高速铁路隧道缓冲结构的气动作用分析

立 断面或 斜切 断 面 ， 有些 还在缓 冲结 构入 口上 沿设 计“ 上扬 帽檐 ” 构 Ｊ 结 ． 我 国修 建 的 高速 铁 路 隧道 有 些也 采 用 了缓 冲 结构 ， 如郑西 客运 专线 上秦东 隧道 采用 了 图 ２所 例 示（ 断面） 纵 的缓 冲 结 构 ． 口采 用 斜 切 带 上 扬 帽 人 檐结 构 ， 口横 截 面面 积 １０ｍ ， 入 ５ 由于 隧道 横截 面
第４ ７卷
第 ２期
西
南
交
通
大
学
学
报
Ｖｏ ． ７ Ｎｏ ２ １４ ．
Ａｐｒ ２ ２ ． ０１
２１ ０ ２年 ４月
Ｊ ＵＲＮ Ｆ Ｓ Ｔ Ｏ ＡＬ Ｏ ＯＵ ＨＷ Ｅ Ｔ ＪＡＯＴ Ｇ Ｉ ＲＳＴ Ｓ Ｉ ＯＮ ＵＮ ＶＥ Ｉ Ｙ ＤＯＩ １ ．９ ９ｊｉ ｎ０ ５ — ２ ．０ ２ ０ ．０ ： ０ ３６ ／． ｓ．２ ８２ ４ ２ １ ．２ ０ １ ｓ ７
中 图分 类 号 ： ４３ １ Ｕ ５ ． 文献标志码 ： Ａ
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高速 铁路 隧道 人 口修 建 缓 冲结 构最 早 始 于 日 本高 速铁 路． 由于早期 修建 的铁 路 隧道横 断面 面积
较小 ， 道人 口处 的列车 冲击压 力波 和隧道 出 口处 隧
结 构． 冲结 构形式 有很 多种 ， 喇叭 口形 状 ， 缓 如 矩形
截面形状 、 椭圆形截面形状 等． 有些在缓冲段洞壁 开孔 或 开槽 以卸 载部分 气体 载荷 ， 冲段 入 口有直 缓
的微气 压 波对车 体结构 、 隧道结构 和环 境造 成一定 的危 害 ¨ 。为缓 解 隧道洞 Ｅ气体 压力 波 的冲击 ， ４． Ｉ １ ３ 本工程 师提 出在 隧道 口修建 缓 冲结构 ． 冲结构一 缓
般是在 隧道 口适 当接 出一 段 混凝 土 （ 其 他材 料 ） 或
结构 ， １为一 种 缓 冲结 构效 果 图． 国 、 国 、 图 法 德 韩 国等 国家 在修建 高 速铁 路 隧道 时 也相 继 采 用 缓 冲
面 的形状 也有 很 大不 同¨４． 期 的 隧道 缓 冲棚 多 ． 早 Ｊ
从气 动设计 角度 看 ， 于缓 冲结构 长度 多大 合 关 适， 是否越 长越 好 ， 渡段 多长 合适 ， 过 减压 孔 的开孔 率（ 减压孔 面积 与 隧道截 面 积之 比） 多 少是 合 适 为
的 ， 冲结 构 是直立 断 面还是斜 切 断面好 ， 缓 上扬 帽
采用 直立 人 口断面且 壁 面不开 孔 ， 随着建 造技 术 的 进 步 ， 用各 种入 口断 面形式 和各 种开 孔率 的缓 冲 采 结 构不 断出现 ． 本文 拟采 用计 算流 体力 学 的三维数 值 分析方 法 ， 进一 步探讨 上述 问题 ．
图 ２ 秦东隧道缓冲结构纵断面（ 单位 ：ｅ ｍ）
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西 南 交 通 大 学 学 报
第４ ７卷
面积 为 １０ｍ ， ０ 中间 有 一 过 渡 段 ． 冲结 构 总 长 缓 ５ 其 中过渡段长 ８ｉ， ８ｍ， 两侧对称开有矩形减压孔． ｎ
檐 结 构对减 轻气 动效 应有 什么 作用 ， 已有文献 对上 述 问题 进行 了讨 论 ， 存 在 较 大 差 别 。 例 如 日 但 ，
本 Ｓ ｉｋ ｎｅ ｈｎ ａｓｎ线 路 上 一 条 隧 道 的 缓 冲 结 构 长
１ ｌ－ 秦 东 隧道缓 冲 结构 长 ５ ｍ １］ ２
，
５ ６ 文 献 ［０］ ８ｍｌ． Ｊ １
中认 为缓 冲结 构 的最 优 长 度 约 为 ３倍 隧道 水 利 直 径． 文献 ［ １ 中通过模 型仿 真 分析 ， 为 喇叭 口隧 １］ 认 道 缓 冲结构 长 度 越长 越 好 ， 阻 塞 比 为 １３ 在 ．０时 隧 道缓 冲结 构 的最 优 长度达 １１ｍ． 献 ［２ 中认 为 ８ 文 １］ 无 开孔 的缓 冲结 构 长 度 取 为一 倍 隧 道 断 面 等效 直
（ ｃ ｏ ｌ ｆ ｃ ａ ｉ ｌ ｎ ｉｅ ｒ ｇ Ｓ ｕｈ ｅｔ ｉ ｔ ｇ Ｕ ｉ ｒ ｔ ，Ｃ ｅ ｇ ｕ６ ０ ３ ， ｈｎ ） Ｓ ｈ ｏ ｏ ｈ ｎｃ ｇｎ ｅ ｎ ， ｏ ｔｗ ｓ Ｊ ｏ ｎ ｎｖ ｓ ｙ ｈ ｎ ｄ １ ０ １ Ｃ ｉａ Ｍｅ ａＥ ｉ ａ ｏ ｅｉ
文 章 编 号 ： ２ ８２ ２ （ ０２ ０ －１５ ６ ０５ — ４ ２ １ ） ２０７ － ７ ０
高速 铁 路 隧 道缓 冲 结构 的气 动 作 用分 析
李人 宪 ， 关 永 久 ， 赵 晶 ， 赵 继 维
（ 西南交通大学机械工程学 院 ，四川 成都 ６ ０ ３ ） １０ １
道 内会 车压力波的影 响． 计算结果表明 ： 过渡段长度和缓 冲结构入 口形式对 隧道 内气动影 响很小 ， 其他参数 一定 时缓冲段长度存 在一 最优 值 ； 冲结构上开孔有助于减小气体 压力升高率 ， 冲结 构 的存 在有助 于降低 隧道 内 缓 缓 会车压力波峰值 ． 关键词 ：高速铁路 ； 隧道缓冲结构 ； 空气动力学
收 稿 日期 ： ０ １ １２ ２ １－ －１ ０
基金项目 ：国家科技 支撑计划资助项 目（ ０９ Ａ １ ． Ｏ ２ ０ Ｂ Ｇ ２ＡＩ ） 作者简介 ： 李人宪（ ９４一） 男 ， １５ ， 教授 ， 博士 ， 研究方向为车辆 空气动力学 ，Ｅｍａ ：ｘｉ ｏ ｅ ｓｊ ．ｄ ．ｎ － ｉ ｒｌ ｌ ＠ｈ ｍ ．ｗｔ ｅｕ ｅ ｕ
Ｃ Ｇ一ｃ争， １ ｐ ， ２
式 中 ： Ｕ， ＋ｕ，ｊ ； Ｉ ＝ Ｇ ＝（ ｉ） ｊ ￣ ， Ｘ ｐ ｊ ｕ
径较 好 ． 献 ［ ４ 中推 导 了开 口型 缓 冲结 构 最 小 文 １］
图 ｌ 隧 道 缓 冲结 构 不 意
Ｆ ｇ １ Ｓ ｅｃ ｉｇ ａ ｏ ｎｒ ｎ ｅ ｈ ｏ ｆ ｕ ｎ ｌ ｉ ． ｋ ｔｈ ｄａ ｒ ｍ ｆｅ ｔ ｃ ｏ ｄ ｏ ｎ ｅ ａ ｔ
长度 计算式 ． 同隧道缓 冲结 构 的开孔率 和人 口断 不
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；
气流 速超 过 了 ０ ３倍 马赫 数 ， 程为 可压缩 流体 连 ． 方
续性 方程 和动 量 守恒 方 程 （ （ ） （ ） ； 式 １ 、 ２ ） 由于 空 气 密度 的变化 与 温度相 关 ， 需求 解能量 守恒 方程 还
Ａｂｓｒ ｃ ｔ ａ ｔ：Ｉ ｒ ｅ ｏ ｅ ｕ ｅ ｐｒ ｓｕ ｅ ｕ ｓ ｆｅ ｔ ｐ ｏ ｕ ｅ ｒ ｍ ｔａ ｎ ｕ ｉ ｉｔ ｔ ｎ ｅ ｓ ａ ｎ ｏ ｄ ｒ ｔ ｒ ｄ ｃ ｅ ｓ ｒ ｐ ｌｅ ｅ ｆｃ ｓ ｒ ｄ ｃ ｄ ｆｏ ｒ ｉ ｒ ｎｎｎｇ ｎ ｏ ｕ ｎ ｌ ， ｎ ｅ ｔａ ｃ ｏ ｄ ｓ ｆｅ ｂ ｉｔ ｎ ｎｒ ｎ ｅ ｈ ｏ ｉ ｏ ｔｎ ｕ ｌ ｏ ｈｉｈ－ｐ ｅ ｒ ｉｗａ ｔ ｎ ｅ ｅ ｔａ ｅ Ｎｕ ｒｃ ｌ ａ ｃ ｌ ｔ ｎ ｗｅ ｅ ｇ ｓ ｅ ｄ ａｌ ｙ ｕ ｎ ｌ ｎ ｒ ｎｃ ． ｍｅ ｉａ ｃ ｌｕ ａ ｉ ｓ ｏ ｒ ｃ ｎ ｕ ｔｄ ｔ ｔ ｄ ｈ ｆｅ ｔ ｆｓｒ ｃｕ ａ ａ ａ ｔｒ ｆａ ｔ ｎ ｅ ｎ ｒ ｎ ｅ ｈｏ ｄ，ｓ ｃ ｓｔ ｅ ｅ ｔａ ｃ ｏ ｄ ｃ ｅ ｏ ｓｕ ｙ ｔ ｅ ｅ ｆｃ ｓｏ ｔ ｔ ｒ ｌｐ ｒ ｍｅ ｅ ｓｏ ｕ ｎ ｌｅ ｔａ ｃ ｏ ｕ ｕ ｈ ａ ｈ ｎ ｒ ｎ ｅ ｓ ａ ｅ，ｔ ｅ ｌｎｇｈ ｆｗｈ ｌ ｎ ｒ ｎ ｅ ｈ ｏ ｎ ｈ ｒ ｎ ｉｉｎ ｓ ｃｉｎ ｉ ｔ ｎｄ ｓｄ ｌ ｏ ｅ ｎ ｒ ａ ｈｐ ｈ ｅ ｔ ｓｏ ｏｅ ｅ ｔａ ｃ ｏ ｄ ａ ｄ ｔ ｅ ｔａ ｓｔｏ ｅ ｔｏ ｎ ｉ，ａ ｉபைடு நூலகம்ｅ ｗａｌ ｐ ｎｉｇ ａｅ ｓ
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１ 计算 方 法 与计 算 模 型
利用 下列 方程 描 述 隧道 外 空 间 和缓 冲结 构及 隧道 内流 场． 由于 高 速列 车 车 速 较 高 ， 车 附近 空 列
摘
要 ：为了减轻高速列车进 出隧道时引起 的洞 口压 力波效应 ， 常在隧道入 口加建 缓冲结构 ． 采用 计算 流体力
学数值分析的方法 ， 仿真计算 了高速铁路隧道入 Ｉ缓 冲结构参数对列车 以 ３０ｋ ｈ ＝ Ｉ ５ ｍ／ 进入隧道 时的气动作用 ， 分
析 了过渡段长度 、 冲段长度 、 缓 缓冲结构 开孔 率 、 缓冲结构入 口形式对隧道 Ｉ 内气体压力的影响和缓 冲结 构对隧 ： １