CN114183164B - 用于高速铁路隧道洞口的扩大型降压缓冲装置及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉隧道工程和高速列车空气动力学领域，特别是一种用于高速铁路隧道洞口的扩大型降压缓冲装置及设计方法,其中用于高速铁路隧道洞口的扩大型降压缓冲装置包括用于连接在隧道端口的扩大型隧道，扩大型隧道横截面大于隧道的横截面，扩大型隧道的内壁上阵列连接有橡胶块。本申请的用于高速铁路隧道洞口的扩大型降压缓冲装置，扩大型隧道设置于隧道洞口位置，扩大型隧道横截面大于隧道的横截面，因此压力波经过扩大型隧道时，会产生一定的压降，在扩大型隧道的内壁设置橡胶块，增大隧道内壁的粗糙度，压力波经过扩大型隧道时，产生的压降更大，从而降低列车进入隧道时产生的初始压缩波和压力梯度，进一步降低隧道出口的微气压波。
Description
技术领域
本发明涉及隧道工程和高速列车空气动力学领域，特别是一种用于高速铁路隧道洞口的扩大型降压缓冲装置及设计方法。
背景技术
随着我国交通技术的快速发展，高速铁路列车运行速度也在逐渐提高，高铁以时速400km的速度运行已成为可能。随着车速的提高，隧道空气动力学问题更为显著。
隧道（即标准断面隧道）洞口微气压波问题一直是隧道空气动力学问题中比较热门的问题，微气压波过大会对洞口周围环境和建筑产生非常不利的影响。研究表明，隧道洞口的微气压波峰值与车速的三次方成正比，当列车以400km/h的速度通过100m2标准单洞双线隧道时，隧道洞口20m处的微气压波峰值为135Pa，远超规范要求（50Pa）。目前，如何在隧道洞口设置扩大型隧道（3）以减小压力变化率，从而降低隧道洞口微气压波，为该领域的研究的重点难题之一。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在的微气压波过大会对洞口周围环境和建筑产生非常不利的影响的问题，提供一种用于高速铁路隧道洞口的扩大型降压缓冲装置及设计方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种用于高速铁路隧道洞口的扩大型降压缓冲装置，包括用于连接在标准断面隧道端口的扩大型隧道，所述扩大型隧道横截面大于标准断面隧道的横截面，所述扩大型隧道的内壁上阵列连接有橡胶块。
本申请所述的一种用于高速铁路隧道洞口的扩大型降压缓冲装置，扩大型隧道设置于标准断面隧道洞口位置，所述扩大型隧道横截面大于标准断面隧道的横截面，因此压力波经过扩大型隧道时，会产生一定的压降，同时，由于空气具有一定的粘滞度，当具有粘滞性的空气流过隧道壁面时会产生压力降低现象，在扩大型隧道的内壁设置橡胶块，增大扩大型隧道内壁的粗糙度，因此压力波经过扩大型隧道时，产生的压降更大，从而降低列车进入扩大型隧道时产生的初始压缩波和压力梯度，进一步降低高速铁路隧道洞口出口的微气压波。
优选地，每个所述橡胶块为边长为0.8~1.2m的正方体。
优选地，所述扩大型隧道长度为20~30m，所述橡胶块在沿扩大型隧道轴向布置4~6排，每排所述橡胶块沿所述扩大型隧道周向布置6~8个。
优选地，所述扩大型隧道等截面设置，所述扩大型隧道的净空面积为所述标准断面隧道的1.3~1.5倍，所述扩大型隧道等截面设置，施工更加简单方便。
优选地，所述橡胶块内设置有中间固定板，所述橡胶块的一侧设置有顶部连接板，所述顶部连接板与所述中间固定板通过竖向立柱相连接，所述顶部连接板与所述扩大型隧道内壁可拆卸连接。
优选地，所述顶部连接板一侧面与所述扩大型隧道内壁相贴合，所述顶部连接板另一侧面与所述橡胶块相贴合。
优选地，还包括喇叭形导洞，所述喇叭形导洞的大口端连接有扩大型隧道，所述喇叭形导洞的小口端用于连接标准断面隧道的端口。
本申请所述的一种用于高速铁路隧道洞口的扩大型降压缓冲装置，扩大型隧道设置于标准断面隧道洞口位置，所述扩大型隧道横截面大于标准断面隧道的横截面，扩大型隧道和标准断面隧道通过喇叭形导洞相连接，进而降低压力波通过扩大型隧道和标准断面隧道交界处的压力变化率，同时配合扩大型隧道和设置于扩大型隧道内壁上的橡胶块，增大扩大型隧道内壁的粗糙度，因此压力波经过扩大型隧道时，产生的压降更大，从而降低列车进入扩大型隧道时产生的初始压缩波和压力梯度，以降低隧道洞口的压力变化率，进一步降低高速铁路隧道洞口出口的微气压波。
优选地，所述喇叭形导洞的轴向长度为5~10m，所述喇叭形导洞的横截面沿着轴向线性变化。
本申请还公开了一种用于本申请所述的用于高速铁路隧道洞口的扩大型降压缓冲装置的设计方法，包含以下步骤：
S1.拟定所述扩大型隧道的轴向长度L和横截面积，并基于所述横截面积得到所述扩大型隧道的等效直径d，之后基于列车通过所述扩大型隧道时的流速及所述扩大型隧道的等效直径d得到雷诺数Re；
S2.基于雷诺数Re判断列车通过所述扩大型隧道时所述扩大型隧道内的流体状态，并得到所述扩大型隧道内的沿程摩阻系数
；
S3.基于所述沿程摩阻系数
及所述扩大型隧道的轴向长度L计算得到压力波通过扩大型隧道时的压降值
。
本申请所述的一种用于本申请所述的用于高速铁路隧道洞口的扩大型降压缓冲装置的设计方法，基于雷诺数Re判断列车通过所述扩大型隧道时所述扩大型隧道内的流体状态，并得到所述扩大型隧道内的沿程摩阻系数
，进而配合扩大型隧道的轴向长度L计算得到压力波通过扩大型隧道时的压降值
，用来指导扩大型隧道的长度和横截面积的确定。
优选地，所述扩大型隧道内的沿程摩阻系数
具体为
当雷诺数Re≥4000时，
当雷诺数Re<4000时，
式中，
为沿程摩阻系数；Re为流体雷诺数；k/d为扩大型隧道内管壁相对粗糙度。
基于管壁相对粗糙度k/d，可以指导橡胶块的布设，同时也可决定所述扩大型隧道内的沿程摩阻系数
的取值，进而配合扩大型隧道的轴向长度L计算得到压力波通过扩大型隧道时的压降值
，用来更好滴指导扩大型隧道的长度和横截面积的确定。
优选地，压力波通过扩大型隧道时的压降值
的计算公式为：
式中，
为压力波经过扩大型隧道时的压降值；L为扩大型隧道的轴向长度，此处取扩大型隧道长度；d为扩大型隧道直径，此处取扩大型隧道的等效直径；L/d称为扩大型隧道的几何因子；
为空气密度；v为扩大型隧道内流体的平均流速。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本申请所述的一种用于高速铁路隧道洞口的扩大型降压缓冲装置，扩大型隧道设置于隧道洞口位置，所述扩大型隧道横截面大于隧道的横截面，因此压力波经过扩大型隧道时，会产生一定的压降，同时，由于空气具有一定的粘滞度，当具有粘滞性的空气流过隧道壁面时会产生压力降低现象，在扩大型隧道的内壁设置橡胶块，增大隧道内壁的粗糙度，因此压力波经过扩大型隧道时，产生的压降更大，从而降低列车进入隧道时产生的初始压缩波和压力梯度，进一步降低隧道出口的微气压波。
2、本申请所述的一种用于高速铁路隧道洞口的扩大型降压缓冲装置，扩大型隧道设置于隧道洞口位置，所述扩大型隧道横截面大于隧道的横截面，扩大型隧道和隧道通过喇叭形导洞缓慢过渡，进而降低压力波通过扩大型隧道和隧道交界处的压力变化率，同时配合扩大型隧道和设置于扩大型隧道内壁上的橡胶块，增大隧道内壁的粗糙度，因此压力波经过扩大型隧道时，产生的压降更大，从而降低列车进入隧道时产生的初始压缩波和压力梯度，以降低隧道洞口的压力变化率，进一步降低隧道出口的微气压波。
3、本申请所述的一种用于本申请所述的用于高速铁路隧道洞口的扩大型降压缓冲装置的设计方法，基于雷诺数Re判断列车通过所述扩大型隧道时所述扩大型隧道内的流体状态，并得到所述扩大型隧道内的沿程摩阻系数
，进而配合扩大型隧道的轴向长度L计算得到压力波通过扩大型隧道时的压降值
，用来指导扩大型隧道的长度和横截面积的确定。
4、本申请所述的一种用于本申请所述的用于高速铁路隧道洞口的扩大型降压缓冲装置的设计方法，基于管壁相对粗糙度k/d，可以指导橡胶块的布设，同时也可决定所述扩大型隧道内的沿程摩阻系数
的取值，进而配合扩大型隧道的轴向长度L计算得到压力波通过扩大型隧道时的压降值
，用来更好滴指导扩大型隧道的长度和横截面积的确定。
附图说明
图1为本发明的一种用于高速铁路隧道洞口的扩大型降压缓冲装置结构整体示意图；
图2为本发明的一种用于高速铁路隧道洞口的扩大型降压缓冲装置结构侧视剖切示意图；
图3为本发明的固定铁板的结构示意图；
图4为本发明的橡胶块与扩大型隧道内壁的连接左视示意图；
图5为本发明的橡胶块与扩大型隧道内壁的连接主视示意图；
图标：1-隧道；2-喇叭形导洞；3-扩大型隧道；4-橡胶块； 5-固定铁板；51-顶部连接板；52-中间固定板；53-竖向立柱；6-膨胀螺栓。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种用于高速铁路隧道洞口的扩大型降压缓冲装置，包括用于连接在标准断面隧道1端口的扩大型隧道3，所述扩大型隧道3横截面大于标准断面隧道1的横截面，所述扩大型隧道3的内壁上连接有成阵列分布的若干个橡胶块4。
具体地，每个所述橡胶块4为边长为0.8~1.2m的正方体。
所述扩大型隧道3长度为20~30m，所述橡胶块4在沿扩大型隧道3轴向布置4~6排，每排所述橡胶块4沿所述扩大型隧道3周向布置6~8个。
在上述基础上，进一步优选的方式，所述橡胶块4内设置有中间固定板52，所述橡胶块4的一侧设置有顶部连接板51，所述顶部连接板51与所述中间固定板52通过竖向立柱53相连接，所述顶部连接板51与所述扩大型隧道3内壁可拆卸连接。
在上述基础上，进一步优选的方式，所述顶部连接板51一侧面与所述扩大型隧道3内壁相贴合，所述顶部连接板51另一侧面与所述橡胶块4相贴合。
在上述基础上，进一步优选的方式，还包括喇叭形导洞2，所述喇叭形导洞2的大口端连接有扩大型隧道3，所述喇叭形导洞2的小口端用于连接标准断面隧道1端口。
本申请所述的一种用于高速铁路隧道洞口的扩大型降压缓冲装置，扩大型隧道3设置于标准断面隧道1洞口位置，所述扩大型隧道3横截面大于标准断面隧道1的横截面，扩大型隧道3和标准断面隧道1通过喇叭形导洞2相连接，进而降低压力波通过扩大型隧道3和标准断面隧道1交界处的压力变化率，同时配合扩大型隧道3和设置于扩大型隧道3内壁上的橡胶块4，增大扩大型隧道3内壁的粗糙度，因此压力波经过扩大型隧道3时，产生的压降更大，从而降低列车进入扩大型隧道3时产生的初始压缩波和压力梯度，以降低高速铁路隧道洞口的压力变化率，进一步降低隧道出口的微气压波。
在上述基础上，进一步优选的方式，所述喇叭形导洞2的轴向长度为5~10m，所述喇叭形导洞2的横截面沿着轴向线性变化。
本实施例的方案的原理是：由于空气具有一定的粘滞度，当具有粘滞性的空气流过隧道壁面时会产生压力降低现象。在扩大型隧道3的内部设置橡胶块4，增大隧道内壁的粗糙度，因此压力波经过扩大型隧道3时，产生的压降更大，从而降低列车进入隧道时产生的初始压缩波和压力梯度，进一步降低隧道出口的微气压波。
具体地，在标准断面标准断面隧道1的入口和出口处设置扩大型隧道3，所述扩大型隧道（3）的净空面积为所述标准断面标准断面隧道1的1.3~1.5倍，更优选地方案，所述扩大型隧道3的净空面积为所述标准断面标准断面隧道1的1.4倍，且为等截面形式，长度为30m；
扩大型隧道3与标准断面标准断面隧道1之间由喇叭形导洞2连接，喇叭形导洞2的长度为5m，喇叭形导洞2一端与标准断面标准断面隧道1连接，另一端与扩大型隧道3相连，沿着标准断面隧道1轴线方向喇叭形导洞2的横截面面积均匀扩大。所述标准断面标准断面隧道1、喇叭形导洞2及扩大型隧道3均采用现浇的形式依次浇筑，结构稳定，整体性较好。
橡胶块4均匀的布置在扩大型隧道3的衬砌上，所述橡胶块4为边长为1m的正方体；橡胶块4在平行于隧道轴线的方向上布置4~6排，在垂直于隧道轴线的方向上每环布置6~8个；所述橡胶块4在平行于隧道轴线的方向上的净距为3m，垂直于隧道轴线方向上每相邻两个橡胶块4之间的弧长为1.5m；
如图3所示，橡胶块4通过固定铁板5进行固定，固定铁板5由顶部连接板51、中间固定板52及竖向立柱53组成。顶部连接板51与扩大型隧道3衬砌相邻的一侧为与衬砌契合的弧形，与所述橡胶块4相连的一侧为平面。顶部连接板51的厚度为0.03m，平行于隧道轴线方向的长度为1m，与橡胶块4宽度一致，垂直于标准断面隧道1轴线方向的长度为1.4m。
中间固定板52为厚0.01m，长和宽均为0.8m的长方体，中间固定板52与顶部连接板51平行放置，顶部连接板51与中间固定板52的净距为0.7m。
与扩大型隧道3的衬砌通过四个膨胀螺栓6连接，膨胀螺栓6在顶部连接板顶部连接板53与中间固定板52之间由竖向立柱53连接，竖向立柱连接顶部连接板51和中间固定板52的中心。竖向立柱53的横截面为正方形或者圆形，其边长或直径为0.05m，长度超出所述顶部连接板51与所述中间固定板52净距0.1m。橡胶块4与固定铁板5均为预制结构，结构稳定。
顶部连接板51超出橡胶块4两侧的区域上均匀布置；膨胀螺栓6的直径为10mm，锚固深度为10cm。
本实施例的有益效果：本申请所述的一种用于高速铁路隧道洞口的扩大型降压缓冲装置，扩大型隧道3设置于标准断面隧道1洞口位置，所述扩大型隧道3横截面大于标准断面隧道1的横截面，因此压力波经过扩大型隧道3时，会产生一定的压降，同时，由于空气具有一定的粘滞度，当具有粘滞性的空气流过隧道壁面时会产生压力降低现象，在扩大型隧道3的内壁设置橡胶块4，增大隧道内壁的粗糙度，因此压力波经过扩大型隧道3时，产生的压降更大，从而降低列车进入隧道时产生的初始压缩波和压力梯度，进一步降低隧道出口的微气压波。
实施例2
本实施例所述的一种用于本申请所述的用于高速铁路隧道洞口的扩大型降压缓冲装置的设计方法，包含以下步骤：
S1.拟定所述扩大型隧道3的轴向长度L和横截面积，并基于所述横截面积得到所述扩大型隧道3的等效直径d，之后基于列车通过所述扩大型隧道3时的流速及所述扩大型隧道3的等效直径d得到雷诺数Re；
S2.基于雷诺数Re判断列车通过所述扩大型隧道3时所述扩大型隧道3内的流体状态，并得到所述扩大型隧道3内的沿程摩阻系数
；
S3.基于所述沿程摩阻系数
及所述扩大型隧道3的轴向长度L计算得到压力波通过扩大型隧道3时的压降值
。
本申请所述的一种用于本申请所述的用于高速铁路隧道洞口的扩大型降压缓冲装置的设计方法，基于雷诺数Re判断列车通过所述扩大型隧道3时所述扩大型隧道3内的流体状态，并得到所述扩大型隧道3内的沿程摩阻系数
，进而配合扩大型隧道3的轴向长度L计算得到压力波通过扩大型隧道3时的压降值
，用来指导扩大型隧道3的长度和横截面积的确定。
优选地，所述扩大型隧道3内的沿程摩阻系数
具体为
当雷诺数Re≥4000时，
当雷诺数Re<4000时，
式中，
为沿程摩阻系数；Re为流体雷诺数；k/d为扩大型隧道3内管壁相对粗糙度。
优选地，压力波通过扩大型隧道3时的压降值的计算公式为：
式中，
为压力波经过扩大型隧道3时的压降值；L为扩大型隧道3的轴向长度，此处取扩大型隧道3长度；d为扩大型隧道3直径，此处取扩大型隧道3的等效直径；L/d称为扩大型隧道3的几何因子；
为空气密度；v为扩大型隧道3内流体的平均流速。
具体地，达西—魏斯巴赫公式是用来描述粘滞性流体流过管路时产生压降现象的公式，其表达式如公式（1）所示：
式中，
为压力波经过扩大型隧道3时的压降值；L为扩大型隧道3的轴向长度，此处取扩大型隧道3长度；d为扩大型隧道3直径，此处取扩大型隧道3的等效直径；L/d称为扩大型隧道3的几何因子；
为空气密度；v为扩大型隧道3内流体的平均流速；
为沿程摩阻系数，量纲为1，
不是一个常数，通常由试验结果或经验公式确定，是流体雷诺数Re和扩大型隧道3内管壁相对粗糙度k/d的函数
，其取值可查询莫迪图得到，根据流体在扩大型隧道3内流动形态的不同，其计算公式如公式（2）~公式（4）所示：
对于圆管层流：
（2）
对于圆管过度粗糙区：
（3）
对于圆管紊流粗糙区：
（4）
式中：Re为雷诺数，计算公式为
，d为扩大型隧道3直径，
为空气的粘滞系数，取1.87×10-5Pa.s。
本发明在隧道入口和出口处设置等截面扩大型消音扩大型隧道3，能够有效地降低列车进入隧道时产生的初始压缩波和压力变化率，减小隧道洞口微气压波峰值，降低其对周围环境的影响；
实施例3
本实施例所述的一种用于本申请所述的用于高速铁路隧道洞口的扩大型降压缓冲装置的设计方法，取列车通过扩大型隧道3时的流速为v=30m/s，空气的粘滞系数
=1.87×10-5Pa.s，扩大型隧道3的等效直径d=13.35m，计算得到的雷诺数为：
沿程摩阻系数
按公式4进行计算，其中k为绝对粗糙度，取橡胶块的厚度，为1；d为扩大型隧道3的等效直径，为13.35m，计算得到沿程摩阻系数
。
根据扩大型隧道3的长度L=30m；空气密度为1kg/m3；根据公式1计算得到压力波通过扩大型隧道3时的压降为：
当压力波通过扩大型隧道3时能产生260.7Pa的压降，说明本发明采用的扩大型隧道3能很好的降低初始压缩波，进而降低隧道出口微气压波。
本发明能以较短的扩大型隧道3长度达到较好的减缓效果，因此扩大型隧道3占用纵向空间小，能够充分利用隧道洞口原地表的稳定和植被，受洞口地形的限制较小。且本发明均采用现浇式结构，结构的防水性能和整体性较好，不易损坏。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种用于高速铁路隧道洞口的扩大型降压缓冲装置，其特征在于，包括用于连接在标准断面隧道（1）端口的扩大型隧道（3），所述扩大型隧道（3）横截面大于标准断面隧道（1）的横截面，所述扩大型隧道（3）的内壁上连接有成阵列分布的若干个橡胶块（4）；所述橡胶块（4）内设置有中间固定板（52），所述橡胶块（4）的一侧设置有顶部连接板（51），所述顶部连接板（51）与所述中间固定板（52）通过竖向立柱（53）相连接，所述顶部连接板（51）与所述扩大型隧道（3）内壁可拆卸连接；所述顶部连接板（51）一侧面与所述扩大型隧道（3）内壁相贴合，所述顶部连接板（51）另一侧面与所述橡胶块（4）相贴合。
2.根据权利要求1所述的一种用于高速铁路隧道洞口的扩大型降压缓冲装置，其特征在于，每个所述橡胶块（4）为边长为0.8~1.2m的正方体。
3.根据权利要求1所述的一种用于高速铁路隧道洞口的扩大型降压缓冲装置，其特征在于，所述扩大型隧道（3）长度为20~30m，所述橡胶块（4）在沿扩大型隧道（3）轴向布置4~6排，每排所述橡胶块（4）沿所述扩大型隧道（3）周向布置6~8个；
和/或，
所述扩大型隧道（3）等截面设置，所述扩大型隧道（3）的净空面积为所述标准断面隧道（1）的1.3~1.5倍。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种用于高速铁路隧道洞口的扩大型降压缓冲装置，其特征在于，还包括喇叭形导洞（2），所述喇叭形导洞（2）的大口端连接所述扩大型隧道（3），所述喇叭形导洞（2）的小口端用于连接标准断面隧道（1）端口。
5.根据权利要求4所述的一种用于高速铁路隧道洞口的扩大型降压缓冲装置，其特征在于，所述喇叭形导洞（2）的轴向长度为5~10m，所述喇叭形导洞（2）的横截面沿着轴向线性变化。
6.一种用于权利要求1-5任意一项所述的用于高速铁路隧道洞口的扩大型降压缓冲装置的设计方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1.拟定所述扩大型隧道（3）的轴向长度L和横截面积，并基于所述横截面积得到所述扩大型隧道（3）的等效直径d，之后基于列车通过所述扩大型隧道（3）时的流速及所述扩大型隧道（3）的等效直径d得到雷诺数Re；
S2.基于雷诺数Re判断列车通过所述扩大型隧道（3）时所述扩大型隧道（3）内的流体状态，并得到所述扩大型隧道（3）内的沿程摩阻系数
；
S3.基于所述沿程摩阻系数
及所述扩大型隧道（3）的轴向长度L计算得到压力波通过扩大型隧道（3）时的压降值
。
7.根据权利要求6所述的一种设计方法，其特征在于，所述扩大型隧道（3）内的沿程摩阻系数
具体为
当雷诺数Re≥4000时，
当雷诺数Re<4000时，
式中，
为沿程摩阻系数；Re为流体雷诺数；k/d为扩大型隧道（3）内管壁相对粗糙度。
8.根据权利要求6所述的一种设计方法，其特征在于，压力波通过扩大型隧道（3）时的压降值
的计算公式为：
式中，
为压力波经过扩大型隧道（3）时的压降值；L为扩大型隧道（3）的轴向长度，此处取扩大型隧道（3）长度；d为扩大型隧道（3）直径，此处取扩大型隧道（3）的等效直径；L/d称为扩大型隧道（3）的几何因子；
为空气密度；v为扩大型隧道（3）内流体的平均流速。
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