dǎo)及橫通道布置見(jiàn)圖10。

圖10 平導(dǎo)及橫通道布置形式(單位:m)

通過(guò)對(duì)設(shè)置橫通道緩解微壓波的效果分析，可以得出如下主要結(jié)論。

(1)隧道雙側(cè)設(shè)置橫通道工況

在隧道洞口附近設(shè)置橫通道，可以有效緩解隧道出口微壓波，設(shè)置4個(gè)橫通道可以將微壓波降低36%;

橫通道與隧道成90°角(垂直)時(shí)，緩解微壓波的效率略優(yōu)于橫通道與隧道成45°角的情況。

(2)隧道單側(cè)設(shè)置橫通道工況

相對(duì)于雙側(cè)設(shè)置橫通道，單側(cè)開(kāi)口的降低效率明顯降低;

設(shè)置5個(gè)橫通道以后，再繼續(xù)增加橫通道個(gè)數(shù)對(duì)降低效率提高不明顯;

將第一個(gè)橫通道的位置接近隧道洞口是有利的。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合寶蘭客運(yùn)專線鐵路隧道緩沖結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，針對(duì)復(fù)雜條件下隧道緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)置的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了研究和分析。

(1)寶蘭客運(yùn)專線鐵路隧道緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究涵蓋了350 km/h和250 km/h兩種速度標(biāo)準(zhǔn)，為高速鐵路緩沖結(jié)構(gòu)的設(shè)置提供了豐富的研究經(jīng)驗(yàn)。

(2)結(jié)合隧道復(fù)雜洞口環(huán)境特點(diǎn)，提出了隧道洞口段設(shè)置橫通道、單側(cè)開(kāi)口等新型緩沖結(jié)構(gòu)形式，解決了寶蘭客運(yùn)專線鐵路隧道洞口緩沖結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難題，擴(kuò)展了緩沖結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍。

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