高速铁路隧道洞口微气压波计算模型的修正

隧道洞口微气压波随列车运行速度提高显著提升,可能影响周围建筑及居民。隧道洞口微气压波与隧道内压力波首波压力梯度密切相关。根据实车测试数据,分析隧道内不同位置压力梯度,修正了辐射立体角模型（Radiation Solid Angle Model,RSA）,给出模型关键参数空间立体角的取值方法。结果表明：列车以350 km/h通过无砟轨道隧道时,从隧道入口至隧道中心附近压力波首波压力梯度逐渐提高;采用随机森林方法分析RSA模型参数特征权重并修正模型,修正后的RSA模型相对原模型对隧道洞口微气压波压力峰值的计算精度更高。提出了采用无人机或测距仪等设备测量计算隧道洞口空间立体角的三种方法。     

套衬对隧道空气动力学效应的影响研究

基于有限体积法,采用流体动力学计算软件建立动车组通过带有套衬隧道的空气动力学模型,运用滑移网格技术数值模拟了动车组通过隧道时的三维非定常可压缩外流场,分析套衬位置和厚度对车体表面、隧道壁面压力的影响,并与试验结果进行了对比。研究结果表明:套衬位于隧道入口时,车体表面压力变化最大,比无套衬时增加6.58%,套衬位于隧道出口时,车体表面的压力变化最小;套衬位置对隧道内压力分布规律影响较小,隧道壁面压力变化最大值均出现在距进口1 492 m附近,套衬位于隧道入口时,大多数监测点的压力均最大,套衬位于隧道出口时,隧道壁面大多数监测点的压力相对较小;相对于无套衬时,压力变化最大值增幅为2.44%,降幅可达2.03%;随着套衬厚度的增加,隧道壁面、车体表面压力变化最大值不断增加,比无套衬时分别增加约4.39%和7.90%。     

高速铁路隧道洞口微气压波减缓措施效果研究

研究目的:为在设计阶段达到有效降低微气压波对隧道洞口周围环境影响的目的,采用三维数值模拟对包括洞口缓冲结构、洞身辅助坑道和隧道群开口连接明洞在内的高速铁路隧道洞口微气压波减缓措施效果进行研究。研究结论:(1)喇叭口式和扩大常截面式缓冲结构的缓解效果要明显优于直线斜切式和等截面开口式缓冲结构;(2)提出了辅助坑道的缓解效果的表征公式,设计人员可利用其确定辅助坑道的数量和面积;(3)明线间距较小的隧道群可采用开口连接明洞缓解微气压波,连接明洞开口应遵循"多开口、开小口"的原则;(4)多种微气压波减缓措施联合作用下可多阶段地缓解微气压波;(5)本研究成果可为高速铁路隧道微气压波缓解措施的设计工作提供指导。     

单线高速铁路隧道入口缓冲结构几何外形优化设计

以单线高速铁路隧道入口线性喇叭型缓冲结构作为研究对象,采用3次NURBS曲线拟合其入口形状,提取控制缓冲结构几何外形的9个设计参数。利用有限差分方法分析各个参数的灵敏度,发现缓冲结构的上下边界长度和入口高度对微气压波最为灵敏,而缓冲结构入口形状对其敏感度最小。采用计算流体力学方法、支持向量机模型和蚁群优化算法,开展以降低微气压波为优化目标的缓冲结构几何外形优化设计,得到适用于单线高速铁路隧道的线性喇叭型缓冲结构外形。与无缓冲结构相比,采用优化设计得到的缓冲结构,微气压波降低约42.1%,单车通过隧道时的车外压力波动幅值减少约9.4%。通过分析线性喇叭型缓冲结构上下边界的长度、入口高度和底部宽度对微气压波的影响,发现这4个设计参数与微气压波呈近似的线性关系,各设计参数间的耦合作用不明显,在实际工程设计中,可单独考虑各设计参数的影响。     

艰险山区客运专线铁路隧道缓冲结构研究

高速列车进出隧道形成的压力波带来乘客舒适度下降、隧道洞口噪声污染、威胁隧道洞口建筑物安全等多种不利影响。为了深入研究高速铁路隧道洞口微压波特性,确定各种缓冲结构在控制微压波方面的效果,提出缓冲结构设计的合理方案。通过模拟实验和数值分析,对主要缓冲结构设置形式进行了分析,并针对艰险山区隧道洞口提出了缓冲结构设计的合理方案。     

某特长水下隧道气动效应试验研究

采用CRH2-061C动车组,以180～320km.h-1速度往返运行,对某特长水下隧道下行线进行气动效应试验研究。研究结果表明:隧道内瞬变压力、列车风、气动载荷和隧道洞口微气压波值均随着车速的增加而增加,车厢内舒适度随着车速的增加而减少;隧道南口的微气压波值、首波压力梯度均小于北口,这主要是由于南、北口的缓冲结构型式存在差异;隧道内附属设施受到的气动荷载、车内气压3s变化值均在相关标准的要求值之内;车速大于250km.h-1时,乘员有耳鸣和不舒适感。根据研究结果提出如下建议:CRH2-061C动车组通过该隧道的合理速度为260km.h-1;开启隧道内联络通道或布置吸能材料以衰减压力波的传播能量;研究制订复合型舒适度控制标准。     

空腔结构对高速磁浮隧道压力波的影响研究

随着我国更高速铁路交通系统建设的推进,车/隧耦合空气动力效应急剧增强,如何有效缓解车/隧耦合下的压力波幅值成为众多学者研究的难题之一。为缓解隧道压力波,常在隧道口设置缓冲结构,并根据隧道横截面积和列车运行速度确定相关参数。然而,因隧道外部现有地形和空间环境的限制,无法在洞口设计长距离、大范围的缓冲结构或者对现有缓冲结构进行改造扩建。针对此类问题,提出一种具有空腔结构的新型隧道结构。采用三维、非定常、可压缩N-S方程和标准k-ε湍流模型,结合滑移网格技术,研究时速600 km磁浮列车通过横截面积92 m2的单线隧道时的隧道壁面瞬变压力和微气压波,探明隧道内部空腔结构对初始压缩波传播特性的影响规律以及对隧道瞬变压力和微气压波的缓解效果。开展动模型试验、网格精度无关性和算法无关性验证数值计算方法的正确性。研究结果表明：空腔结构使得进入隧道内部的气流流经透孔并在空腔内产生反射,通过耗散压缩波强度来抑制压缩波压力梯度的上升,从而对隧道壁面压力和隧道出口微气压波具有明显的减缓作用。相比于现有隧道,具有空腔结构的新型隧道对隧道入口140 m处的壁面压力幅值减缓作用达13.1%,对隧道出口20 m处的...     

某高速铁路隧道衬砌缺陷整治方案研究

为研究隧道衬砌缺陷的治理措施,以某既有高速铁路隧道为背景,对隧道衬砌缺陷部位进行无损检测和缺陷分析。通过检测发现,因施工控制问题引起的缺陷主要有:二次衬砌厚度不足、二衬内为单层钢筋或钢筋缺失、混凝土衬砌强度不足、二次衬砌与初期支护之间存在空洞、防水板切割二衬混凝土、混凝土表面存在环向裂缝等。通过分析研究,确定了钢筋混凝土套衬补强整治方案,并通过数值模拟计算的方法得到钢筋混凝土套衬结构的安全系数为2. 8,裂缝宽度为0. 107 mm,满足行车安全需求。实践证明,这种钢筋混凝土套衬整治方法使用范围广,施工过程中对既有二衬的强度影响小,可在不中断线路运营的情况下,对隧道进行整治。     

日本新干线隧道缓冲结构技术

日本是世界上较早研究高速铁路隧道洞口微气压波问题以及减缓措施的国家,在新干线建设和运营过程中积累了比较丰富的工程技术经验。本文全面调研了日本新干线隧道缓冲结构设置的原则、类型,主要技术指标或参数,特别是新干线提速过程中遇到的隧道空气动力学问题和处理对策,以期对于我国400 km/h及以上高速铁路的建设提供借鉴。     

400 km/h高铁隧道出入口缓冲结构开口率对微压波影响研究

随着高速列车运行时速的提升,车-隧气动效应加剧、微压波超限问题愈发严重。以往研究表明,隧道洞口设置缓冲结构是解决微压波问题的有效手段之一,但是随着隧道长度增加、列车时速提升,仅以入口缓冲结构作为标准的设计方法存在一定局限性。并且国内外的研究重点更多集中在入口缓冲结构,对出口缓冲结构及隧道出入口均设置缓冲结构的设计方法研究相对较少。针对这一问题,利用控制容积法分析出口开口式缓冲结构的关键影响参数。基于LES湍流模型和动网格技术建立三维数值仿真模型,对关键参数的正确性做出验证。分析隧道出入口对称、非对称设置缓冲结构对微压波特性的影响,提出适用于单线和双线隧道的洞口开口式缓冲结构的设计方法。研究结果表明：1)隧道出口缓冲结构开口率是影响出口缓冲结构对微压波压力缓解效率的关键参数,开口率越大,微压波压力最大值越低;2)隧道入口以压力梯度为控制标准设置最优缓冲结构、隧道出口提高缓冲结构开口率的形式,在单线隧道缓冲结构设计中对微压波有更高的缓解率,出口缓冲结构开口率越大,对微压波压力缓解效率越高;3)双线隧道洞口开口式缓冲结构设计时,应当增加其总开口率,同时选择小面积、多个数的开口形式并在隧道出入...     

高速铁路隧道气动效应现场测试分析

通过现场测试高速铁路列车引起的隧道气动效应，分析列车速度、列车编组、隧道长度等因素对气动荷载、振动加速度和微气压波的影响。结果表明：列车通过隧道时，隧道壁面及附属设施表面气动荷载峰值与列车速度近似呈2次方关系；8编组列车通过较短隧道时气动荷载峰值大于通过较长隧道时，16编组列车则相反；控制箱左右两侧气动荷载峰值相差较小，顶底部气动荷载峰值相差明显；在隧道防护门中部气动荷载峰值大于上部和下部，上部和下部气动荷载峰值接近；隧道壁面无显著振动，隧道附属设施表面振动明显；在距隧道入口200 m处压力梯度峰值与列车速度呈3次方关系，列车运行速度超过一定值后，出口附近压力梯度峰值高于入口附近；隧道出口20 m处微气压波峰值与列车速度近似呈6次方关系。     

高速磁浮列车流线型头部拱形结构对列车与隧道耦合气动特性的影响

采用重叠网格方法,基于三维非定常可压缩的N-S方程和SST k-ω湍流模型,探索时速600 km/h高速磁浮列车流线型头部拱形结构参数对列车与隧道耦合气动特性的影响。分析单拱、双拱和三拱3种不同拱形结构列车穿越隧道时车体表面压力、初始压缩波、微气压波和气动升力。研究结果表明：头车拱形结构能有效改善高速磁悬浮列车的空气动力学参数,拱形结构参数对车体表面及隧道壁面最大压力峰值的影响较小,但对隧道内初始压缩波的影响较为明显,相比单拱磁悬浮列车,双拱磁悬浮列车和三拱磁悬浮列车通过隧道时,隧道内初始压缩波压力梯度分别减少5.67%和8.75%;磁悬浮列车拱形结构的增加对隧道出口的微气压波幅值也有缓解作用,相较单拱磁悬浮列车距隧道出口20 m处的微气压波峰值,双拱和三拱磁悬浮列车微气压波峰值分别减少10.9%和14.0%,相较单拱磁悬浮列车距隧道出口50 m处的微气压波峰值,双拱和三拱磁悬浮列车微气压波峰值分别减少12.5%和16.7%;拱形结构数量的增加使得头车和尾车的气动升力分配更加均衡,相较单拱磁悬浮列车,双拱磁悬浮列车头车和尾车的气动升力分别减少3.80%和增加6.19%,三拱磁悬浮列车头...     

寒区隧道洞内温度场分布规律及防寒设计探讨

为探究寒区隧道冻害机理,以吉图珲高铁沿线10座隧道为依托,结合现场长期实测数据和数值模拟实验,提出寒区隧道洞内温度场分布规律及计算方法。研究结果表明：隧道洞内空气温度场可采用二次抛物线来拟合和计算,其主要控制参数包括隧道长度、隧道洞口基准温度、隧道洞口温度增长梯度和隧道洞内平均风速;隧道衬砌结构具有较好的短波滤波特性,能够很好地过滤掉衬砌表面日温度的波动变化;隧道衬砌背后温度与衬砌表面5日平均温度曲线基本一致,可据此确定隧道钢筋混凝土衬砌设置长度;无保温层情况下,隧道二衬壁面温度与初支-二衬接触面温度平均差值为2.2℃,当隧道内二衬壁面温度低于-2.2℃时,需设置保温层;有保温层情况下,隧道二衬壁面温度与初支-二衬接触面温度平均差值为10℃,当隧道内二衬壁面温度低于-10℃时,保温层的保温效果会将难于满足隧道防寒的要求,此时需与其他保温措施相结合。     

空气动力学临界隧道交会理论与仿真研究

根据压力波的传播、反射和叠加原理,提出了交会产生最大压力变化幅值的隧道长度和进入时差的快速算法,并通过三维仿真计算,对京沪高速铁路运营的长编组动车组350—350km/h临界隧道交会工况进行了计算,获得了该型动车组350km/h等速临界隧道交会时各部位压力波波形以及变化幅值的量值。     

基于压缩波理论隧道内动车组表面压力极值研究

采用计算流体力学软件FLUENT,在建立3种型号动车组通过隧道和隧道内交会时的空气动力学模型并验证的基础上,分析动车组以不同速度等级在不同净空面积隧道内通过和等速交会时车体表面压力极值;在仿真计算基础上,基于压缩波理论计算公式,给出动车组隧道内通过和等速交会时车体表面压力极值的修正因子.结果表明:仿真计算结果与实车试验...     

运营铁路隧道衬砌施工冷缝缺陷综合整治技术

随着高速铁路隧道开通运营里程的增加,部分隧道由于受外力、地下水环境变化、施工工艺等因素影响,产生结构劣化,影响了运营安全.隧道病害整治措施的选择具有局限性,应尽量避免大拆大改,利用原结构进行加固、补强.本文通过对铁路运营隧道的冷缝病害分析,对套衬设计方案及施工技术进行研究,总结能够用于类似工程的相关措施,以有效降低运营...     

线间距和阻塞比对动车组空气动力学性能影响的分析

以现场试验为主,并辅以仿真计算,针对明线交会、隧道通过、隧道交会等典型工况,研究线间距和隧道截面积对动车组空气动力学及动力学性能的影响。研究表明:明线交会时,线间距从4.4m变化到5.0m对会车压力波有一定影响,但均交会压力波远小于车体容许气动载荷;隧道通过和隧道交会时,线间距对会车压力波影响较小,影响隧道空气动力学性能的主要因素为隧道截面积或阻塞比。线间距改变对动车组动力学性能影响主要体现在车体横向加速度,轮轨力和脱轨系数等指标未见显著变化。     

不同车高时速400公里高速列车对隧道初始压缩波的影响特征

高速列车驶入隧道时产生初始压缩波并向隧道出口方向辐射形成压力脉冲波,影响居民的身心健康,带来了严重的环境问题。文章以国内时速400公里的高速列车为研究对象,基于CFD（计算流体动力学）软件搭建三维数值模拟计算模型,研究高速列车驶入隧道时产生初始压缩波最大压力梯度值的时空演变过程,并分析比较不同车高和在隧道洞口增加缓冲结构对隧道初始压缩波的影响。模拟计算结果显示：车高越高,高速列车驶入隧道时产生的初始压缩波压力峰值越大,对应的最大压力梯度值也越大;隧道洞口设置缓冲结构时,不同车高对初始压缩波最大压力梯度值的影响规律与无缓冲结构情况下基本保持一致,但最大压力梯度值大幅下降。     

基于一维流动模型的高速列车隧道交会空气阻力数值模拟研究

应用一维可压缩非定常不等熵流动模型和广义黎曼变量特征线法,考虑列车交会诱发的空气压力和流速变化,提出高速列车隧道交会空气阻力的计算方法。研究中国标准动车组CR400AF隧道交会列车空气阻力变化规律,分析列车交会位置、隧道长度、阻塞比、列车运行速度和列车长度对列车空气阻力的影响。结果表明:在研究隧道内列车空气阻力和列车周围气流流动时必须考虑压缩波和膨胀波的传播方向,交会位置对平均列车空气阻力的影响较小;在隧道中央等速交会时,列车空气阻力随隧道长度、阻塞比和车速增大而增大,且这3者的影响程度依次增大;平均列车空气阻力与车速的2次方近似成正比,与阻塞比的0.67～0.75次方成正比,与隧道长度的0.01次方成正比;时速300～400km等级16辆编组高速列车的平均列车空气阻力约为8辆编组的1.65～1.70倍。     

隧道洞口间明洞连接技术探讨

研究目的:郑西客运专线为350 km/h的客运专线,当列车以高速通过隧道时产生的空气动力学效应对行车、旅客舒适度、列车相关性能和洞口环境的不利影响十分明显。本文通过对郑西客运专线两处隧道间明洞连接工程的技术探讨,研究出一种能确保洞口土体稳定、行车安全、避免空气动力学效应对乘客舒适度的影响的适用于隧道洞口间的结构。研究结论:(1)高速铁路隧道洞口仰坡过高及隧道洞口间距离小于50 m时应接长明洞,桩基明洞是一种适宜的结构形式,已经应用于郑西客运专线三门峡黄土隧道群段,取得了很好的效果;(2)"免拆混凝土纤维板内模接长高速铁路既有线明洞施工"工法,较好地解决了既有高速铁路隧道洞口接长明洞施工,能保证线路运营安全;(3)该研究成果可在运营线路上增建明洞时推广使用。