隧道出口洞门护坡对微气压波的影响

张雷，杨明智，李志伟，刘堂红

(中南大学 交通运输工程学院，轨道交通安全教育部重点实验室，湖南 长沙，410075)

摘要：以动模型试验验证为基础，采用三维、可压缩、非定常N-S方程和k-ε双方程湍流模型，对隧道出口不同护坡条件下的微气压波进行数值模拟。研究得到端墙式隧道洞门条件下隧道出口护坡对微气压波的影响规律。研究结果表明：当护坡面积小于9倍隧道净空面积时，随着护坡面积的增加，微气压波幅值明显增大，当护坡面积大于9倍隧道净空面积时，隧道出口20 m处监测点微气压波不再随着护坡面积的增大而改变。当护坡由竖直变化至斜切斜率为1:1.125之间时，随着斜切斜率的减小，微气压波幅值线性降低，当护坡斜率减小为1:1.125时，隧道出口20 m处微气压波幅值将稳定在82 Pa左右，之后不再随护坡斜率减小而变化。

关键词：护坡斜率；护坡面积；高速列车；隧道；微气压波

中图分类号：U25             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2014)10-3671-05

Influence on micro-pressure wave by portal slope protection of railway tunnel exit

ZHANG Lei, YANG Mingzhi, LI Zhiwei, LIU Tanghong

(Key Laboratory of Traffic Safety on Track, Ministry of Education,

School of Traffic and Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Abstract: Based on dynamic model test，and by using three dimensional, unsteady N-S equation, influence micro- pressure wave by slope protection of railway tunnel portal was simulated by the forms of numerical simulation, and then micro-pressure changes out of the tunnel were obtained. The results show that the dynamic model and numerical results show good agreement, and the maximum difference is below 5%. The micro-pressure amplitude significantly increases until the area of slop protection on the tunnel exit comes to 9 times of the tunnel area, and then it does not change with the increase of the area. Micro pressure wave amplitude decreases linearly with the decrease of slope protection oblique slope, when the slope of the tunnel exit slope protection changes from vertical to slope of 1:1.125, and then micro pressure wave amplitude does not change with changes of the slope and the value is maintained at about 82 Pa.

Key words: slope of slope protection; area of slope protection; high-speed train; tunnel; micro-pressure wave

列车高速通过隧道引起的一系列空气动力效应问题严重影响列车车体结构的稳定性、乘客的舒适度以及沿线周围环境^[1-3]，对于靠近隧道出口的居民区,隧道口微气压波的影响更为明显，微气压波严重时会产生爆破噪声, 从而影响附近居民的正常生活^[4-5]。日本和欧洲一些国家相继围绕高速铁路隧道气动效应问题开展了一系列研究，其研究范围主要集中在压力波的变化梯度、乘客的舒适度；压力波、微压波的传播和形成机理及其计算方法；削减压缩波和微压波的各种方案以及相关试验方法等方面的研究^[6-8]，对我国高铁来说，欧洲和日本在这方面的研究成果具有一定的借鉴和指导作用，但我国高速铁路采用了大断面的隧道，实际运行车速比欧洲和日本的高，因此隧道气动效应的影响具有不同的特点，为此我国通过对石太线，合武线，武广线等高速铁路隧道空气动力效应的数值模拟及现场实测，在隧道入口缓冲结构方面的研究已经取得了一系列的成果^[9-10]，目前，我国许多既有和新建高速铁路隧道的设计中采用了多种隧道洞门结构形式，尤其是多种斜切式的隧道洞门及其与缓冲结构的组合形式^[11]，这些隧道洞门在京沪高速铁路这条世界上一次建成长度最长，标准最高的线路上得到了广泛的应用，但随着我国铁路建设的高速发展，隧道洞门工程建设与生态环境的关系也成为整个社会的关注焦点，铁路隧道洞口护坡的设计不仅要实用，而且要求美观得体，为创造人与自然和谐的生态环境，设计要求中明确以不加护坡或者只加少部分护坡，保护洞口环境，体现自然美为准则，然而有些隧道洞口土质松软，或该地区雨量较大，易产生冲刷沟壑，需要较大的护坡面并植入植被以增加稳定性的要求^[12]，但是不同条件的护坡可能会对高速列车过隧道时隧道出口微气压波产生影响，为此本文作者采用可压缩、非定常的三维数学模型研究了隧道出口护坡对微气压波的影响，同时利用高速列车气动特性动模型试验系统，真实再现高速列车过隧道的三维流动现象^[13-14]，通过动模型试验对数值计算进行验证，以便准确可靠的对隧道出口不同护坡条件下，隧道口微气压波进行研究。

1  数值计算与试验模型

采用FLUENT流场计算软件进行三维数值模拟计算，通过结构和非结构网格对计算区域和车体表面进行离散。描述列车周围空气流动的控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程、气体状态方程及湍流模型方程，FLUENT提供了多种湍流模型^[15]，本文选取工程上应用较广的k-ε双方程模型，按三维、可压缩、非定常N-S方程，采用滑移网格技术，对高速列车通过隧道时复杂的空气流场进行模拟计算。

数值计算采用1:1的模型比例，高速列车由头车和尾车两车编组而成，其头部流线型长度为6.18 m，车速为350 km/h，高速列车计算模型见图1所示；隧道长度为1 km，截面面积100 m²，线间距5 m，隧道出口和入口洞门形式均为端墙式隧道洞门，在距隧道出口10 m以及20 m的位置处分别布置微气压波测点，其中隧道出口20 m处微气压波幅值为微气压波的评判标准，因此本文重点分析该测点的微气压波。隧道及微气压波测点布置情况如图2所示，图中护坡斜切高度H与斜切长度L的比值即为护坡斜率，护坡面积包含隧道截面面积及与隧道口平面平齐的护坡部分，图3所示为端墙式隧道洞门护坡网格。本文重点研究隧道出口洞门护坡斜率以及护坡面积对隧道出口微气压波的影响。

动模型试验使用高速列车气动特性动模型试验系统，根据流动相似原理，通过弹射方式使模型列车在模型线路上高速运行，真实再现高速列车过隧道的空气三维非定常非对称流动现象。本次动模型试验按线间距5 m、模型缩比1:20设计，保证与数值计算的阻塞比一致，图4所示为动模型试验高速列车模型，动模型中采用的护坡面积为隧道截面面积的9倍，护坡斜率为1:1.25。

图1  高速列车计算模型

Fig. 1  High-speed train model

图2  隧道模型

Fig. 2  Tunnel model

图3  端墙式隧道洞门护坡网格图

Fig. 3  Surface grid of slope protection and wall tunnel portal

图4  高速列车模型

Fig. 4  Moving model of high-speed train

2  结果分析

2.1  数值计算与动模型试验结果比较

数值计算与动模型试验两者的比较工况为：动车组以350 km/h速度通过长1 km的双线隧道，该隧道带有端墙式隧道洞门，洞门护坡面积为9倍隧道截面面积，斜切斜率为1:1.25。通过数值计算及动模型试验得到相应监测点微气压波幅值，表1所示为该工况下数值计算与动模型试验结果比较，图5所示为隧道出口20 m处监测点微气压波变化曲线比较。

对比图5中数值计算与动模型试验结果可以看出：2种方法得到的瞬变压力曲线变化规律基本一致，仅幅值略有差异，误差在5%以下，说明该数值计算方法能够较好地模拟高速列车突入隧道时所引起的微气压波问题。

以下利用数值模拟计算方法，在上述研究的基础上，重点讨论隧道出口洞门护坡面积和护坡斜切斜率对隧道出口20 m处微气压波的影响。

表1  2种方法所得微气压波幅值比较

Table 1  Comparison of micro-pressure wave amplitude for two methods

图5  隧道出口20 m处微气压波曲线比较

Fig. 5  Comparison of micro-pressure wave curves for 20 m distance from tunnel exit

2.2  隧道出口护坡面积对隧道出口微气压波的影响

隧道洞门护坡面为沿隧道中心线对称的表面，护坡面积含隧道截面面积及隧道口平面平齐的护坡部分。虽然阻塞比及隧道出入口洞门形式及周围环境相同，当动车组以350 km/h的速度通过隧道时，隧道出口处护坡面积的大小对隧道出口微气压波仍有一定的影响，表2所示为不同护坡面积下，隧道出口20 m处微气压波幅值(表2中S为隧道截面面积)。图6和图7所示分别为隧道出口20 m处微气压波曲线和幅值比较，在车头突入隧道2.97 s后监测点才能感应到隧道口微气压波，因此在图中采用了3 s以后的微气压波波形曲线。

由表2及图6和图7可知：不同隧道出口洞门护坡面积下，动车组高速通过隧道时，受隧道出口护坡产生膨胀波的影响，当护坡面积小于9倍隧道净空面积时，随着护坡面积的增加，微气压波幅值明显增大，最大增幅为12.3%；当护坡面积大于9倍隧道净空面积时，隧道出口20 m处监测点微气压波不会随着护坡面积的增大而改变，基本上保持在82 Pa左右。

表2 不同护坡面积下隧道出口20 m处微气压波幅值

Table 2  Micro-pressure wave amplitude for 20 m distance from tunnel exit under different areas of slope protection

图6  隧道出口20 m处微气压波曲线比较

Fig. 6  Comparison of micro-pressure wave curves for 20 m distance from tunnel exit

图7  隧道出口20 m处微气压波幅值比较

Fig. 7  Comparison of micro-pressure wave amplitude for 20 m distance from tunnel exit

2.3  隧道出口护坡斜切斜率对隧道出口微气压波的影响

护坡斜率是指护坡斜切部分高度与斜切长度之比，当动车组以350 km/h的速度高速突入隧道的瞬间，前方气流受挤压形成压缩波，当其传至隧道出口时，其中一部分以膨胀波的形式反射回隧道内，另一部分以冲击波的形式冲出隧道，形成微气压波。表3所示为护坡面积为15倍隧道截面面积时，隧道出口不同斜率的洞门护坡下，隧道出口20 m处微气压波幅值，图8和图9所示分别为隧道出口20 m处微气压波曲线和幅值比较。

由表3及图8和图9可知：当隧道出口洞门护坡斜切斜率不同时，动车组高速突入隧道形成的压缩波冲出隧道后形成微气压波，微气压波受护坡的影响会在护坡处产生一定强度的膨胀波，从而影响微气压波幅值。当护坡由竖直变化至斜切斜率为1:1.125之间时，随着斜切斜率的减小，微气压波幅值不断减小，最大降幅有10.9%，且微气压波幅值与斜切斜率大约成线性关系，护坡斜率的降低，相当于隧道出口护坡距测点的距离增加，冲击波冲出隧道受护坡影响产生的膨胀波对该处测点影响越来越小，当护坡斜率减小为1:1.125时，隧道出口20 m处微气压波幅值将稳定在82 Pa左右，不再随护坡斜率的减小而改变。

表3  不同护坡斜率下隧道出口20 m处微气压波幅值

Table 3  Micro-pressure wave amplitude for 20 m distance from tunnel exit under different slopes of slope protection

图8  隧道出口20 m处微气压波曲线比较

Fig. 8  Comparison of micro-pressure wave curves for 20 m distance from tunnel exit

图9  隧道出口20 m处微气压波幅值比较

Fig. 9  Comparison of micro-pressure wave amplitude for 20 m distance from tunnel exit

3  结论

1) 当护坡面积小于9倍隧道净空面积的条件下，随着护坡面积的增加，微气压波幅值明显增大，最大增幅为12.3%；当护坡面积大于9倍隧道净空面积时，隧道出口20 m处监测点微气压波不会随着护坡面积的增大而改变，基本上保持在82 Pa左右。

2) 当护坡由竖直变化至斜切斜率为1:1.125之间时，随着斜切斜率的减小，微气压波幅值线性降低,最大降幅为10.9%，当护坡斜率减小为1:1.125时，隧道出口20 m处微气压波幅值将稳定在82 Pa左右，不再随护坡斜率的减小而改变。

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(编辑  杨幼平)

收稿日期：2013-10-08；修回日期：2013-12-23

基金项目(Foundation item)：中南大学研究生自主探索创新项目(2013zzts041)；高速铁路基础研究联合基金重点资助项目(U1134203)；中南大学教师研究基金资助项目(2013JSJJ014) (Project(2013zzts041) supported by Exploration and Innovation Funds for Master Graduate Students of Central South University, China; Project(U1134203) supported by Joint Fund of High-speed Railway Fundamental Research, China; Project(2013JSJJ014) supported by Teachers Research Fund of Central South University, China)

通信作者：张雷(1986-)，男，山东菏泽人，博士研究生，从事列车空气动力学研究；电话：13667327480；E-mail: englishtvcom@126.com