一种用于缓解高速铁路隧道洞口微气压波的缓冲结构

1.本发明涉及隧道空气动力学领域，尤其涉及一种用于缓解高速铁路隧道洞口微气压波的缓冲结构。


背景技术：

2.当高速列车进入隧道时，前方空气受到隧道壁的限制产生压缩波，在隧道出口处以微气压波的形式向外传播，引起隧道洞口音爆、隧道结构振动等一系列空气动力学问题。随着列车运行速度的不断提高，车/隧耦合空气动力学效应将更加明显，在隧道出口处产生的微气压波对周围环境带来的影响也更加严重。
3.现阶段，缓解微气压波的措施主要是在隧道入口处增设缓冲结构，而目前所采用的缓冲结构对微气压波的减缓有一定的作用，当列车运行速度达到400km/h时，现有缓冲结构下隧道洞口微气压波幅值已超过我国高速铁道隧道洞口微气压波标准值(tb 10761-2013)，并且受到地形、洞口环境等因素的影响，现有缓冲结构的缓解效果已经很难进一步提高。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种能有效提高高速铁路隧道洞口微气压波缓冲效果的缓冲结构。
5.本发明提供的这种用于缓解高速铁路隧道洞口微气压波的缓冲结构，包括设置在隧道入口处的缓冲结构本体，所述缓冲结构本体的外端面为斜切面，在缓冲结构本体与隧道净空之间套设有拱形板，所述拱形板的轴线与隧道轴线相重合布置，所述拱形板和缓冲结构本体与隧道外端面对接形成外端开口、内端封闭的减压区，在拱形板上开有多个与减压腔相连通的透孔。
6.所述缓冲结构本体的横截面积为隧道横截面积的2倍。
7.所述透孔为方形或圆形。
8.所述透孔沿拱形板轴向布置有多排，同排透孔沿拱形板轴向等距离间隔布置。
9.所述透孔沿拱形板轴向布置有四排，两排对称布置于拱形板上部左右两侧，两排对称布置于拱形板下部左右两侧。
10.所述斜切面的斜率为1：1.5。
11.本发明先通过斜切面减小缓冲结构壁面对气流的限制，使得高速列车前方空气向隧道上方流动释放，从而降低其进入隧道时产生的压缩波量；再通过透孔使高速列车进入本发明产生的压力波传播至减压区内，减压区的压力波在缓冲结构本体内表面与拱形板外表面的来回阻挡作用下发生多次反射消耗现象，从而使得初始压缩波梯度大大降低，更大程度上耗散压缩波能量，从而更加高效地缓解隧道出口微气压波。
附图说明
12.图1为本发明的轴测结构示意图。
13.图2为图1中a-a处的剖视放大结构示意图。
14.图3为图1中b-b处的剖视放大结构示意图。
15.图中示出的标记及所对应的构件名称为：
16.1、缓冲结构本体；11、斜切面；
17.2、拱形板；21、透孔；
18.3、减压区；
19.a、隧道外端面；b、隧道内轮廓线。
具体实施方式
20.从图1至图3可以看出，本发明这种用于缓解高速铁路隧道洞口微气压波的缓冲结构，包括设置在隧道入口处的缓冲结构本体1和拱形板2，拱形板2沿隧道运行方向搭设在路面上，拱形板2的轴线与隧道轴线相重合布置，且拱形板2的内轮廓线不小于隧道内轮廓线b布置，缓冲结构本体1间隙套设在拱形板2外，拱形板2的内端面与隧道外端面a紧密对接，缓冲结构本体1的内端面与隧道外端面a紧密对接，缓冲结构本体1、拱形板2与隧道外端面a合围形成外端开口、内端封闭的减压区3，缓冲结构本体1的外端面和拱形板2的外端面为共面设置的斜切面11，在拱形板2上开有多个与减压腔3相连通的方形的透孔21，透孔21沿拱形板2轴向布置有多排，同排透孔21沿拱形板2轴向等距离间隔布置。
21.从图1至图3可以看出，在本发明中，在拱形板2上开设有4排方形的透孔21，各排透孔21均沿拱形板2轴向布置，其中，两排透孔21对称布置于拱形板2上部左右两侧，每排有16个；两排透孔21对称布置于拱形板2下部左右两侧，每排17个；同排透孔21与透孔21之间的距离为5m，透孔21的边长为4.17m。
22.在本发明中，缓冲结构本体1横截面积是200m2，为隧道横截面积的2倍，最底端长度为100m。
23.在本发明中，透孔21也可为圆形；斜切面11的斜率为1：1.5。
24.本发明这种用于缓解高速铁路隧道洞口微气压波的缓冲结构的施工方法，包括以下步骤：
25.s1、根据隧道内轮廓线b，制定拱形板2内轮廓线的设计参数，使拱形板2的内轮廓线不小于隧道内轮廓线b布置；根据计算流体力学的方法，制定拱形板2的厚度、长度及拱形板2上透孔21开设的排数与各排个数的设计参数；
26.s2、从隧道外端面a开始，沿隧道轴线，按步骤s1中的设计参数，在隧道洞口外立模浇筑预留有透孔21的拱形板2，且保证拱形板2内端面与隧道外端面a密封连接；
27.s3、根据拱形板2的外轮廓线及隧道的横截面积，制定缓冲结构本体1的设计参数，确保缓冲结构本体1内表面与拱形板2外表面间隙布置、缓冲结构本体1横截面积为隧道横截面积的2倍；
28.s4、从隧道外端面a开始，沿隧道轴线，按步骤s3中的设计参数，在拱形板2外围立模浇筑缓冲结构本体1，且保证缓冲结构本体1内端面与隧道外端面a密封连接，拱形板2、缓冲结构本体1与隧道外端面a合围形成外端开口、内端封闭的减压区3。
29.针对高速列车以400km/h的速度通过设置有本发明的隧道时产生的微气压波进行了研究，经过数值模拟验证，可以得出如表1所示数据：
30.表1
[0031][0032][0033]
从表1可以看出，本发明对隧道出口20m处的微气压波的减缓效果达到78.7％，对隧道出口50m处的微气压波的减缓效果达到73.8％。本发明下隧道洞口微气压波的幅值均满足铁路隧道微气压波标准：距隧道出口20m处的微气压波要小于50pa,距隧道出口50m处要小于20pa。
[0034]
本发明不仅适用于高速铁路隧道使用，也适用于磁悬浮铁路隧道结构。
[0035]
以上所述的具体实施方式，对本发明创造的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明创造的优选实施例而已，并不用于限制本发明创造的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改的变化。凡在本发明创造的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。


技术特征：
1.一种用于缓解高速铁路隧道洞口微气压波的缓冲结构，包括设置在隧道入口处的缓冲结构本体(1)，其特征在于：所述缓冲结构本体的外端面为斜切面(11)，在缓冲结构本体与隧道净空之间套设有拱形板(2)，所述拱形板的轴线与隧道轴线相重合布置，拱形板的外端面与缓冲结构本体的外端面共面布置，所述拱形板和缓冲结构本体与隧道外端面对接形成外端开口、内端封闭的减压区(3)，在拱形板上开有多个与减压腔相连通的透孔(21)。2.根据权利要求1所述的用于缓解高速铁路隧道洞口微气压波的缓冲结构，其特征在于：所述缓冲结构本体的横截面积为隧道横截面积的2倍。3.根据权利要求1所述的用于缓解高速铁路隧道洞口微气压波的缓冲结构，其特征在于：所述透孔为方形或圆形。4.根据权利要求1所述的用于缓解高速铁路隧道洞口微气压波的缓冲结构，其特征在于：所述透孔沿拱形板轴向布置有多排，同排透孔沿拱形板轴向等距离间隔布置。5.根据权利要求4所述的用于缓解高速铁路隧道洞口微气压波的缓冲结构，其特征在于：所述透孔沿拱形板轴向布置有四排，两排对称布置于拱形板上部左右两侧，两排对称布置于拱形板下部左右两侧。6.根据权利要求1所述的用于缓解高速铁路隧道洞口微气压波的缓冲结构，其特征在于：所述斜切面的斜率为1：1.5。

技术总结
本发明公开了一种用于缓解高速铁路隧道洞口微气压波的缓冲结构，包括缓冲结构本体，所述缓冲结构本体的外端面为斜切面，在缓冲结构本体与隧道净空之间套设有拱形板，所述拱形板的轴线与隧道轴线相重合布置，拱形板的外端面与缓冲结构本体的外端面共面布置，所述拱形板和缓冲结构本体与隧道外端面对接形成外端开口、内端封闭的减压区，在拱形板上开有多个与减压腔相连通的透孔。本发明可降低气流进入隧道时产生的压缩波量；可耗散压缩波能量，更加高效地缓解隧道出口微气压波。加高效地缓解隧道出口微气压波。加高效地缓解隧道出口微气压波。


技术研发人员：张洁 韩帅 高广军 刘堂红 杨志刚 王雨舸 郭展豪 黄凤仪
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2022.04.24
技术公布日：2022/7/22