[发明专利]一种高速铁路长大隧道微气压波减缓方法

说明书

本发明公开了一种高速铁路长大隧道微气压波减缓方法：沿隧道纵向，在隧道的侧壁和/或者底面布置若干气室，直至隧道出口。优选的，各个气室位于隧道不同的横截段内，所述气室位于该段隧道侧面或者底面的任意位置。进一步的，各个气室均位于各自横截段隧道内的相应位置后构成气室阵列，所述气室阵列沿隧道的整个纵向长度布置，或者布置于距离隧道出口3km以内的上游隧道内。所述气室阵列内的各个气室形状相同，均由颈部和腔室组成。与作用原理相似的碎石道砟相比，本发明所采用的气室阵列结构更易于进行科学的分析和设计，同时不会产生碎石道砟所存在的飞沙走石风险，更适合应用于高速铁路。

技术领域

本发明属于铁路隧道技术领域，具体为一种应用于高速铁路长大隧道内部的微气压波减缓方法。

背景技术

我国高速铁路飞速发展，营业里程已突破3万公里，超过世界其它国家总和。由于地域广阔，山峦、丘陵众多，高速铁路线路中包含大量隧道工程，如合武线、武广线、石太线，其隧线比分别达到18%、20%、39%，西南及沿海地区一些线路隧线比更高达50%以上。当列车高速进入隧道时，洞口空气受车头挤压会产生初始压缩波，压缩波以声速在隧道内向前传播，当其传播到隧道出口时大部分以膨胀波形式反射回来，小部分以脉冲波形式从隧道出口向外辐射，这种脉冲波即为微气压波。微气压波能量通常集中在次声波区，与人体器官及建筑物共振频率接近，容易造成建筑物损害和人员伤害；当微气压波能量较大时，洞口还会伴随音爆现象，带来严重的噪声污染。

微气压波由隧道内压缩波演变而来，其压力幅值主要取决于压缩波传播至隧道出口时的最大梯度（也称最大压力变化率）。而压缩波传播时具有非线性特征，存在波前缩短的趋势。当隧道长度较长时，压缩波会激化为冲击波，致使隧道出口微气压波幅值提至数倍以上。2011年3月，在京沪高速铁路西渴马1号隧道（无砟、有效净空面积100m²、隧道长度2812m、洞口布置斜切式缓冲结构）空气动力学试验中发现，8辆编组的CRH2实验列车分别以330km/h和350km/h通过隧道时，洞口外20m处所测微气压波幅值分别达到63.7Pa和85.6Pa，均超过相关限值（50Pa）。在2009年武广客运专线空气动力学实车试验中，大瑶山1号隧道（无砟、有效净空面积100m²、隧道长度10081m、进口为喇叭口斜切式、出口为明洞式）洞外20m处所测微气压波幅值甚至达到180Pa，超过限值3倍以上，几公里外都可以听到巨大的微气压波音爆声，给周围环境带来极大的影响。

目前用于抑制高速铁路微气压波的方法大多存在以下局限性：

1、增加车头鼻尖长度。缺点：由于隧道洞口的流动具有强烈的三维效应，若车鼻延伸长度短于一个隧道直径，其对微气压波的改善作用通常较小，但过长的列车鼻尖显然是不切实际的。

2、在列车即将进入隧道时降低车速。缺点：实际操作性较差，并且由于增加了旅途时间而降低了对乘客的吸引力，因此通常会受到铁路运营商的排斥。

3、隧道入口安装缓冲结构。局限：缓冲结构所需长度通常随列车速度和车隧阻塞比的增加而增大，除了会给视觉上带来不适外，还会极大增加建设和土地征用费用。若隧道入口处于人口稠密地区或特殊地形时，安装较长缓冲结构则变得几乎难以实现。更重要的是，洞口缓冲结构无法直接对压缩波演化过程发生作用，即使洞口产生的初始波前较为平缓，但经隧道内长距离的激化后仍有可能产生严重的微气压波。

4、在隧道出口的上游设置一个体积较大的膨胀室。这种腔室的行为方式类似于车辆排气系统中的消音器/消声器。然而，提供这样的大型腔室往往是非常昂贵的，而且除非它们完全在地下，否则在视觉上可能会令人不快。

5、沿隧道纵向设置吸声材或赫姆霍兹共振器阵列。缺点：这些结构均呈现显著的欠阻尼特征，对于改善隧道内的高频振动通常具有较好的效果。但是，理想的压缩波波前频率通常较低，单纯依靠吸声材或者常规赫姆霍兹共振器无法使波前梯度降低到可接受的范围内。