CN108612541A - 缓解隧道气动效应的变截面隧道结构及参数确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及隧道工程技术领域，公开了一种缓解隧道气动效应的变截面隧道结构及参数确定方法，以缓解隧道气动效应并降低施工成本。本发明变截面隧道结构包括：出入口截面为第一面积的扩大段，且两端扩大段呈对称分布；隧道内部截面为第二面积的中间段，且第二面积小于第一面积；其中，扩大段与中间段都为圆心同轴的弧形结构。

Description

缓解隧道气动效应的变截面隧道结构及参数确定方法
技术领域
本发明涉及隧道工程技术领域，尤其涉及一种缓解隧道气动效应的变截面隧道结构及参数确定方法。
背景技术
列车高速通过隧道引起的空气压力变化及其对列车运行安全、人员舒适性和环境的影响，是列车空气动力学研究的一项重要内容，也是实现列车高速运行必须解决的一项关键问题。为了缓解列车高速通过隧道引起的气动效应，国内外从列车、隧道两方面开展了大量的研究，列车方面包括设计流线型外形、提高车体气密性等；隧道方面包括增设缓冲结构、通风竖井等。通风竖井设计大部分是针对通风、救援或受地形条件限制情况下被迫采取的措施，设计的根本并不完全是为了缓解隧道气动效应，所以其设计的参数对缓解气动效应的效果受到限制；缓冲结构可以对列车驶入所形成压缩波的强度和梯度从一开始即加以缓解，是目前最常用的方法，但缓冲结构受隧道口地形等条件的限制，缓冲结构的长度等参数必须控制在一定范围，因而对隧道气动效应特别是隧道内压力变化的缓解效果有限。
目前修建的隧道都是等断面隧道，为了缓解隧道气动效应，要么修建大断面的隧道，但修建的成本大幅提高；要么采用缓冲结构或其他辅助设施，但受地形条件等限制，缓解效果有限。
发明内容
本发明目的在于公开一种变截面隧道结构及参数确定方法，以缓解隧道气动效应并降低施工成本。
为实现上述目的，本发明公开了一种缓解隧道气动效应的变截面隧道结构，包括：
出入口截面为第一面积的扩大段，且两端扩大段呈对称分布；
隧道内部截面为第二面积的中间段，且所述第二面积小于所述第一面积；
其中，所述扩大段与所述中间段都为圆心同轴的弧形结构。
与上述变截面隧道结构相对应的，本发明还公开一种缓解隧道气动效应的变截面隧道结构的参数确定方法，包括：
确定目标隧道的扩大段长度；
通过数值计算和动模型试验，分别得到所述扩大段长度所对应的：隧道壁面压力随截面变化率增加而呈幂函数增长的第一关系式，以及车体表面最大压力峰峰值随截面变化率增加而呈幂函数增长的第二关系式；
将目标隧道的壁面压力变化载荷设计要求代入所述第一关系式求解第一截面变化率，并将目标隧道的车体表面最大压力峰峰值变化载荷设计要求代入所述第二关系式求解第二截面变化率，然后以第一和第二截面变化率中的较小值作为目标截面变化率；
通过数值计算和动模型试验，得到车体表面最大压力峰峰值与阻塞比的第三关系式；
根据所述第三关系式和目标隧道所对应的车体表面最大压力峰峰值变化设计要求，确定阻塞比；所述阻塞比为列车横截面与隧道中部较小截面的比值；
根据所确定的阻塞比和列车横截面面积得到中间段的截面大小，然后根据所确定的目标截面变化率确定隧道两端扩大段的截面面积。
或者，本发明缓解隧道气动效应的变截面隧道结构的参数确定方法变形为：
通过数值计算和动模型试验，分别得到：隧道壁面压力与扩大段长度及截面变化率之间的第四关系式，以及车体表面最大压力峰峰值变化最大峰峰值与扩大段长度及截面变化率之间的第五关系式；
将目标隧道的壁面压力变化载荷设计要求代入所述第四关系式求解第三截面变化率，并将目标隧道的车体表面最大压力峰峰值变化载荷设计要求代入所述第五关系式求解第四截面变化率，然后以第三和第四截面变化率中的较小值作为目标截面变化率；
通过数值计算和动模型试验，得到车体表面最大压力峰峰值与阻塞比的第三关系式；所述阻塞比为列车横截面与隧道中部较小截面的比值；
根据所述第三关系式和目标隧道所对应的车体表面最大压力峰峰值变化设计要求，确定阻塞比；
根据所确定的阻塞比和列车横截面面积得到中间段的截面大小，然后根据所确定的目标截面变化率确定隧道两端扩大段的截面面积。
本发明具有以下有益效果：
本专利公开的变截面隧道，在隧道入口采用较大隧道断面，而在隧道内部采用较小的隧道断面，这样既可以缓解隧道气动效应，又可以大大减少施工成本。
与此同时，本发明所公开的变截面隧道结构的参数确定方法，安全可靠，且简单实用。
下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的变截面隧道基本形状示意图；
图2是本发明实施例可选的变截面隧道台阶形式示意图；
图3是本发明实施例截面变化处可选的不同过渡形式示意图；
图4是头车鼻尖测点不同扩大段长度下列车表面压力时间曲线图；
图5是2车中部侧窗测点不同扩大段长度下列车表面压力时间曲线图；
图6是隧道洞壁x＝80m测点不同扩大段长度下列车表面压力时间曲线图；
图7是隧道洞壁x＝400m测点不同扩大段长度下列车表面压力时间曲线图；
图8是隧道洞壁x＝500m测点不同扩大段长度下列车表面压力时间曲线图；
图9是隧道洞壁x＝920m测点不同扩大段长度下列车表面压力时间曲线图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1
本实施例公开一种缓解隧道气动效应的变截面隧道结构，如图1所示，包括：
出入口截面为第一面积的扩大段，且两端扩大段呈对称分布；
隧道内部截面为第二面积的中间段，且该第二面积小于该第一面积；
其中，该扩大段与该中间段都为圆心同轴的弧形结构。
本实施例中，变截面隧道台阶形式对车体表面压力变化和隧道洞壁压力变化的影响主要体现在其开挖量，而与具体台阶型式没有直接关系，土方开挖量越大，隧道阻塞效应相应减小，压力变化缓解效果越显著。如图2所示，双台阶型式气动效应缓解效果整体介于短单台阶和长单台阶之间，由于多台阶型式开挖工序复杂，且优越性不足，故优选地，采取长单台阶的形式。
如图3所示，在变截面处可选的不同过渡形式包括：直角过渡、弧形过渡、斜角过渡。其中，直角过渡引起的隧道内瞬变压力变化最小，弧形和斜角过渡较大且大致相等。渐变式过渡(弧形、斜角)可以较好引导气流过渡，因此截面变化处局部压力变化率较直角过渡要小，但最大压力梯度仍然是开挖较大的直角过渡较小。因此，优选采用直接过渡。
本实施例中，变截面隧道既可以缓解隧道气动效应，又可以大大减少施工成本。变截面隧道扩大段长度从0m增加到100m、200m、500m，车体表面压力峰峰值分别减小11.1％、33.9％、41.3％；隧道洞壁测点压力峰峰值分别减小9.3％、25.6％、40.8％。
截面变化率从1.56依次减小到1.00，车体表面压力峰峰值分别减小7.6％、22.9％、30.2％、34.8％；洞壁测点压力峰峰值分别减小8.5％、22.0％、26.0％、34.7％。
扩大段长度L1＝100m，截面变化率δ＝1.25的变截面隧道与92m2等截面隧道相比，隧道内瞬变压力差异不超过5％，但变截面隧道土方开挖量可减小9.5％。
实施例2
与上述实施例1所对应结构相对应的，本实施例公开一种的缓解隧道气动效应的变截面隧道结构的参数确定方法，包括：
步骤S1、确定目标隧道的扩大段长度。
在该步骤中，列车编组长度一般约为200m，所以扩大段长度超过200m后隧道气动效应的缓解不会再有显著变化。
步骤S2、通过数值计算和动模型试验，分别得到所述扩大段长度所对应的：隧道壁面压力随截面变化率增加而呈幂函数增长的第一关系式，以及车体表面最大压力峰峰值随截面变化率增加而呈幂函数增长的第二关系式。
在该步骤中，例如：在扩大段长度为100米时，所对应的第一关系式可具体为：隧道壁面压力ΔP1＝6006δ0.95，δ为截面变化率；以及
所对应的第二关系式可具体为：车体表面最大压力峰峰值ΔP2＝7081δ0.34。
又或者：在扩大段长度为200米时，所对应的第一关系式具体为：隧道壁面压力ΔP1＝5858δ0.51，以及所对应的第二关系式具体为：车体表面最大压力峰峰值ΔP2＝7091δ0.20。
步骤S3、将目标隧道的壁面压力变化载荷设计要求代入所述第一关系式求解第一截面变化率，并将目标隧道的车体表面最大压力峰峰值变化载荷设计要求代入所述第二关系式求解第二截面变化率，然后以第一和第二截面变化率中的较小值作为目标截面变化率。
步骤S4、通过数值计算和动模型试验，得到车体表面最大压力峰峰值与阻塞比的第三关系式。
在该步骤中，所述第三关系式可具体为：
ΔP2＝35710β0.98
其中，β为阻塞比，车体表面最大压力峰峰值ΔP2为车体表面最大压力峰峰值。
步骤S5、根据所述第三关系式和目标隧道所对应的车体表面最大压力峰峰值变化设计要求，确定阻塞比；所述阻塞比为列车横截面与隧道中部较小截面的比值。
步骤S6、根据所确定的阻塞比和列车横截面面积得到中间段的截面大小，然后根据所确定的目标截面变化率确定隧道两端扩大段的截面面积。
实施例3
与上述实施例1所对应结构相对应的，本实施例公开一种的缓解隧道气动效应的变截面隧道结构的参数确定方法，包括：
步骤S11、通过数值计算和动模型试验，分别得到：隧道壁面压力与扩大段长度及截面变化率之间的第四关系式，以及车体表面最大压力峰峰值变化最大峰峰值与扩大段长度及截面变化率之间的第五关系式。
在该步骤中，通常，越小的截面变化率对于扩大段长度参数的增加，压力变化更为敏感。可选的，第四关系式可具体为：
第五关系式可具体为：
步骤S12、将目标隧道的壁面压力变化载荷设计要求代入所述第四关系式求解第三截面变化率，并将目标隧道的车体表面最大压力峰峰值变化载荷设计要求代入所述第五关系式求解第四截面变化率，然后以第三和第四截面变化率中的较小值作为目标截面变化率。
步骤S13、通过数值计算和动模型试验，得到车体表面最大压力峰峰值与阻塞比的第三关系式；所述阻塞比为列车横截面与隧道中部较小截面的比值。
该步骤同上述步骤S4，不做赘述。
步骤S14、根据所述第三关系式和目标隧道所对应的车体表面最大压力峰峰值变化设计要求，确定阻塞比。
步骤S15、根据所确定的阻塞比和列车横截面面积得到中间段的截面大小，然后根据所确定的目标截面变化率确定隧道两端扩大段的截面面积。
【实验论证】
实验1：设计了一个扩大断面100m2，隧道中部断面面积为64m2的变截面隧道，动车组以350km/h通过截面变化率为1.56，不同变截面长度(L1＝0m、100m、200m、500m)的变截面隧道时，头车鼻尖测点的压力时间曲线实验数据如图4所示，2车中部侧窗测点的压力时间曲线实验数据如图5所示。扩大段长度L1从0m增加到100m、200m、500m，头车鼻尖测点压力峰峰值从7274Pa减小到6497Pa、4689Pa、4234Pa，减幅分别为11.1％、33.9％、41.3％，可见车体表面压力随变截面长度增加而显著减小。
实验2：如图6至图9所示，分别为动车组以350km/h通过截面变化率为1.56，不同扩大段长度(L1＝0m、100m、200m、500m)的变截面隧道时隧道洞壁不同纵向位置车测点的压力时间曲线。其中x＝80m和x＝920m处测点分别位于隧道出、入口的扩大段区域，而x＝400m和x＝500m处测点则位于中间段的主隧道内。扩大段长度从0m增加到100m、200m、500m，隧道洞壁x＝400m测点压力峰峰值从9997Pa减小到9066Pa、7442Pa、5919Pa，减幅分别为9.3％、25.6％、40.8％，可见隧道洞壁压力随变截面长度增加而显著减小。
综上，本发明上述各实施例所分别公开的缓解隧道气动效应的变截面隧道结构及参数确定方法，具有以下有益效果：
本专利公开的变截面隧道，在隧道入口采用较大隧道断面，而在隧道内部采用较小的隧道断面，这样既可以缓解隧道气动效应，又可以大大减少施工成本。
与此同时，本发明所公开的变截面隧道结构的参数确定方法，安全可靠，且简单实用。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种缓解隧道气动效应的变截面隧道结构，其特征在于，包括：
出入口截面为第一面积的扩大段，且两端扩大段呈对称分布；
隧道内部截面为第二面积的中间段，且所述第二面积小于所述第一面积；
其中，所述扩大段与所述中间段都为圆心同轴的弧形结构。
2.根据权利要求1所述的缓解隧道气动效应的变截面隧道结构，其特征在于，所述扩大段与所述中间段之间采用直角过渡，且所述扩大段与所述中间段之间的台阶形式采用长单台阶形式。
3.一种应用于权利要求1或2所述的缓解隧道气动效应的变截面隧道结构的参数确定方法，其特征在于，包括：
确定目标隧道的扩大段长度；
通过数值计算和动模型试验，分别得到所述扩大段长度所对应的：隧道壁面压力随截面变化率增加而呈幂函数增长的第一关系式，以及车体表面最大压力峰峰值随截面变化率增加而呈幂函数增长的第二关系式；
将目标隧道的壁面压力变化载荷设计要求代入所述第一关系式求解第一截面变化率，并将目标隧道的车体表面最大压力峰峰值变化载荷设计要求代入所述第二关系式求解第二截面变化率，然后以第一和第二截面变化率中的较小值作为目标截面变化率；
通过数值计算和动模型试验，得到车体表面最大压力峰峰值与阻塞比的第三关系式；
根据所述第三关系式和目标隧道所对应的车体表面最大压力峰峰值变化设计要求，确定阻塞比；所述阻塞比为列车横截面与隧道中部较小截面的比值；
根据所确定的阻塞比和列车横截面面积得到中间段的截面大小，然后根据所确定的目标截面变化率确定隧道两端扩大段的截面面积。
4.根据权利要求3所述的缓解隧道气动效应的变截面隧道结构的参数确定方法，其特征在于，在扩大段长度为100米时，所对应的第一关系式具体为：隧道壁面压力ΔP1=6006δ0.95，δ为截面变化率；以及
所对应的第二关系式具体为：车体表面最大压力峰峰值ΔP2＝7081δ0.34。
5.根据权利要求3所述的缓解隧道气动效应的变截面隧道结构的参数确定方法，其特征在于，在扩大段长度为200米时，所对应的第一关系式具体为：隧道壁面压力ΔP1＝5858δ0.51，δ为截面变化率；以及
所对应的第二关系式具体为：车体表面最大压力峰峰值ΔP2＝7091δ0.20。
6.根据权利要求3至5任一所述的缓解隧道气动效应的变截面隧道结构的参数确定方法，其特征在于，所述第三关系式具体为：
ΔP2＝35710β0.98
其中，β为阻塞比，车体表面最大压力峰峰值ΔP2为车体表面最大压力峰峰值。
7.一种应用于权利要求1或2所述的缓解隧道气动效应的变截面隧道结构的参数确定方法，其特征在于，包括：
通过数值计算和动模型试验，分别得到：隧道壁面压力与扩大段长度及截面变化率之间的第四关系式，以及车体表面最大压力峰峰值变化最大峰峰值与扩大段长度及截面变化率之间的第五关系式；
将目标隧道的壁面压力变化载荷设计要求代入所述第四关系式求解第三截面变化率，并将目标隧道的车体表面最大压力峰峰值变化载荷设计要求代入所述第五关系式求解第四截面变化率，然后以第三和第四截面变化率中的较小值作为目标截面变化率；
通过数值计算和动模型试验，得到车体表面最大压力峰峰值与阻塞比的第三关系式；所述阻塞比为列车横截面与隧道中部较小截面的比值；
根据所述第三关系式和目标隧道所对应的车体表面最大压力峰峰值变化设计要求，确定阻塞比；
根据所确定的阻塞比和列车横截面面积得到中间段的截面大小，然后根据所确定的目标截面变化率确定隧道两端扩大段的截面面积。
8.根据权利要求7所述的缓解隧道气动效应的变截面隧道结构的参数确定方法，其特征在于，所述第四关系式具体为：
其中，L1为扩大段长度，ΔP1为隧道壁面压力，δ为截面变化率。
9.根据权利要求7所述的缓解隧道气动效应的变截面隧道结构的参数确定方法，其特征在于，所述第五关系式具体为：
其中，L1为扩大段长度，ΔP2为车体表面最大压力峰峰值，δ为截面变化率。
10.根据权利要求7至9任一所述的缓解隧道气动效应的变截面隧道结构的参数确定方法，其特征在于，所述第三关系式具体为：
ΔP2＝35710β0.98
其中，β为阻塞比，车体表面最大压力峰峰值ΔP2为车体表面最大压力峰峰值。
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