高速鐵路隧道洞口緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

田魯魯

(中鐵二院昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，云南昆明650200)

高速鐵路是速度目標(biāo)值在250 km/h及以上的鐵路，列車以較高速度通過隧道時(shí)會(huì)產(chǎn)生空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，從而對列車、旅客和隧道洞口周圍環(huán)境產(chǎn)生不良影響。當(dāng)洞口附近有建筑物或特殊環(huán)境要求時(shí)，為了減緩此效應(yīng)產(chǎn)生的影響，高速鐵路隧道設(shè)計(jì)中多采用緩沖結(jié)構(gòu)。國內(nèi)學(xué)者通過模型試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算及現(xiàn)場測試等手段進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和研究［1～5］，研究成果對洞口緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了支持。本文結(jié)合云桂線孟村隧道出口端的設(shè)計(jì)實(shí)例，就緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的具體做法進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1 空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)基本原理

列車高速進(jìn)入隧道，前方的空氣受到擠壓，產(chǎn)生初始?jí)嚎s波，此波以近似音速的速度沿隧道向前傳播，隨著列車駛?cè)胨淼篱L度增加，隧道內(nèi)的壓力也不斷增大，壓縮波的前鋒壓力梯度也隨著增強(qiáng)，直到列車全部進(jìn)入隧道一段時(shí)間后為止，當(dāng)壓縮波傳至隧道出口，驟然膨脹，形成一個(gè)被稱為“微氣壓波”的脈沖波，此脈沖波自隧道出口向周圍地區(qū)輻射，發(fā)出爆炸聲，并使得附近房屋的門窗、百葉窗等急劇震動(dòng)，發(fā)出嘎啦的響聲。圖1為列車通過隧道時(shí)產(chǎn)生空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)過程示意圖。

圖1 列車通過隧道產(chǎn)生空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)示意

微氣壓波的影響因素主要有列車速度、車頭形狀、車頭長細(xì)比、隧道的阻塞比、隧道長度、隧道內(nèi)部條件(如軌道結(jié)構(gòu)，有無豎井、斜井和橫通道等)和隧道出口地形等。其中，列車進(jìn)入隧道的速度和隧道阻塞比是最重要的兩個(gè)影響因素。隧道壓縮波的最大壓力梯度值與列車進(jìn)入隧道的速度的三次方成正比，而微氣壓波的峰值和壓縮波到達(dá)隧道出口時(shí)的最大壓力梯度大致成正比。

由于微氣壓波的大小和微氣壓波到達(dá)隧道出口時(shí)的壓力梯度大致成正比，目前采用的減緩微氣壓波措施的指導(dǎo)原則是減小微氣壓波的壓力梯度。在隧道方面采取的措施主要是在隧道洞口設(shè)置緩沖結(jié)構(gòu)和增大隧道斷面積。對于新建鐵路隧道，需要對增大隧道斷面積和修建緩沖結(jié)構(gòu)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、技術(shù)上的比較來確定。

2 洞口緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)

一般情況下，隧道洞口可不設(shè)置緩沖結(jié)構(gòu)。當(dāng)隧道洞口有建筑物或特殊環(huán)境要求時(shí)，可考慮設(shè)置緩沖結(jié)構(gòu)。隧道洞口緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)置應(yīng)考慮列車類型及長度、隧道長度、隧道凈空有效面積、隧道軌道類型、隧道洞口附近地形和居民情況因素。

研究人員針對微氣壓波現(xiàn)象，通過現(xiàn)場測試、模型試驗(yàn)、理論研究，總結(jié)了一套行之有效的緩解微氣壓波影響的方法。根據(jù)微氣壓波峰值控制指標(biāo)，表1中三種情況需設(shè)置緩沖結(jié)構(gòu)。

表1 洞口緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)［6］

3 針對隧道方面緩解空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的措施

3.1 隧道凈空有效面積

我國高速鐵路隧道在綜合考慮緩解空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)和各種安全預(yù)留空間要求，規(guī)定相應(yīng)的隧道凈空有效面積為：

設(shè)計(jì)行車速度為250 km/h時(shí)，單線隧道軌頂面以上凈空橫斷面面積不宜小于58 m2，雙線隧道凈空橫斷面面積不宜小于90 m2。

設(shè)計(jì)行車速度為300 km/h～350 km/h時(shí)，單線隧道軌頂面以上凈空橫斷面面積不宜小于70 m2，雙線隧道凈空橫斷面面積不宜小于10 m2。

根據(jù)國外的工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)阻塞比小于0.15且凈空有效面積大于71 m2時(shí)，可以不在洞口設(shè)置緩沖結(jié)構(gòu)；阻塞比大于0.18且內(nèi)凈空面積小于64 m2時(shí)，則必須提高列車的密封性能。

3.2 洞門型式的確定

傳統(tǒng)鐵路隧道洞門型式基本上以端墻式、翼墻式、臺(tái)階式和柱式為主，這些洞門型式的設(shè)計(jì)理念均建立在擋土墻理論基礎(chǔ)上，對地表破壞較大，不利于目前所倡導(dǎo)的環(huán)境保護(hù)要求，對隧道與周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)亦考慮較少。高速鐵路隧道洞門除了考慮結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全之外，還應(yīng)選擇與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)，采用有利于緩解空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的洞門形式，靠近城市或風(fēng)景區(qū)的隧道洞門宜結(jié)合景觀進(jìn)行設(shè)計(jì)，必要時(shí)可根據(jù)洞門形式適當(dāng)設(shè)置緩沖結(jié)構(gòu)，減小微氣壓波對洞口周圍居民和建筑物的影響。

高速鐵路隧道洞門考慮的主要因素有：(1)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；(2)消減微氣壓波效果；(3)施工方便性；(4)地形地質(zhì)條件適應(yīng)性。

高速鐵路隧道考慮空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，常采用切削式洞門結(jié)構(gòu)作為緩沖結(jié)構(gòu)的洞門型式［4］。

3.3 隧道洞口設(shè)置緩沖結(jié)構(gòu)

在隧道洞口處設(shè)置緩沖結(jié)構(gòu)是緩解隧道洞口微氣壓波最基本的一種方法。按照其周壁有無開口，緩沖結(jié)構(gòu)可以分為無開口緩沖結(jié)構(gòu)和開口緩沖結(jié)構(gòu)；按照其母線情況，緩沖結(jié)構(gòu)可分為斷面擴(kuò)大型緩沖結(jié)構(gòu)(母線和隧道軸線平行)和喇叭型緩沖結(jié)構(gòu)。緩沖結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)是母線形狀、位置，長度和橫斷面大小，如果其頂部或側(cè)面存在開口，則開口面積及位置設(shè)計(jì)也是非常重要的。

對于無開口的緩沖結(jié)構(gòu)，當(dāng)緩沖結(jié)構(gòu)長度小于隧道斷面的等效直徑時(shí)，微氣壓波的峰值壓力隨緩沖區(qū)的增加而減小；當(dāng)長度大于一倍隧道斷面的等效直徑長度時(shí)，則不會(huì)進(jìn)一步減低，所以緩沖結(jié)構(gòu)長度一般取為一倍隧道斷面的等效直徑(或略大于)。緩沖結(jié)構(gòu)橫截面積的大小的選取則要考慮兩個(gè)區(qū)段產(chǎn)生的微氣壓波的比較情況。因?yàn)殡S著緩沖結(jié)構(gòu)斷面的擴(kuò)大，列車進(jìn)入該區(qū)段所產(chǎn)生的微氣壓波減小了，可是在由緩沖結(jié)構(gòu)段進(jìn)入隧道時(shí)就會(huì)產(chǎn)生較高的微氣壓波。

開口型緩沖結(jié)構(gòu)的微氣壓波減緩效果通常要好于無開口緩沖結(jié)構(gòu)，開口面積大小和位置對減緩效果有重要影響。

若取緩沖結(jié)構(gòu)的橫斷面積與隧道截面相同，通過在緩沖結(jié)構(gòu)頂部開口起緩沖作用，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)有兩個(gè)：緩沖結(jié)構(gòu)長度和開口率。通常情況下，緩沖結(jié)構(gòu)長度越長，起到的減緩作用越明顯。

喇叭型緩沖結(jié)構(gòu)是一種變截面的緩沖結(jié)構(gòu)，其縱向可采用直線型母線和曲線型母線。

緩沖結(jié)構(gòu)形式應(yīng)從實(shí)用美觀出發(fā)，結(jié)合洞口附近的地理環(huán)境確定。一般情況下，洞口緩沖結(jié)構(gòu)宜采用與隧道襯砌輪廓形式相似的開孔式結(jié)構(gòu)，也可采用其他結(jié)構(gòu)形式。

3.4 緩沖結(jié)構(gòu)開孔及長度

兩側(cè)開孔或頂部開孔的緩沖結(jié)構(gòu)比同全封閉的緩沖結(jié)構(gòu)具有更好的降壓效果。緩沖結(jié)構(gòu)的開口處，最大有效面積為隧道內(nèi)軌頂面以上凈空面積的1.4～1.5倍。開孔面積為隧道凈空橫斷面面積的1/5～1/3時(shí)，會(huì)取得較好的降壓效果。

緩沖結(jié)構(gòu)長度過短起不到降低微氣壓波的作用，過長則其降低微氣壓波的作用提高很小。緩沖結(jié)構(gòu)長度以在隧道斷面水力直徑至50 m范圍內(nèi)為好。

4 工程實(shí)例

4.1 工程概況

云桂高鐵孟村隧道全長10 068 m，設(shè)計(jì)為200 km/h預(yù)留250 km/h條件客貨共線雙線隧道，位于云南省文山州富寧縣境內(nèi)。洞口附近建筑物主要有孟村小學(xué)(距離洞口約70 m)及孟村村莊(距離洞口約150 m)，出口平面地形如圖2所示。為減緩高速列車通過隧道產(chǎn)生空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的不良影響，在孟村隧道出口設(shè)計(jì)了緩沖結(jié)構(gòu)。

4.2 緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以下將從孟村隧道出口緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)置的必要性、緩沖結(jié)構(gòu)位置、截面形式、緩沖結(jié)構(gòu)開孔及長度、洞門形式的選擇等方面對緩沖結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。

圖2 孟村隧道出口段平面地形

4.2.1 緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)置的必要性

根據(jù)我國客運(yùn)專線雙線隧道斷面的情況，阻塞比小于0.15，內(nèi)凈空有效面積不小于80 m2，原則上一般雙線隧道洞口可不設(shè)緩沖結(jié)構(gòu)。孟村隧道滿足上述條件，但是在隧道出口離小學(xué)校園較近(距離洞口約70 m)，而且附近不遠(yuǎn)有大片的居民區(qū)這樣的特殊環(huán)境下，為滿足校園安靜的教學(xué)環(huán)境要求及避免噪音擾民，考慮在洞口處適當(dāng)設(shè)置緩沖結(jié)構(gòu)。

4.2.2 緩沖結(jié)構(gòu)位置

孟村隧道出口仰坡較平緩，洞口右側(cè)緊鄰小學(xué)校園及大片居民區(qū)，且323國道在出口處穿越線路，經(jīng)綜合各方面因素考慮接長明洞，即出口段DK326+423～DK326+447段采用偏壓明洞，DK326+447～DK326+465段設(shè)緩沖構(gòu)筑物，DK326+465～DK326+480段設(shè)洞口斜切段。孟村隧道出口段縱斷面詳見圖3所示。

圖3 孟村隧道出口段縱斷面(單位：cm)

4.2.3 洞門形式

孟村隧道出口洞門設(shè)計(jì)采用帽檐斜切式洞門，斜切式洞門消減空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)有效率隨著斜切洞門斜率的減小而減小，從性價(jià)比來看，一般取斜切面1∶1或1∶1.25較好。為與全線洞門統(tǒng)一，本處斜切面取1∶1.25。

4.2.4 緩沖結(jié)構(gòu)截面形式

緩沖結(jié)構(gòu)截面形式分為等截面和變截面兩種。本設(shè)計(jì)選擇等截面緩沖結(jié)構(gòu)，緩沖結(jié)構(gòu)內(nèi)輪廓與隧道襯砌內(nèi)輪廓相同(凈空有效面積93 m2)，以便與斜切段和偏壓明洞段銜接，不需設(shè)置過渡段，施工可采用同一架臺(tái)車，簡化施工過程及減少造價(jià)。緩沖結(jié)構(gòu)橫斷面見圖4。

圖4 緩沖結(jié)構(gòu)橫斷面(單位：cm)

4.2.5 緩沖結(jié)構(gòu)長度及開孔

緩沖結(jié)構(gòu)采用開孔等截面結(jié)構(gòu)，長度為18.0 m，在隧道斷面水利直徑(本處設(shè)計(jì)為10.8 m)至50 m范圍內(nèi)；拱頂開孔，單孔尺寸3.2 m(長)×2.6 m(寬)，開孔間距為3.0 m，共開孔3個(gè)，開孔面積為隧道凈空有效面積的26.8%，位于1/5～1/3比例范圍，有較好的降壓效果。緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)詳見圖 5、圖 6。

圖5 緩沖結(jié)構(gòu)平面(單位：cm)

圖6 緩沖結(jié)構(gòu)縱斷面(單位：cm)

5 結(jié)束語

基于以上分析及孟村隧道出口緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可得以下結(jié)論。

(1)孟村隧道出口采用開孔等截面緩沖結(jié)構(gòu)和帽檐式斜切洞門，充分結(jié)合了洞口環(huán)境要求，設(shè)計(jì)美觀大方，和洞口地貌渾然一體，起到良好的緩沖作用。

(2)緩沖結(jié)構(gòu)采用開孔等截面結(jié)構(gòu)，內(nèi)輪廓與洞口偏壓明洞及斜切段內(nèi)輪廓相同，可采用同一架臺(tái)車模筑，施工相對簡單，并可減少造價(jià)。

(3)孟村隧道出口緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)長度及開孔率合理，有較好的降壓效果。云桂高鐵已于2016年底開通運(yùn)營，隧道洞口緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期效果，未產(chǎn)生噪聲污染影響附近居民及學(xué)校環(huán)境。