變截面隧道與典型緩沖結(jié)構(gòu)氣動(dòng)效應(yīng)緩解效果對(duì)比分析

李文輝，劉堂紅，周苗苗，郭子健，夏玉濤

(1.中南大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙，410075；2.中南大學(xué)軌道交通安全關(guān)鍵技術(shù)國際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙，410075；3.中南大學(xué)軌道交通列車安全保障技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，湖南長(zhǎng)沙，410075)

當(dāng)列車高速進(jìn)入隧道時(shí)，由于空間受到隧道洞壁和車身的限制，所誘發(fā)的馬赫波在洞內(nèi)不斷傳播、疊加而形成復(fù)雜波系[1]。這種空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)將誘發(fā)一系列問題，如：司乘人員耳膜不適引起乘車舒適性體驗(yàn)變差[2]；長(zhǎng)期交變壓力載荷導(dǎo)致車輛、隧道產(chǎn)生疲勞破壞[3-4]；隧道內(nèi)列車風(fēng)、阻力、隧道內(nèi)熱量積聚和溫升等[5]。上述隧道氣動(dòng)效應(yīng)是影響新建高鐵隧道或既有線提速改造的瓶頸問題之一，因此，亟待尋求新型措施以便有效緩解隧道氣動(dòng)效應(yīng)。減緩隧道氣動(dòng)效應(yīng)問題的工程措施主要包括車體優(yōu)化和隧道改造2 個(gè)方面[6]。前者包括提高列車密封性及增強(qiáng)車頭流線化設(shè)計(jì)，如周細(xì)賽等[7]對(duì)不同主型線頭部列車隧道交會(huì)氣動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)單拱型列車隧道交會(huì)氣動(dòng)性能比雙拱型的列車隧道交會(huì)氣動(dòng)性能略優(yōu)。KU等[8]以減小隧道微氣壓波為目標(biāo)，通過數(shù)值仿真和優(yōu)化算法對(duì)高速列車頭部形狀進(jìn)行了優(yōu)化。潘美風(fēng)[9]以CRH380 型高速動(dòng)車組氣密性為例，提出了等效泄漏面積頂層指標(biāo)的金字塔分解方法。隧道改造方面則包含增設(shè)洞口緩沖結(jié)構(gòu)、洞內(nèi)輔助設(shè)施等。如閆亞光等[10]比較了10 種緩沖結(jié)構(gòu)對(duì)初始?jí)嚎s波峰值和最大壓力梯度的減緩效果，發(fā)現(xiàn)緩沖結(jié)構(gòu)減緩初始?jí)嚎s波峰值并不明顯，長(zhǎng)度為20 m、開2 個(gè)孔的緩沖結(jié)構(gòu)的減緩效果最佳。HOWE 等[11]基于聲學(xué)理論分析了多開口緩沖結(jié)構(gòu)對(duì)隧道氣動(dòng)效應(yīng)的緩解效果，并對(duì)其布置位置、尺寸等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。王英學(xué)等[12]采用三維數(shù)值研究了橫通道設(shè)置對(duì)壓力波傳播特性的影響，對(duì)不同位置設(shè)置橫通道緩解微氣壓波的效果進(jìn)行了比較。列車流線型優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)減緩隧道氣動(dòng)效應(yīng)程度十分有限，而提高列車氣密性標(biāo)準(zhǔn)將大幅增加運(yùn)營(yíng)成本，故在保證列車運(yùn)能和運(yùn)營(yíng)成本不變的情況下，最為經(jīng)濟(jì)、有效的工程措施是采用洞口緩沖結(jié)構(gòu)[13]。緩沖結(jié)構(gòu)可以從源頭上減小列車突入隧道時(shí)形成的馬赫波的強(qiáng)度與梯度，但緩沖結(jié)構(gòu)受隧道口地形等條件的限制(如橋隧相連等地形不適宜或無空間修緩沖結(jié)構(gòu))。另外，受隧道外環(huán)境條件的限制，緩沖結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度等參數(shù)必須控制在一定范圍內(nèi)，因而，對(duì)隧道氣動(dòng)效應(yīng)特別是隧道內(nèi)壓力變化的緩解效果有限[10]。

從以上分析可知，國內(nèi)外對(duì)隧道氣動(dòng)效應(yīng)的研究大部分是針對(duì)等截面隧道，而針對(duì)隧道截面變化時(shí)氣動(dòng)效應(yīng)問題的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：在隧道增設(shè)緩沖結(jié)構(gòu)[14-15]、橫洞或豎井等輔助設(shè)施[16-17]；隧道內(nèi)有分支；隧道內(nèi)有開口或隔墻[18]；病害防治增設(shè)襯套[19]；地鐵隧道遇到站臺(tái)等引起截面變化[20]。列車通過隧道斷面突變結(jié)構(gòu)形成環(huán)狀空間內(nèi)部，流體的流動(dòng)形態(tài)和壓力波的傳播更加復(fù)雜[21]。劉峰等[22]采用三維、可壓縮、非定常求解N-S方程的數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)8車編組的高速列車以300 km/h 時(shí)速通過帶有襯套的隧道內(nèi)瞬變壓力進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)加裝襯套對(duì)于隧道氣動(dòng)效應(yīng)影響較小，最大壓力幅值差異在2%以內(nèi)，因此，在隧道病害防治中可采納襯套技術(shù)。程愛君等[19]對(duì)動(dòng)車組以300 km/h 和350 km/h 速度通過長(zhǎng)度為800 m、中間斷面由100 m2減為93 m2的變截面隧道的工況進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)瞬變壓力和洞口微氣壓波能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。LIU等[23]采用實(shí)車試驗(yàn)、數(shù)值模擬、動(dòng)模型試驗(yàn)等，對(duì)8車編組的高速列車以不同速度通過不同位置帶有襯套結(jié)構(gòu)的隧道時(shí)洞口微氣壓波進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)襯套改變了隧道斷面積，對(duì)洞口微氣壓波有較大影響。

綜上可知，國內(nèi)外對(duì)隧道氣動(dòng)效應(yīng)減緩措施研究多集中于等截面隧道，而變截面隧道的已有研究主要是針對(duì)隧道病害防治、隧道施工通風(fēng)等被動(dòng)改變隧道截面的情況，其初衷并非專門減緩氣動(dòng)效應(yīng)。為此，本文設(shè)計(jì)一種保持隧道出入口斷面積不變而在內(nèi)部采用較小斷面的隧道形式，并將其與典型緩沖結(jié)構(gòu)對(duì)隧道氣動(dòng)效應(yīng)的緩解效果進(jìn)行對(duì)比研究，以期為橋隧相連、地形復(fù)雜等無法外置緩沖結(jié)構(gòu)的環(huán)境提供新型隧道形式的設(shè)計(jì)思路，從而達(dá)到緩解隧道氣動(dòng)效應(yīng)和降低線路工程造價(jià)的目的。

1 數(shù)學(xué)模型

列車以時(shí)速U=350 km/h 高速進(jìn)出隧道，由于洞內(nèi)空氣受到壁面限制和列車車頭擠壓，盡管馬赫數(shù)略小于0.3，仍需將洞內(nèi)氣流視為三維可壓縮流動(dòng)[24]，同樣遵循質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律，因此，整個(gè)流場(chǎng)采用三維、可壓縮、非定常雷諾時(shí)均方程(URANS)和工程上應(yīng)用廣泛的RNGk-ε雙方程湍流模型求解[25]。采用流體計(jì)算軟件ANSYS FLUENT 19.2對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行模擬計(jì)算，時(shí)間步長(zhǎng)取0.005 s，采用SIMPLE算法求解速度壓力耦合方程，對(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)則采用二階迎風(fēng)格式離散，時(shí)間項(xiàng)采用二階隱式。流體控制方程及湍流模型見文獻(xiàn)[26]。

2 數(shù)值方法

2.1 計(jì)算模型

變截面隧道設(shè)計(jì)思想為：進(jìn)出口兩端保持較大斷面，中間段主隧道采用較小斷面，見圖1(a)。擴(kuò)大段的凈空有效斷面保持我國既有高速鐵路最大斷面S1=100 m2不變，擴(kuò)大段延伸長(zhǎng)度L1=100 m；中間段主隧道根據(jù)我國200 km/h 速度等級(jí)客貨共線雙線隧道斷面標(biāo)準(zhǔn)，采用較小截面S2=80 m2，隧道總長(zhǎng)度Ltu=1 000 m。動(dòng)車組模型采用8 車編組CRH380A 即頭車、六節(jié)中間車與尾車的常規(guī)編組，忽略受電弓、道砟和軌道并合理簡(jiǎn)化底部轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，如圖1(b)所示。其具體幾何參數(shù)為：車寬W=3.38 m，車高H=3.7 m，總長(zhǎng)度Ltr=203 m，平直段橫截面積Str=11.2 m2。線間距為5.0 m，輪對(duì)最低點(diǎn)離地間隙0.2 m，車速U=350 km/h。模型采用大地參考坐標(biāo)系，原點(diǎn)位于隧道入口處，其中x軸沿隧道縱向，y軸和z軸分別代表橫向和垂向。

圖1 隧道及列車模型Fig.1 Models of tunnel and train

為減小列車/隧道耦合空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，工程設(shè)計(jì)人員經(jīng)常采用洞門緩沖結(jié)構(gòu)(如棚洞、明洞)，其凈空斷面積大于隧道凈空有效面積。本文基于Ltu=1 000 m的80 m2等截面隧道，分別在隧道入口設(shè)置斷面擴(kuò)大型、斷面擴(kuò)大開孔型共2種典型緩沖結(jié)構(gòu)，緩沖結(jié)構(gòu)斷面積為隧道斷面積的2 倍即160 m2，緩沖結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為20 m[4]，開孔型緩沖結(jié)構(gòu)在頂部開了2個(gè)大小一致(長(zhǎng)×寬均為4 m×3 m)的泄壓孔(開孔率為0.3)，將這2種緩沖結(jié)構(gòu)與上述變截面隧道氣動(dòng)效應(yīng)緩解效果進(jìn)行對(duì)比分析。圖2所示為2種緩沖結(jié)構(gòu)的三維模型示意圖。

圖2 隧道緩沖結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Models of tunnel hoods

2.2 計(jì)算域、網(wǎng)格及邊界條件

采用滑移網(wǎng)格法模擬列車與隧道之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)[21]。如圖3所示，采用2個(gè)相同的長(zhǎng)×寬×高為500 m×120 m×60 m 的立方體模擬隧道外域。列車放置于運(yùn)行方向的左側(cè)軌道，初始位置距隧道入口50 m。為保證列車突入隧道流場(chǎng)的穩(wěn)定性，列車鼻尖在隧道外運(yùn)行時(shí)間為t0=0.51 s。將整個(gè)計(jì)算區(qū)域劃分為滑移區(qū)域和固定區(qū)域，滑移區(qū)域包裹著整個(gè)列車以車速運(yùn)動(dòng)。在固定區(qū)域中，隧道表面和地面均設(shè)置為無滑移壁面，其余均設(shè)置為壓力出口。滑動(dòng)區(qū)與固定區(qū)的接觸面設(shè)置為交界面以交換運(yùn)動(dòng)過程中二者的流場(chǎng)信息。

圖3 數(shù)值模擬計(jì)算域Fig.3 Computational domain

由于列車模型包含流線型曲面及轉(zhuǎn)向架等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，因此，選擇混合網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行離散。y=2.5 m 時(shí)計(jì)算域的切片網(wǎng)格分布如圖4 所示，其中，列車的滑移區(qū)域采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行離散，剩余滑移區(qū)域采用棱柱網(wǎng)格離散，固定區(qū)域則以六面體網(wǎng)格離散。整個(gè)計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格單元總數(shù)約為3 900萬個(gè)。明線運(yùn)行的前10步計(jì)算設(shè)定為不可壓縮流動(dòng)，之后改變空氣屬性為可壓縮流動(dòng)，列車在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)間約為t=t0+(Ltu+Ltr)/U=13 s，由于網(wǎng)格數(shù)量較大，采取并行計(jì)算，計(jì)算數(shù)據(jù)通過FLUENT用戶自定義函數(shù)(UDF)輸出，所有計(jì)算都在國家超級(jí)計(jì)算中心(NSCCWX)完成。

圖4 計(jì)算域切片網(wǎng)格分布Fig.4 Plane mesh distribution of the domain

2.3 測(cè)點(diǎn)布置

由于列車運(yùn)行在左側(cè)軌道，洞壁左側(cè)更靠近列車車體，瞬變壓力變化比右側(cè)壓力變化更加劇烈[21]，因此，本文隧道壓力測(cè)點(diǎn)均布置在距離地面4.2 m處的左側(cè)洞壁，共13個(gè)，如圖5所示，以全面研究列車通過變截面隧道洞壁壓力時(shí)空分布情況。

圖5 隧道洞壁壓力測(cè)點(diǎn)分布Fig.5 Distribution of monitoring points on tunnel wall

3 算法驗(yàn)證

在中南大學(xué)軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的動(dòng)模型試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行單車試驗(yàn)驗(yàn)證，如圖6所示。選擇縮尺比為1∶20 的3 車編組CRH380A，即流線型頭車+中間車+流線型尾車的組合。變截面隧道總長(zhǎng)度為40 m，以模擬總長(zhǎng)為800 m的全尺寸隧道，其中中間段的主隧道有效凈空面積為70 m2，長(zhǎng)為400 m，然后，在兩端各設(shè)置長(zhǎng)為200 m、有效凈空面積為100 m2雙線隧道。隧道入口為直墻式無緩沖結(jié)構(gòu)，設(shè)定車速為300 km/h。在試驗(yàn)前，進(jìn)行嚴(yán)格的隧道氣密性測(cè)試，保證隧道段內(nèi)密封不漏氣。

圖6 列車通過變截面隧道動(dòng)模型試驗(yàn)Fig.6 Moving model test of train passing through tunnel with variable cross-section

基于前面所確定的計(jì)算條件對(duì)試驗(yàn)工況進(jìn)行模擬，圖7所示為動(dòng)模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算隧道洞壁中部x=400 m 處測(cè)點(diǎn)和中間車側(cè)窗測(cè)點(diǎn)的壓力-時(shí)程曲線對(duì)比結(jié)果。從圖7可以看出：在動(dòng)車組通過變截面隧道過程中，對(duì)于車體表面和隧道表面壓力變化趨勢(shì)與其峰值特征，仿真計(jì)算結(jié)果和動(dòng)模型試驗(yàn)結(jié)果都較吻合，數(shù)值計(jì)算和動(dòng)模型試驗(yàn)所得到的壓力波動(dòng)曲線基本重合，壓力開始變化和達(dá)到峰值的時(shí)間基本接近，變化規(guī)律一致，壓力峰峰值最大相對(duì)誤差不超過4.2%，從而驗(yàn)證了本數(shù)值模擬計(jì)算方法的準(zhǔn)確性和有效性。

圖7 數(shù)值計(jì)算和動(dòng)模型試驗(yàn)時(shí)程壓力對(duì)比Fig.7 Comparisons of time-pressure histories between numerical simulation and moving model test

4 結(jié)果分析

4.1 隧道洞壁壓力

圖8所示為變截面隧道、等截面隧道與不同緩沖結(jié)構(gòu)隧道在隧道中部x=400 m(測(cè)點(diǎn)6)處初始?jí)嚎s波形和對(duì)應(yīng)壓力梯度變化曲線，表1所示為該測(cè)點(diǎn)初始?jí)嚎s波與壓力梯度的峰值。在隧道口增設(shè)一定長(zhǎng)度的緩沖結(jié)構(gòu)，洞壁初始?jí)毫﹂_始上升時(shí)間要比等截面隧道和變截面隧道的上升時(shí)間早，上升過程也變得更加平緩；初始?jí)嚎s波峰值并無太大差異，等截面隧道的初始?jí)嚎s波峰值最大，變截面隧道的初始?jí)嚎s波峰值最小，設(shè)有緩沖結(jié)構(gòu)隧道的初始?jí)嚎s波峰值則介于二者之間，其中開孔型最大初始?jí)毫Ρ炔婚_孔型最大初始?jí)毫π?3 Pa，變截面隧道的初始?jí)毫Ψ逯当葦嗝鏀U(kuò)大型、斷面擴(kuò)大開孔型緩沖結(jié)構(gòu)、等截面隧道的初始?jí)毫Ψ逯捣謩e小1.6%，2.1%和5.0%。由于列車穿越緩沖結(jié)構(gòu)和變截面隧道，相當(dāng)于存在二次進(jìn)洞過程，延長(zhǎng)了初始?jí)嚎s波上升的時(shí)間，所以，最大壓力梯度比等截面隧道的小，但由于緩沖結(jié)構(gòu)斷面積比變截面隧道入口擴(kuò)大段的斷面積大得多，因此，壓力梯度也相應(yīng)較小，變截面隧道最大壓力梯度比斷面擴(kuò)大型、斷面擴(kuò)大開孔型緩沖結(jié)構(gòu)分別增大7.3%和21.0%，而比等截面隧道減小25.0%，因此，可以推斷緩沖結(jié)構(gòu)對(duì)于洞口微氣壓波的緩解效果要比變截面隧道更好。

圖8 x=400 m處初始?jí)嚎s波和對(duì)應(yīng)壓力梯度Fig.8 Initial compression waves and corresponding pressure gradients at x=400 m

表1 x=400 m處初始?jí)嚎s波峰值與最大壓力梯度Table 1 Peak values of the initial compression waves and the corresponding pressure gradients at x=400 m

圖9所示為不同隧道配置下洞壁測(cè)點(diǎn)沿隧道長(zhǎng)度方向的壓力幅值分布。變截面隧道洞壁壓力變化幅值整體上比斷面擴(kuò)大型、斷面擴(kuò)大開孔型這2種典型緩沖結(jié)構(gòu)的壓力變化幅值小，也比80 m2等截面隧道的壓力變化幅值小。設(shè)置洞口緩沖結(jié)構(gòu)的主要目的是延長(zhǎng)初始?jí)毫ι仙臅r(shí)間從而緩解隧道洞口微氣壓波，因此，對(duì)于隧道壁面壓力的緩解效果有限。與80 m2等截面隧道相比，斷面擴(kuò)大型緩沖結(jié)構(gòu)隧道、斷面擴(kuò)大開孔型緩沖結(jié)構(gòu)隧道、變截面隧道均在一定程度上減緩了隧道洞壁正、負(fù)壓峰值和壓力峰峰值，洞壁x=400 m處測(cè)點(diǎn)壓力變化峰峰值分別減小152，177 和582 Pa，減幅分別達(dá)2.0%，2.3%和7.6%。變截面隧道對(duì)隧道洞壁面壓力的緩解效果比典型緩沖結(jié)構(gòu)的緩解效果好，增設(shè)緩沖結(jié)構(gòu)對(duì)于減緩隧道內(nèi)瞬變壓力的效果則不顯著。

圖9 不同隧道配置下隧道洞壁壓力變化幅值Fig.9 Pressure amplitude on tunnel surface under different tunnel configurations

4.2 車體表面壓力

圖10 所示為不同隧道配置下車體表面測(cè)點(diǎn)沿車身方向的壓力幅值分布。從圖10 可見：變截面隧道車體表面壓力正峰值、負(fù)峰值、峰峰值曲線均比斷面擴(kuò)大型、斷面擴(kuò)大開孔型這2種典型緩沖結(jié)構(gòu)的低，也比80 m2等截面隧道的低，而緩沖結(jié)構(gòu)的開孔對(duì)壓力變化的影響很小。圖11 所示為不同隧道配置下頭尾車車體表面測(cè)點(diǎn)壓力時(shí)程曲線。從圖11 可見：設(shè)有緩沖結(jié)構(gòu)隧道與等截面、變截面隧道相比，在標(biāo)記1 處車體表面壓力上升時(shí)間早，因此，壓力上升過程較平緩。由于緩沖結(jié)構(gòu)相當(dāng)于額外延長(zhǎng)了隧道長(zhǎng)度，車尾進(jìn)入緩沖結(jié)構(gòu)的時(shí)間比車尾進(jìn)入等截面、變截面隧道的時(shí)間早，所產(chǎn)生的初始膨脹波提前向洞內(nèi)傳播，導(dǎo)致標(biāo)記2處緩沖結(jié)構(gòu)隧道壓力提前下降，從而減小了壓力正峰值。變截面隧道由于擴(kuò)大段的作用，從車頭進(jìn)隧道時(shí)削弱了初始?jí)嚎s波和1～3 s 時(shí)的摩擦效應(yīng)強(qiáng)度。與80 m2等截面隧道相比，斷面擴(kuò)大型緩沖結(jié)構(gòu)隧道、斷面擴(kuò)大開孔型緩沖結(jié)構(gòu)隧道和變截面隧道對(duì)于頭車鼻尖處測(cè)點(diǎn)壓力峰峰值分別減小177，204 和516 Pa，減幅分別為3.2%，3.7%和9.3%，可見變截面隧道對(duì)車體表面壓力緩解效果比典型洞口緩沖結(jié)構(gòu)的緩解效果好。

圖10 不同隧道配置下車體表面壓力變化幅值Fig.10 Pressure amplitude on train surface under different tunnel configurations

圖11 不同隧道配置下車體表面壓力時(shí)程曲線Fig.11 Time-pressure histories of monitoring points on train surface under different tunnel configurations

4.3 洞口微氣壓波

高速列車車頭突入隧道所形成的初始?jí)嚎s波以音速向前傳播，小部分以脈沖壓力波形式在隧道出口向外輻射，并伴有爆鳴聲，簡(jiǎn)稱微氣壓波。該現(xiàn)象將對(duì)隧道出口附近環(huán)境構(gòu)成不良影響，亟待防治[27]。據(jù)文獻(xiàn)[28]可知，不同隧道結(jié)構(gòu)洞口微氣壓波波峰基本上與方向無關(guān)，近似以球狀向外輻射，因此，測(cè)點(diǎn)布置選取隧道中心線，距離軌面高度為1 m，距離隧道出口分別為20，30，40和50 m。圖12 所示為不同隧道配置下洞口微氣壓波時(shí)程曲線，表2所示為不同隧道配置下洞口微氣壓波峰值隨出口距離的變化。從圖12 和表2 可以看出：斷面擴(kuò)大型、斷面擴(kuò)大開孔型這2種典型緩沖結(jié)構(gòu)洞口微氣壓波比變截面隧道的小，因?yàn)樽兘孛嫠淼罃U(kuò)大段的隧道凈空斷面(100 m2)比典型緩沖結(jié)構(gòu)凈空面積(160 m2)小得多，而微氣壓波主要是流線型車頭突入隧道時(shí)產(chǎn)生的壓力首波造成的。隧道入口處凈空斷面積越大，初始?jí)嚎s波壓力梯度越小，輻射的微氣壓波也越小，因此，在變截面隧道擴(kuò)大段斷面有限的情況下，對(duì)洞口微氣壓波的緩解有限，設(shè)計(jì)變截面隧道的初衷主要是為了緩解隧道內(nèi)的氣動(dòng)效應(yīng)，若大幅減緩洞口微氣壓波，則還需采用洞口緩沖結(jié)構(gòu)或者采用擴(kuò)大段更大斷面的變截面隧道。與相同配置的等截面隧道相比，變截面隧道對(duì)于洞口微氣壓的減緩效果仍較明顯，距離出口20 m 處，微氣壓波峰值最大減小25%。若變截面隧道洞口微氣壓波峰值不滿足要求，則推薦變截面隧道與洞口緩沖結(jié)構(gòu)一起配套使用，這可進(jìn)一步減小隧道洞口微氣壓波。

圖12 不同隧道配置下洞口微氣壓波時(shí)程曲線Fig.12 Time histories of micro-pressure waves under different tunnel configurations

表2 不同隧道配置下洞口微氣壓波峰值隨距離的分布Table 2 Peaks of micro-pressure wave at the tunnel exit under different tunnel configurations Pa

5 結(jié)論

1)在相同工況下，變截面隧道動(dòng)模型試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果較吻合，壓力峰峰值最大誤差僅為4.2%，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算方法的可靠性。

2)變截面隧道與增設(shè)緩沖結(jié)構(gòu)的等截面隧道相比，其對(duì)車體表面、隧道洞壁壓力的緩解效果比典型洞口緩沖結(jié)構(gòu)的緩解效果好，而對(duì)微氣壓波的緩解效果比典型緩沖結(jié)構(gòu)的差。

3)斷面擴(kuò)大型緩沖結(jié)構(gòu)隧道、斷面擴(kuò)大開孔型緩沖結(jié)構(gòu)隧道、變截面隧道與等截面隧道相比，隧道洞壁最大壓力峰峰值分別減小2.0%，2.3%和7.6%，車體表面最大壓力峰峰值分別減小3.2%，3.7%和9.3%。增設(shè)緩沖結(jié)構(gòu)對(duì)于減緩洞內(nèi)壓力效果不顯著。

4)若變截面隧道洞口微氣壓波峰值不滿足要求，則可推薦變截面隧道與洞口緩沖結(jié)構(gòu)一起配套使用，或者僅采用兩端更大斷面的變截面隧道，這2種方法均可進(jìn)一步緩解隧道洞口微氣壓波。