400 km/h高鐵隧道組合型式緩沖結(jié)構(gòu)泄壓孔優(yōu)化

楊偉超 ，李國(guó)志，何洪，劉義康，鄧鍔，羅祿森

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075；2.高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410075；3.香港理工大學(xué) 土木與環(huán)境工程系，香港 九龍 999077；4.中鐵二院工程集團(tuán)責(zé)任有限公司，四川 成都 610031)

隧道洞口的微氣壓波嚴(yán)重影響附近居民生活質(zhì)量，甚至導(dǎo)致洞口周圍建筑振動(dòng)，損壞洞口附近建筑結(jié)構(gòu)[1-2]。目前，我國(guó)已有多條在建或建成高速鐵路設(shè)計(jì)時(shí)速達(dá)到400 km。隨著列車速度的提高，微氣壓波產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)愈發(fā)嚴(yán)重[3]。相關(guān)研究及工程實(shí)踐證明[4]，單一型式緩沖結(jié)構(gòu)的緩沖效果有限，等截面擴(kuò)大+斜切+泄壓孔的組合型式緩沖結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的緩沖性能。此前，劉堂紅等[5-8]通過(guò)采用理論計(jì)算、數(shù)值模擬和動(dòng)模型試驗(yàn)等手段，對(duì)不同緩沖結(jié)構(gòu)型式展開(kāi)研究，例如斷面擴(kuò)大無(wú)開(kāi)口型和線性喇叭型緩沖結(jié)構(gòu)、隧道洞門(mén)傾斜入口和帽檐斜切式洞門(mén)，研究表明緩沖結(jié)構(gòu)型式對(duì)緩解效果有著顯著的影響。同時(shí)，有部分學(xué)者針對(duì)緩沖結(jié)構(gòu)的泄壓孔也做了相關(guān)研究。例如，WANG 等[9]采用理論計(jì)算方法分析了泄壓孔數(shù)量、尺寸和位置分布等因素對(duì)微氣壓波的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)泄壓孔面積對(duì)微氣壓波的影響效果最顯著。TOKUZO 等[10]基于動(dòng)模型試驗(yàn)和理論公式，以隧道內(nèi)壓力梯度峰值為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)緩沖結(jié)構(gòu)的泄壓孔進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)壓力梯度峰值與開(kāi)孔面積呈線性關(guān)系。但以上學(xué)者僅針對(duì)單一型式的緩沖結(jié)構(gòu)展開(kāi)研究，且列車時(shí)速絕大多數(shù)為350 km 以下，在面對(duì)車速為400 km/h 時(shí)產(chǎn)生的微氣壓波，單一型式的緩沖結(jié)構(gòu)難以滿足規(guī)范要求[11]。一些學(xué)者注意到該問(wèn)題并針對(duì)緩沖結(jié)構(gòu)做了初步優(yōu)化，提出了一些新型緩沖結(jié)構(gòu)。例如，KIM等[12]基于動(dòng)模型試驗(yàn)和生物仿真，提出類似于鯊魚(yú)鰓的緩沖結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)采用新型緩沖結(jié)構(gòu)時(shí)，隧道內(nèi)初始?jí)嚎s波和微氣壓波的峰值分別降低了56.3%和78.7%。ZHANG 等[13]通過(guò)1︰20 動(dòng)模型試驗(yàn)，分析不同緩沖結(jié)構(gòu)條件下隧道內(nèi)瞬變壓力和微氣壓波的變化特性，發(fā)現(xiàn)帽檐斜切式與泄壓孔相結(jié)合的緩沖結(jié)構(gòu)型式對(duì)微氣壓波的緩解效果最好。王英學(xué)等[14]通過(guò)數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)合的方法，對(duì)比了采用間縫式開(kāi)口和頂部開(kāi)口緩沖結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)間縫式緩沖結(jié)構(gòu)緩解微氣壓波的效率及經(jīng)濟(jì)性更好。盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)各種型式的緩沖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了積極的探索，但對(duì)等截面擴(kuò)大+斜切+泄壓孔的組合型式緩沖結(jié)構(gòu)研究相對(duì)較少。考慮到列車編組、列車速度、地形地勢(shì)、周圍環(huán)境等因素的影響，不同場(chǎng)景下微氣壓波的實(shí)際控制標(biāo)準(zhǔn)不盡相同。為了使等截面擴(kuò)大+斜切+泄壓孔的組合型式緩沖結(jié)構(gòu)滿足更多實(shí)際場(chǎng)景的要求，有必要針對(duì)其幾何參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。本研究基于FLUENT軟件的RNGk-ε雙方程湍流模型，建立隧道-列車-空氣氣動(dòng)仿真計(jì)算模型，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證數(shù)值模擬的正確性，從組合型式緩沖結(jié)構(gòu)的泄壓孔邊緣到帽檐距離、開(kāi)孔率、開(kāi)孔數(shù)量及環(huán)向開(kāi)孔位置4個(gè)方面展開(kāi)研究，分析隧道內(nèi)的初始?jí)嚎s波和隧道洞口的微氣壓波，并提出等截面擴(kuò)大+帽檐斜切+泄壓孔的組合型式緩沖結(jié)構(gòu)的最佳優(yōu)化參數(shù)，為后續(xù)相關(guān)研究提供方向。

1 模型概述

1.1 幾何模型

以設(shè)計(jì)時(shí)速為400 km 的雙線隧道為研究對(duì)象，建立隧道-列車-空氣氣動(dòng)仿真計(jì)算模型，如圖1所示。隧道如圖1(a)所示，其斷面面積為100 m2，長(zhǎng)度為1 000 m。列車采用2 編組，全長(zhǎng)51.42 m，車頭長(zhǎng)6.12 m，外形光滑，建模時(shí)保持其基本流線特征。緩沖結(jié)構(gòu)的斷面面積為Sh=180 cm2，長(zhǎng)度為60 m，寬度為18.5 m，厚度為0.5 m，其中帽檐斜切段長(zhǎng)度為20 m，坡度i=1︰1.75，等截面擴(kuò)大段長(zhǎng)度為40 m。泄壓孔間距取4 m[15-16]，寬度為4 m，泄壓孔個(gè)數(shù)、長(zhǎng)度和位置隨工況的不同而變化。圖1(a)給出了數(shù)值模型測(cè)點(diǎn)布置方案。由于初始?jí)嚎s波在隧道內(nèi)的傳播規(guī)律具有一維特性[17]，故本文在距離隧道入口50，100，300，500 和950 m 的拱頂處分別設(shè)置5 個(gè)測(cè)點(diǎn)1 號(hào)～5 號(hào)，以監(jiān)測(cè)隧道內(nèi)瞬變壓力的變化；高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)隧道出口20 m 和50 m 處微氣壓波峰值做了相關(guān)規(guī)定[11]，故在距離隧道出口20 m 和50 m，距軌頂面1.5 m 處，分別設(shè)置2 個(gè)測(cè)點(diǎn)6 號(hào)和7 號(hào)，以監(jiān)測(cè)微氣壓波的變化。

圖1 幾何模型Fig.1 Geometric model

如圖1(b)所示，數(shù)值模擬采用1︰1 全尺模型，隧道兩端的大氣采用長(zhǎng)方體進(jìn)行模擬。入口端長(zhǎng)方體的長(zhǎng)寬高分別為250，200和100 m，出口端長(zhǎng)方體的長(zhǎng)寬高分別為210，200和100 m。模型主要邊界條件有3 種類型：Pressure-inlet 邊界條件被用于隧道入口端的大氣域的兩側(cè)、頂部及后端；Pressure-far-field 邊界條件被用于隧道出口端大氣域的兩端、頂部及后端；隧道壁面、緩沖結(jié)構(gòu)壁面、地面及隧道兩端大氣域靠近山體的壁面則采用No-slip wall，緩沖結(jié)構(gòu)壁面粗糙度Ks=0.005 m，粗糙長(zhǎng)度Cs=0.08。初始條件下設(shè)置車頭鼻尖離隧道入口的距離為130 m，使列車在大氣中運(yùn)行1 s左右，保證列車周圍流場(chǎng)穩(wěn)定。

1.2 網(wǎng)格策略及求解設(shè)置

采用滑移網(wǎng)格技術(shù)結(jié)合RNGk-ε雙方程湍流模型[18-19]，通過(guò)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格結(jié)合的技術(shù)對(duì)計(jì)算域進(jìn)行劃分，如圖2所示。整體網(wǎng)格區(qū)域被劃分為靜網(wǎng)格(A)和動(dòng)網(wǎng)格(B)這2 個(gè)部分，各區(qū)域之間通過(guò)Interface 實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)信息交換，如圖2(b)所示。其中，靜網(wǎng)格(A)又進(jìn)一步被劃分成大氣區(qū)域(A1)和緩沖結(jié)構(gòu)區(qū)域(A2)這2 個(gè)部分，大氣區(qū)域(A1)為隧道兩端和隧道內(nèi)空氣部分，采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，緩沖結(jié)構(gòu)區(qū)域(A2)為包含緩沖結(jié)構(gòu)的一個(gè)長(zhǎng)方體區(qū)域，采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。動(dòng)網(wǎng)格(B)為包含列車附近區(qū)域(B1)和前、后端(B2，B3)鋪層區(qū)域，均采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。車體表面網(wǎng)格尺寸為0.1 m，在列車表面設(shè)置8 層附面層，附面層的初始厚度為1 mm，對(duì)應(yīng)的y+≈30[20]，附面層網(wǎng)格按1.1 的比率向外擴(kuò)展。前、后鋪層區(qū)域(B2，B3)的縱向網(wǎng)格尺寸為1 m。

圖2 模型網(wǎng)格示意圖Fig.2 Model grid diagram

為驗(yàn)證本文模型網(wǎng)格獨(dú)立性，通過(guò)調(diào)整模型核心加密區(qū)，建立粗(800 萬(wàn))、中(1 500 萬(wàn))和細(xì)(2 500 萬(wàn))3 種不同網(wǎng)格數(shù)量的模型，均采用相同的模型工況和計(jì)算設(shè)置。圖3 為測(cè)點(diǎn)2 號(hào)的初始?jí)嚎s波時(shí)程曲線對(duì)比，由圖可知1 500 萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格單元模型的計(jì)算結(jié)果和2 500 萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格單元模型的計(jì)算結(jié)果比較吻合，而800萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格單元模型的計(jì)算結(jié)果差異較大。為平衡計(jì)算精度和計(jì)算效率，采用1 500萬(wàn)網(wǎng)格模型，最小網(wǎng)格質(zhì)量為0.2，集中于帽檐斜切段的狹縫處，但數(shù)量小于整體網(wǎng)格數(shù)的0.002%。FLUENT 軟件以網(wǎng)格正交質(zhì)量為檢查標(biāo)準(zhǔn)，通常在前處理中保持正交質(zhì)量在0.15 以上，方可滿足求解器的要求，故本網(wǎng)格模型滿足FLUENT 的計(jì)算要求。基于FLUENT 軟件，對(duì)隧道內(nèi)流場(chǎng)采用Pressure-based 求解器進(jìn)行求解，控制方程的離散方式為有限體積法(FNM)，采用半隱式算法(SIMPPLE)對(duì)壓力與速度耦合方程進(jìn)行求解[21]，采用2 階迎風(fēng)格式(Second Order Upwind)對(duì)時(shí)間積分和動(dòng)量方程進(jìn)行求解。物理時(shí)間步長(zhǎng)均設(shè)置為10-3s[22]，殘差的最小收斂值為10-4[23]，每個(gè)時(shí)間步的迭代次數(shù)為30次。

圖3 不同網(wǎng)格數(shù)量條件下初始?jí)嚎s波對(duì)比Fig.3 Pressure curves of initial compression wave under different grid numbers

1.3 工況方案及研究思路

圖4 給出了本研究的工況擬定方案及研究思路。相關(guān)研究及工程實(shí)踐表明[24]，一般首個(gè)開(kāi)孔到緩沖結(jié)構(gòu)邊緣的距離為30 m 以下，本研究分別選取了4，8，16 和24 m 進(jìn)行研究，確定首個(gè)開(kāi)孔到帽檐的最優(yōu)距離。基于首個(gè)開(kāi)孔到帽檐的最優(yōu)距離，對(duì)開(kāi)孔率α展開(kāi)研究(α=Sk/St，式中Sk和St分別為開(kāi)孔面積和隧道斷面面積)[10,24]，對(duì)比開(kāi)孔率α(24%，32%，40%和48%)的泄壓效果，確定最優(yōu)開(kāi)孔率。再基于首個(gè)開(kāi)孔到帽檐的最優(yōu)距離和最優(yōu)開(kāi)孔率，對(duì)比不同開(kāi)孔數(shù)量(2 個(gè)、4 個(gè)和8 個(gè))的泄壓效果，確定最優(yōu)開(kāi)孔數(shù)量。然后基于上述最優(yōu)工況，分析不同環(huán)向位置(拱頂、拱腰單側(cè)和拱腰雙側(cè))的泄壓效果，最后提出等截面擴(kuò)大+帽檐斜切+泄壓孔的組合型式緩沖結(jié)構(gòu)的最佳優(yōu)化參數(shù)。

圖4 工況方案及研究思路Fig.4 Condition scheme and research ideas

2 模型驗(yàn)證

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬進(jìn)行對(duì)比，分別對(duì)隧道內(nèi)瞬變壓力和隧道洞口微氣壓波進(jìn)行驗(yàn)證。本次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)試驗(yàn)以某高速鐵路隧道為測(cè)試對(duì)象，其設(shè)計(jì)時(shí)速為350 km，隧道全長(zhǎng)5 934 m，凈空面積為100 m2。采用微壓差傳感器輸出壓力信號(hào)，再分別使用A/D 板和2801 采集系統(tǒng)采集壓力波和微氣壓波數(shù)據(jù)，最后通過(guò)USB 數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)聯(lián)通。圖5為本次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的測(cè)點(diǎn)布置示意圖，其中S1 為隧道內(nèi)瞬變壓力測(cè)點(diǎn)，S2 為隧道洞口微氣壓波測(cè)點(diǎn)。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.5 Field measurement point layout diagram

圖6 分別給出了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬2 種情況下，隧道內(nèi)S1 測(cè)點(diǎn)首波瞬變壓力的時(shí)程曲線對(duì)比和隧道洞口S2 測(cè)點(diǎn)微氣壓波的時(shí)程曲線對(duì)比。由圖6分析可得數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的隧道內(nèi)瞬變壓力變化規(guī)律，其波形基本一致。數(shù)值模擬計(jì)算得到的隧道內(nèi)瞬變壓力峰值略小于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到的結(jié)果，正壓峰值相對(duì)誤差為1.86%，負(fù)峰值相對(duì)誤差為-5.41%；數(shù)值模擬得到的隧道洞口微氣壓波時(shí)程曲線負(fù)波峰的波動(dòng)幅度明顯超出現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到的時(shí)程曲線，兩者之間的正壓峰值相對(duì)誤差為7.63%。產(chǎn)生差異的原因可能是：數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)不可避免地存在隧道壁面及列車車頭粗糙度的差異。然而，本研究著重于對(duì)微氣壓波的形成機(jī)理和峰值變化規(guī)律進(jìn)行分析，可認(rèn)為本文數(shù)值模擬方法和計(jì)算結(jié)果是合理的。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模型時(shí)程曲線對(duì)比Fig.6 Comparison of field measurement and numerical model

3 結(jié)果分析與討論

3.1 首個(gè)泄壓孔邊緣到帽檐的距離

圖7 為采用4 種不同的首個(gè)泄壓孔邊緣到帽檐距離的組合型式緩沖結(jié)構(gòu)，距離分別為4，8，16和24 m，均在拱頂中部設(shè)置2 個(gè)大小一致的泄壓孔。泄壓孔的寬度Dk=4 m，長(zhǎng)度Lk=4 m。

裝配路徑反映了零組件在安裝過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)路徑，在虛擬裝配過(guò)程中依據(jù)裝配技術(shù)要求，考慮裝配工藝性、可裝配性分層逐級(jí)生成零組件的裝配順序和裝配路徑，依據(jù)設(shè)計(jì)好的工藝流程、裝配順序和裝配路徑對(duì)零組件、資源在裝配過(guò)程中與其他零組件、資源的干涉等進(jìn)行仿真。當(dāng)存在干涉情況時(shí)，給出干涉報(bào)警同時(shí)給出干涉量和干涉區(qū)域[3]。裝配路徑規(guī)劃和干涉分析如圖5和圖6所示。

圖7 首個(gè)泄壓孔邊緣到帽檐不同距離的組合型式緩沖結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Combined buffer structure with dfferent distances between the first ventilation window and the hat

圖8 為采用不同縱向開(kāi)孔位置的緩沖結(jié)構(gòu)時(shí)，隧道內(nèi)2 號(hào)測(cè)點(diǎn)的初始?jí)嚎s波和壓力梯度時(shí)程曲線。表1為隧道內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的初始?jí)嚎s波和壓力梯度峰值對(duì)比表。由圖8 和表1 分析可得：初始?jí)嚎s波壓力時(shí)程曲線的開(kāi)始上升速率隨泄壓孔邊緣到帽檐距離的增加而不斷降低，但峰值不斷升高。相比于泄壓孔邊緣到帽檐的距離為4 m，當(dāng)距離為8，16 和24 m 時(shí)，1 號(hào)測(cè)點(diǎn)的初始?jí)嚎s波峰值分別增加2.9%，5.6%和5.2%，5 號(hào)測(cè)點(diǎn)的初始?jí)嚎s波峰值分別增加5.6%，14.8%和19.8%。

表1 首個(gè)泄壓孔邊緣到帽檐不同距離下初始?jí)嚎s波和壓力梯度峰值Table 1 Peak value of initial compression wave and pressure gradient under different distances

圖8 不同首個(gè)泄壓孔邊緣到帽檐的距離下初始?jí)嚎s波和壓力梯度時(shí)程曲線Fig.8 Pressure curves of initial compression wave and pressure gradient under different distances

由圖8 和表1 還可得：壓力梯度時(shí)程曲線出現(xiàn)很明顯的3 個(gè)波峰A1，A2和Ak，各波峰峰值出現(xiàn)時(shí)間基本一致。當(dāng)泄壓孔邊緣到帽檐的距離增加，列車經(jīng)過(guò)緩沖結(jié)構(gòu)泄壓孔產(chǎn)生的波峰A1不斷減小，Ak逐漸消失，而A2不斷增大，壓力梯度峰值也不斷增加。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因可能是：隨著泄壓孔邊緣到帽檐距離的增大，Ak出現(xiàn)時(shí)間不斷滯后。當(dāng)泄壓孔與隧道入口接近時(shí)，波峰Ak與列車進(jìn)入隧道產(chǎn)生的波峰A2重合，壓力梯度峰值反而上升，從而使初始?jí)嚎s波上升速率加快，峰值增大。

圖9 為不同縱向開(kāi)孔位置下隧道出口20 m 和50 m處微氣壓波時(shí)程曲線。由圖9分析可得，采用不同泄壓孔邊緣到帽檐的距離下，隧道出口微氣壓波時(shí)程曲線出現(xiàn)2 個(gè)不同的波峰A1和A2，但泄壓孔邊緣到帽檐的距離增加，波峰A1的峰值不斷降低，波峰A2的峰值不斷升高。在距離隧道出口20 m處，當(dāng)泄壓孔邊緣到帽檐的距離為4 m時(shí)，微氣壓波峰值最小，相比于距離為8，16 和24 m 的情況，其微氣壓波峰值分別降低了14.4%，39.5%和50.7%。在距離隧道出口50 m 處，將泄壓孔邊緣到帽檐的距離為4，8，16 和24 m 時(shí)，其微氣壓波峰值分別為19，22，31 和39 Pa，僅泄壓孔邊緣到帽檐的距離為4 m 的情況下滿足規(guī)范要求(20 Pa)。

圖9 首個(gè)泄壓孔邊緣到帽檐不同距離下微氣壓波時(shí)程曲線Fig.9 Pressure curves of micro-pressure wave under different distances

綜上所述，組合型式緩沖結(jié)構(gòu)的首個(gè)泄壓孔到帽檐的距離為4 m 時(shí)，能較好地緩解隧道洞口微氣壓波。

3.2 開(kāi)孔率

圖10 給出了開(kāi)孔率α為24%，32%，40%和48%這4 種組合型式緩沖結(jié)構(gòu)的主要尺寸，均在拱頂中部設(shè)置2個(gè)大小一致的泄壓孔。泄壓孔的寬度Dk=4 m，長(zhǎng)度Lk=3，4，5 和6 m，2 個(gè)泄壓孔之間的凈距均為4 m，泄壓孔邊緣距離帽檐的距離均為4 m。

圖10 不同開(kāi)孔率組合型式緩沖結(jié)構(gòu)示意圖Fig.10 Combined buffer structure with different ventilation ratios

圖11 為當(dāng)列車通過(guò)不同開(kāi)孔率的組合型式緩沖結(jié)構(gòu)時(shí)，隧道內(nèi)2號(hào)測(cè)點(diǎn)的初始?jí)嚎s波和壓力梯度時(shí)程曲線。表2為隧道內(nèi)不同測(cè)點(diǎn)的初始?jí)嚎s波和壓力梯度峰值。由圖11 和表2 分析可得：不同開(kāi)孔率下初始?jí)嚎s波時(shí)程曲線的變化規(guī)律基本一致，壓力開(kāi)始上升和峰值出現(xiàn)時(shí)間基本一致，但開(kāi)孔率越大，初始?jí)嚎s波開(kāi)始上升速率越慢，隨后上升速率逐漸升高，各測(cè)點(diǎn)初始?jí)嚎s波峰值不斷增大。當(dāng)開(kāi)孔率α=48%時(shí)，初始?jí)嚎s波峰值略高于其他低開(kāi)孔率條件下的峰值，相比于α=24%，1 號(hào)～4 號(hào)測(cè)點(diǎn)初始?jí)嚎s波峰值差異最高僅有4%，5 號(hào)測(cè)點(diǎn)初始?jí)嚎s波峰值也僅相差10%，說(shuō)明開(kāi)孔率對(duì)初始?jí)嚎s波峰值影響較小。

表2 不同開(kāi)孔率下初始?jí)嚎s波和壓力梯度峰值Table 2 Peak value of initial compression wave and pressure gradient under different ventilation ratios

圖11 不同開(kāi)孔率下初始?jí)嚎s波和壓力梯度時(shí)程曲線Fig.11 Pressure curves of initial compression wave and pressure gradient under different ventilation ratios

由圖11 和表2 還可得：不同開(kāi)孔率下同一波峰峰值及相同開(kāi)孔率下不同波峰的峰值之間均存在一定的差異。例如：對(duì)于α=24%，Ak的峰值最小，A2最大；對(duì)于α=32%，40%和48%，A1的峰值最小，A2最大。對(duì)于不同測(cè)點(diǎn)，壓力梯度峰值隨組合型式緩沖結(jié)構(gòu)開(kāi)孔率的變化存在顯著差異，例如：對(duì)于1號(hào)和2號(hào)測(cè)點(diǎn)，峰值隨開(kāi)孔率的增加不斷增大；對(duì)于3號(hào)～5號(hào)測(cè)點(diǎn)，當(dāng)α=24%時(shí)，初始?jí)嚎s波峰值最低，當(dāng)α=32%時(shí)，壓力梯度峰值最低。

綜上所述，在組合型式緩沖結(jié)構(gòu)的開(kāi)孔率為32%時(shí)，緩沖結(jié)構(gòu)能較好地緩解隧道洞口微氣壓波。

3.3 泄壓孔數(shù)量

在首個(gè)泄壓孔邊緣到帽檐距離為4 m，開(kāi)孔率α=32%條件下，當(dāng)泄壓孔數(shù)量不同時(shí)，分析初始?jí)嚎s波和微氣壓波的變化規(guī)律。圖13 給出了在拱頂分別設(shè)置2 個(gè)、4 個(gè)和8 個(gè)泄壓孔的組合型式緩沖結(jié)構(gòu)的尺寸。

圖13 不同泄壓孔數(shù)量組合型式緩沖結(jié)構(gòu)示意圖Fig.13 Combined buffer structure with different number of ventilation windows

圖14 為當(dāng)列車通過(guò)不同泄壓孔數(shù)量的組合型式緩沖結(jié)構(gòu)時(shí)，隧道內(nèi)2號(hào)測(cè)點(diǎn)的初始?jí)嚎s波和壓力梯度時(shí)程曲線。表3為隧道內(nèi)不同測(cè)點(diǎn)的初始?jí)嚎s波和壓力梯度峰值。由圖14 和表3 分析可得：在不同泄壓孔數(shù)量條件下，隧道內(nèi)初始?jí)嚎s波時(shí)程曲線變化規(guī)律基本一致，僅上升和下降過(guò)程中的快慢程度略有偏差。泄壓孔數(shù)量對(duì)初始?jí)嚎s波峰值幾乎無(wú)影響，各測(cè)點(diǎn)初始?jí)嚎s波峰值的差異保持在30 Pa 以內(nèi)，但總體而言，當(dāng)泄壓孔數(shù)量為8 個(gè)時(shí)，初始?jí)嚎s波峰值略低于其他條件下的峰值。泄壓孔數(shù)量對(duì)壓力梯度的影響較顯著，不同泄壓孔數(shù)量下壓力梯度時(shí)程曲線均出現(xiàn)3 個(gè)波峰，第3 個(gè)波峰的峰值最大。1 號(hào)～4 號(hào)測(cè)點(diǎn)壓力梯度峰值隨開(kāi)孔數(shù)量的增加先升高后降低，當(dāng)泄壓孔數(shù)量為8 時(shí)，峰值最小。5 號(hào)測(cè)點(diǎn)壓力梯度峰值隨開(kāi)孔數(shù)量的增加先降低后升高，當(dāng)泄壓孔數(shù)量為4時(shí)，峰值最小。

表3 不同泄壓孔數(shù)量下初始?jí)嚎s波和壓力梯度峰值Table 3 Peak value of initial compression wave and pressure gradient under different number of ventilation windows

圖15(a)為隧道洞口20 m 處不同泄壓孔數(shù)量下微氣壓波時(shí)程曲線，圖15(b)為隧道出口20 m 和50 m 處微氣壓波峰值隨泄壓孔數(shù)量的變化規(guī)律。由圖15 分析可得：當(dāng)列車通過(guò)不同泄壓孔數(shù)量的組合型式緩沖結(jié)構(gòu)時(shí)，隧道出口20 m 處微氣壓波時(shí)程曲線變化規(guī)律基本一致，均出現(xiàn)2個(gè)波峰。當(dāng)泄壓孔數(shù)量為4 個(gè)時(shí)，2 個(gè)波峰峰值差異最小，峰值分別為45.2 Pa 和45.1 Pa，僅相差0.22%；當(dāng)泄壓孔數(shù)量為8 個(gè)時(shí)，2 個(gè)波峰峰值差異最大，分別為48.7 Pa和41.3 Pa，相差達(dá)到17.9%。

圖15 不同泄壓孔數(shù)量下微氣壓波的時(shí)程曲線和峰值Fig.15 Pressure curves and peak value of micro-pressure wave under different number of ventilation windows

綜上所述，組合型式緩沖結(jié)構(gòu)的開(kāi)孔數(shù)量為4個(gè)時(shí)，緩沖結(jié)構(gòu)能較好地緩解隧道洞口微氣壓波。

3.4 泄壓孔環(huán)向位置

在首個(gè)泄壓孔邊緣到帽檐距離為4 m，開(kāi)孔率α=32%，泄壓孔數(shù)量為4 個(gè)條件下，當(dāng)泄壓孔環(huán)向位置不同時(shí)，分析初始?jí)嚎s波和微氣壓波的規(guī)律。圖16 為泄壓孔分別布置在拱頂、拱腰單側(cè)和拱腰雙側(cè)3種不同環(huán)向位置的組合型式緩沖結(jié)構(gòu)。每個(gè)泄壓孔的尺寸均為2 m(縱向)×4 m(橫向)，拱腰泄壓孔頂部距離軌頂面3 m。

圖16 不同環(huán)向開(kāi)孔的組合型式緩沖結(jié)構(gòu)示意圖Fig.16 Combined buffer structure with different circumferential ventilation windows

圖17 為列車駛?cè)氩煌h(huán)向開(kāi)孔位置的組合型式緩沖結(jié)構(gòu)時(shí)，隧道內(nèi)2號(hào)測(cè)點(diǎn)的初始?jí)嚎s波和壓力梯度時(shí)程曲線。表4為隧道內(nèi)不同測(cè)點(diǎn)處的初始?jí)嚎s波和壓力梯度峰值。由圖17 和表4 分析可得：泄壓孔在緩沖結(jié)構(gòu)環(huán)向上的分布位置對(duì)隧道內(nèi)初始?jí)嚎s波時(shí)程曲線和峰值的影響十分微弱，但對(duì)壓力梯度時(shí)程曲線和峰值的影響十分顯著。對(duì)于壓力梯度時(shí)程曲線，不同環(huán)向開(kāi)孔位置下，其時(shí)程曲線均出現(xiàn)3 個(gè)較明顯的波峰(A1，Ak和A2)，但峰值之間的變化規(guī)律略有不同。當(dāng)在拱腰單側(cè)布置4個(gè)泄壓孔時(shí)，波峰A1的峰值(4581 Pa)最小，波峰A2的峰值(6 460 Pa)略大于Ak的峰值(6 589 Pa)；當(dāng)在拱腰兩側(cè)各布置2個(gè)泄壓孔時(shí)，波峰Ak的峰值(7 020 Pa)顯著大于A2的峰值(6 185 Pa)。對(duì)于壓力梯度峰值，針對(duì)受列車運(yùn)行影響較小的隧道洞身段(4 號(hào)測(cè)點(diǎn))和出口段(5 號(hào)測(cè)點(diǎn))，當(dāng)在組合型式緩沖結(jié)構(gòu)的拱腰兩側(cè)各開(kāi)2個(gè)泄壓孔時(shí)，壓力梯度峰值最大；當(dāng)在拱頂設(shè)置4個(gè)泄壓孔時(shí)，壓力梯度峰值最小。

表4 不同環(huán)向開(kāi)孔位置下初始?jí)嚎s波和壓力梯度峰值Table 4 Peak value of initial compression wave and pressure gradient under different circumferential ventilation windows

圖17 不同環(huán)向開(kāi)孔位置下初始?jí)嚎s波和壓力梯度時(shí)程曲線Fig.17 Pressure curves of initial compression wave and pressure gradient under different circumferential ventilation windows

圖18為隧道洞口20 m 和50 m 處不同環(huán)向開(kāi)口位置下微氣壓波時(shí)程曲線。由圖18 分析可得：隧道內(nèi)初始?jí)嚎s波的壓力梯度變化規(guī)律最終體現(xiàn)在微氣壓波時(shí)程曲線和峰值上。不同開(kāi)孔位置下的微氣壓波時(shí)程曲線均出現(xiàn)2個(gè)較明顯波峰，A1波峰之間的峰值差異較小，而A2波峰之間的峰值差異較大。當(dāng)在組合型式緩沖結(jié)構(gòu)的拱腰兩側(cè)各開(kāi)2個(gè)泄壓孔時(shí)，隧道出口微氣壓波峰值最大，20 m 和50 m 處的峰值分別為56 Pa 和22 Pa，不滿足規(guī)范要求；當(dāng)在拱頂設(shè)置4個(gè)泄壓孔時(shí)，微氣壓波峰值最小，20 m 和50 m 處的峰值分別為45 Pa和18 Pa，相對(duì)于拱腰兩側(cè)各開(kāi)2 個(gè)泄壓孔，降低了20%和18%。

圖18 不同環(huán)向開(kāi)孔位置下微氣壓波時(shí)程曲線Fig.18 Pressure curves of micro-pressure wave under different circumferential ventilation windows

綜上所述，在組合型式緩沖結(jié)構(gòu)等截面擴(kuò)大段拱頂設(shè)置泄壓孔時(shí)，緩沖結(jié)構(gòu)能較好地緩解隧道洞口微氣壓波。

4 結(jié)論

1) 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬2種方法相互驗(yàn)證，兩者所得的微氣壓波變化規(guī)律基本一致，正壓峰值誤差為7.63%。

2) 當(dāng)組合型式緩沖結(jié)構(gòu)的首個(gè)泄壓孔邊緣到帽檐的距離為4 m 時(shí)，對(duì)微氣壓波的緩解效果最佳，相比于距離為8，16 和24 m，其隧道出口20 m 處的微氣壓波峰值分別降低14.4%，39.5%和50.7%。

3) 當(dāng)采用開(kāi)孔率α為32%的組合型式緩沖結(jié)構(gòu)時(shí)，對(duì)微氣壓波的緩解效果最佳，相較于開(kāi)孔率為24%，40%和48%，其隧道出口20 m 處的微氣壓波峰值分別降低5.7%，9.1%和19.7%。

4) 在組合型式緩沖結(jié)構(gòu)拱頂設(shè)置4 個(gè)4 m(橫向)×2 m(縱向)的泄壓孔時(shí)，對(duì)微氣壓波的緩解效果最佳，相較于設(shè)置2 個(gè)和8 個(gè)泄壓孔，其隧道出口20 m處的微氣壓波峰值分別降低0.9%和7.2%。

5) 組合型式緩沖結(jié)構(gòu)的環(huán)向位置上，在拱頂設(shè)置泄壓孔時(shí)，對(duì)微氣壓波的緩解效果最佳，相較于在拱腰單側(cè)或雙側(cè)對(duì)稱設(shè)置泄壓孔，其隧道出口20 m 處的微氣壓波峰值分別降低14.2%和19.3%。