德國高速鐵路隧道微壓波的預(yù)測與評估方法

侯娜娜

摘要：高速鐵路隧道微壓波的形成包含三個過程，即列車進(jìn)入隧道瞬間產(chǎn)生的初始壓縮波、初始壓縮波在隧道內(nèi)傳播變形以及到達(dá)出口處向隧道外輻射。文章按照微壓波的形成過程，介紹了德國預(yù)測微壓波的方法及其評估準(zhǔn)則，為我國高速鐵路隧道微壓波的研究及評估提供借鑒。

關(guān)鍵詞：高速鐵路;隧道;微壓波;預(yù)測;評估

中圖分類號：U238 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.038

文章編號：1673-4874（2019）10-0135-04

0引言

高速列車進(jìn)入隧道時產(chǎn)生壓縮波，壓縮波在隧道內(nèi)傳播并在隧道出口處向外輻射，強(qiáng)度較大時產(chǎn)生微壓波。隨著高速列車速度的不斷提高，從隧道洞口向外輻射的微壓波給高速鐵路沿線附近的居民造成了極大的困擾，主要體現(xiàn)在隧道洞口的“音爆”、房屋窗框的振動等。因此，需要可靠的方法準(zhǔn)確預(yù)測微壓波的幅值并明確微壓波的閾值，從而在高速鐵路隧道的初始設(shè)計階段，采取有效的措施降低由微壓波產(chǎn)生的輻射噪聲。本文按照微壓波的形成過程，介紹了德國預(yù)測微壓波的方法及其評估準(zhǔn)則。

1微壓波的預(yù)測

1.1 微壓波的產(chǎn)生

高速列車頭部駛?cè)胨淼浪查g，在車頭前形成初始壓縮波。初始壓縮波以近似聲速的速度向隧道出口端傳播，到達(dá)出口端時，大部分波向隧道內(nèi)反射形成膨脹波，小部分波向洞外輻射出去，形成脈沖波。如果脈沖波強(qiáng)度足夠大時，會產(chǎn)生音爆聲，即為“微壓波”。微壓波的產(chǎn)生過程如圖1所示。如果不采取減緩措施，即使在遠(yuǎn)離隧道洞口的地方也能清晰地聽到音爆聲。音爆聲與微壓波的頻譜和脈沖的幅值緊密相關(guān)，當(dāng)持續(xù)時間短且振幅較大時，微壓波容易被聽到。

1.2 初始壓縮波的模擬

初始壓縮波可通過實車試驗、動模型試驗和數(shù)值模擬方法獲得。M.Hieke采用CFD軟件ANSYS-CFX12模擬計算了初始壓縮波的壓力變化和壓力梯度。列車和隧道參數(shù)如表1所示。圖2表示列車進(jìn)入不同形狀的隧道端口時，所產(chǎn)生的初始壓縮波的壓力變化和壓力梯度。

從圖2可以看出，列車進(jìn)入不同形狀的隧道入口時，產(chǎn)生的壓力幅值幾手相等，但壓力梯度差異較大。列車進(jìn)入直切式洞口產(chǎn)生的壓力梯度最大，這是由于列車突然進(jìn)入隧道，壓縮波的上升時間最短，致使壓力梯度最大。斜切式洞門及帶緩沖結(jié)構(gòu)的隧道延長了列車進(jìn)入隧道的時間，故壓力梯度值減小。70m長的緩沖結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大壓力梯度值大于50m長的緩沖結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大壓力梯度值，因此，并非是緩沖結(jié)構(gòu)越長，壓力梯度值越小。此外，在緩沖結(jié)構(gòu)上開窗可調(diào)整初始壓力波的形狀，通過改變開口的大小、位置，可進(jìn)一步調(diào)整初始壓縮波的波形。

1.3 壓縮波在隧道內(nèi)傳播的模擬

壓縮波在隧道內(nèi)傳播通常采用一維傳播模型計算，但在摩擦損失的建模方式上有所不同。德國鐵路公司開發(fā)了一種包含定常流動和非定常流動的計算方法，該方法將一維歐拉方程中的準(zhǔn)定常項和非定常摩擦項用下列公式表示：

λ和ε與隧道結(jié)構(gòu)和軌道類型密切相關(guān)，其值須通過實車試驗獲得。德國在英格爾施塔特至紐倫堡高速鐵路上的Euerwang隧道進(jìn)行了試驗，試驗條件如表2所示。

圖3表示Euerwang隧道各個測點處最大壓力梯度的實驗值與模擬值的對比。圖4表示Euerwang隧道內(nèi)六個測點處數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果波形對比圖，從圖中可以看出，壓縮波在隧道內(nèi)傳播，壓力梯度逐漸增大。

通過調(diào)整入和ε的取值，使得數(shù)值模擬結(jié)果與實車試驗結(jié)果具有良好的一致性。研究結(jié)果表明，當(dāng)λ=0.04，λ≤4，時，數(shù)值吻合較好。在日本，λ和ε的取值分別為λ=0.04和9<ε<11，可能是由于德國和日本的板式軌道結(jié)構(gòu)形式存在差異，影響了壓力波的傳播過程。

1.4微壓波的模擬

Ozawa給出了隧道出口處的壓縮波的壓力梯度和向洞外輻射的微壓波之間的函數(shù)關(guān)系，即微壓波的強(qiáng)度△p（t）：

計算微壓波的強(qiáng)度，需要選擇合適的立體角Ω，而立體角與隧道出口周圍的環(huán)境緊密相關(guān)。德國在現(xiàn)有的高速鐵路線上進(jìn)行了多次實車試驗，通過對比數(shù)值模擬結(jié)果與實車試驗結(jié)果，找出空間立體角的最佳值。

以Euerwang隧道為例，介紹空間角的選取過程。Euerwang隧道南端是帽檐斜切式隧道端口，半開放式的周圍環(huán)境，北端是擋土墻式洞口，隧道端口形狀如圖5所示。

圖6、圖7分別給出了Euerwang隧道南北端口立體角的取值。由微壓波強(qiáng)度的計算公式可知，微壓波強(qiáng)度與立體角成反比，即立體角越小，微壓波強(qiáng)度越大。從圖6、圖7可知，距隧道端口50m處的立體角最小。也就是說，在隧道設(shè)計階段應(yīng)選取S=50m處壓力梯度對應(yīng)的立體角，估算微壓波的值。

Euerwang隧道北入口的最小立體角Ω≈1.5，而南入口的最小立體角Ω≈π，這就意味著在壓力梯度相同的情況下，與隧道洞口外開放的環(huán)境相比，狹窄的洞外環(huán)境產(chǎn)生的微壓波強(qiáng)度更大。對于擋墻式隧道出口環(huán)境，微壓波主要沿著擋墻傳播，小部分波向擋墻外輻射，距隧道端口25m處的輻射角大于50m處的輻射角，肩部傳播規(guī)律與底部傳播規(guī)律略有不同。

2微壓波的評估

德國鐵路公司開展了一系列關(guān)于如何評估和限制微壓波排放的研究。目的是排除對短暫停留在隧道入口附近工作人員健康的負(fù)面影響;避免在隧道口發(fā)生強(qiáng)烈的音爆現(xiàn)象，困擾附近的居民;排除微壓波對建筑物結(jié)構(gòu)的影響以及由微壓波低頻波振動誘發(fā)的次聲波的影響。同時，制定了下列限制條件：

（1）遵守德國立法，包括防止損害環(huán)境影響的一般要求。

（2）與德國交通噪聲保護(hù)條例及其噪聲控制的限值相協(xié)調(diào)。

（3）遵守考慮了職工健康和安全因素的歐洲條例2003/10/C及其衍生出的國家條例。

基于上述要求，制定了微壓波的限制標(biāo)準(zhǔn)：

（1）接近隧道口的噪聲限制

為了防止聽力損傷，歐洲噪音條例2003/10/EC規(guī)定C計權(quán)聲壓峰值應(yīng)<135dB（C）。即使C計權(quán)聲壓級在鐵路噪聲評估方面運(yùn)用不是非常普遍，但考慮到大多數(shù)微壓波為低頻波（<100Hz），甚至是次聲波（<20Hz）。基于這一規(guī)定：

①距隧道出口25m且距鋼軌面1.2m高處的C計權(quán)聲壓峰值應(yīng)≤115db。

②在隧道口的任何位置，聲暴級山L必須≤135dB（C）?；谠撓拗?，避免了由建筑物振動誘發(fā)的二次聲學(xué)效應(yīng)，排除了微壓波對附近建筑物的隱形損害。

（2）隧道附近居民區(qū)的噪聲限制

在隧道附近的建筑區(qū)域內(nèi)有一套基于C計權(quán)聲暴露級的噪聲防護(hù)指令。無論白天或夜晚，隧道口附近建筑物距地面3.5m高處的C計權(quán)聲暴露級不應(yīng)超過下列規(guī)定：

①醫(yī)院、學(xué)校、療養(yǎng)院、養(yǎng)老院、居民區(qū)，C計權(quán)聲暴露級應(yīng)≤70dB（C）。

②公園區(qū)域，C計權(quán)聲暴露級應(yīng)≤85dB（C）。

③工業(yè)區(qū)域，C計權(quán)聲暴露級應(yīng)≤95dB（C）。

這些規(guī)定可使居民受到保護(hù)，免受微壓波造成的重大干擾。

根據(jù)德國交通噪聲保護(hù)條例，應(yīng)對隧道端口附近的微壓波進(jìn)行A計權(quán)聲暴露級評估，結(jié)果顯示微壓波的影響很小，可忽略不計。

3 結(jié)語

本文給出了ICE3列車以300km/h的速度進(jìn)入直切式、斜切式洞門經(jīng)過25m、50m、70m長的緩沖結(jié)構(gòu)時初始壓縮波壓力變化和壓力梯度的變化曲線。通過對比數(shù)值模擬結(jié)果和實車試驗結(jié)果，得出了初始壓縮波在鋪設(shè)Rheda 2000型板式軌道的隧道中傳播時，摩擦系數(shù)λ=0.04，粗糙度ε≤4以及微壓波在不同的隧道出口環(huán)境下立體角的取值。并介紹了德國高速鐵路評估微壓波的準(zhǔn)則。

隨著我國高速鐵路的發(fā)展，列車速度不斷提高，隧道微壓波問題也逐漸凸顯。因此，正確地模擬微壓波并制定合理的評估準(zhǔn)則，在隧道初始設(shè)計階段具有重要的意義，希望本文介紹的德國研究成果對我國相關(guān)從業(yè)人員具有一定的參考意義。