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高速铁路隧道空气压力波传播特性及微气压波缓解措施研究
| 论文题名： | 高速铁路隧道空气压力波传播特性及微气压波缓解措施研究 |
| 关键词： | 高速铁路;隧道气动效应;空气压力波;传播特性;微气压波;缓解措施 |
| 摘要： | 当高速列车驶入隧道时，列车与隧道间空气受到剧烈挤压，在隧道内形成往复传播的空气压力波，初始压缩波传播至隧道洞口产生微气压波。随着列车运营速度的不断提高，隧道洞口微气压波气动效应愈加显著，严重时会在隧道洞口附近轻型结构（如门、窗等）及人体腔体形成共振，危害建筑物安全及居住者身心健康。揭示隧道净空面积、洞口连接段等因素影响下隧道压力波传播特性及微气压波幅值的变化规律，明确常见缓解结构型式及长大隧道内辅助坑道对隧道气动效应的缓解效果，对于高速铁路隧道设计至关重要。 本文针对高速铁路250km/h~350km/h速度级下的隧道气动效应相关问题，围绕洞内压力波、洞口微气压波传播特性及其缓解措施开展了一系列数值仿真模拟及实车测试试验研究。分析了高速铁路250km/h~350km/h速度级下隧道空气压力波及洞口微气压波的传播特性，揭示了隧道净空面积、洞口连接段等因素对初始压缩波压力峰值、压力梯度峰值及洞口微气压波幅值的影响规律。随后，基于国内外缓解结构型式及微气压波缓解措施调研分析，研究了隧道洞口常见缓解结构型式及长大隧道内辅助坑道对隧道气动效应的缓解效果。 （1）量化研究了高速铁路250km/h~350km/h速度条件下，不同隧道净空面积对隧道压力波及微气压波幅值的影响规律。当列车以同一速度通过不同净空面积隧道时，隧道进口测点50m处的首波压力峰值与隧道净空面积为1.2次幂函数关系，首波压力梯度峰值与隧道净空面积为1.5次幂函数关系。微气压波增幅相对隧道出口处首波压力梯度峰值增幅有限，当列车速度为250km/h，隧道净空面积从92m2减小至60m2时，洞内压力梯度峰值增幅为85.2%、洞口微气压波增幅为23%。当列车速度为300km/h，隧道净空面积从100m2减小至80m2时，洞内压力梯度峰值增幅为39.4%、洞口微气压波增幅为11.8%。当列车速度为350km/h，隧道净空面积从100m2减小至80m2时，洞内压力梯度峰值增幅为40.0%、洞口微气压波增幅为13.7%。 （2）结合Yamamoto微气压波计算模型与数值模拟方法，量化研究了隧道洞口连接段的空间立体角对微气压波幅值的影响规律。路堤连接段高度为0m~20m时，路堤空间立体角Ω(20m)从1.57π变化至1.73π，隧道洞口20m处微气压波降幅为12.7%。路堑连接段高度为0m~20m时，路堑空间立体角Ω(20m)从1.57π变化至1.42π，隧道洞口20m处微气压波增幅为23.5%。桥梁连接段高度为0m~50m时，桥梁空间立体角从1.57π变化至2.00π，隧道洞口20m处微气压波降幅为22.6%。 （3）明确了不同速度条件下隧道洞口常见缓解结构型式对微气压波幅值的缓解效果。研究发现，开孔位置对微气压波缓解效果影响明显，对于文中测试缓解结构型式，当进出口缓解结构开孔率一致时（开孔率均为9.0%），顶部开孔的缓解结构对微气压波幅值的缓解率为侧面开孔的1.42倍。当开孔位置为顶部时，延长缓解结构长度对洞口微气压波的缓解效果更明显，测试长度为38m的缓解结构（顶部开孔率为9.0%）对微气压波幅值缓解率可达77.1%。 （4）结合现场实车试验，揭示了长大隧道内辅助坑道对隧道气动效应的影响规律。在无砟轨道板下，隧道长度超过1.5km时，需要考虑隧道长度对微气压波的“激化”作用。对数据进行无量纲处理后，微气压波幅值与列车速度及隧道长度关系式为p?1.065·Cp·v*3·L*2。传播距离约为11.0km时压力梯度峰值达到最大值，当辅助坑道位于首波压力梯度峰值达到最大值位置之前时，辅助坑道能够有效降低首波压力梯度峰值及微气压波幅值；反之，辅助坑道位于首波压力梯度峰值达到最大值位置之后，辅助坑道的缓解效果十分有限。对于论文测试的长大隧道，辅助坑道对首波压力梯度峰值最大缓解率为27.5%。 |
| 作者： | 王辰 |
| 专业： | 岩土工程 |
| 导师： | 马伟斌 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 中国铁道科学研究院 |
| 学位年度： | 2023 |
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