CN114658462A - 一种寒区高铁隧道的微气压波缓解及防寒保温系统与使用方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种寒区高铁隧道的微气压波缓解及防寒保温系统与使用方法，所述系统包括洞门缓冲结构、PLC控制器、传感器组和抽风机组。洞门缓冲结构置于隧道洞口两端；传感器组由声波接收器、红外线和风温传感器组成；PLC控制器根据传感器采集的数据控制抽风机功率；通过抽风机抽取空气流经出风口排除；列车运行时，抽风口可减缓微气压波，出风口排出的气流可抵消部分微气压波；列车未运行时，抽风口可抽出侵入隧道的寒冷气流，通过出风口排出用于减小侵入隧道气流的速度。本发明利用高速气流形成的气压波，在抵消列车产生微气压波的同时，阻隔外界寒冷气流的侵入，该系统整体结构简单，维修方便，可有效缓解隧道洞口微气压波及预防隧道冻害的发生。
Description
技术领域
本发明涉及寒区高速铁路隧道工程的技术领域，尤其涉及一种寒区高铁隧道的微气压波缓解及防寒保温系统与使用方法。
背景技术
由于我国地形复杂，山地占国土面积的2/3，在高速铁路建设的过程中需修建大量的寒区铁路隧道，而车速的提高不可避免地会加剧车-隧耦合气动效应。高速列车鼻尖进入隧道的瞬间，会在车前产生初始压缩波，该压缩波以声速沿着隧道长度方向传播并不断激化，到达出口时会以脉冲形式从隧道出口向外辐射，形成脉冲状的压力波；过大的脉冲状压力不仅对隧道口附近的环境产生不利的影响，同时也会严重影响附近居民的正常生活。有效缓解高速铁路隧道口微气压波对于铁路隧道的建设以及保障隧道口周围环境和居民安全具有重要的意义。
目前国内外缓解微气压波采取的技术手段主要有以下三点：1、扩大断面积与隧道断面积比，对隧道洞口段的洞门进行等截面扩大(斜切30°)；2、开孔，在洞门顶部、侧部开孔进行泄气，延长列车运行时初始压缩波形成的时间，从而引起微气压波达到幅值的滞后；3、在隧道内部铺设吸引材料、竖井、横通道、辅助坑道等消能结构。这些手段在一定程度上缓解了微气压波，但均属于被动缓解措施，无法根据不同列车、不同运行速度情况下造成微气压波进行动态缓解，同时铺设吸引材料、竖井、横通道、辅助坑道等消能结构加大了施工成本和难度。针对寒区高速铁路隧道的特殊性，开发行之有效的微气压波缓解系统兼顾隧道保温的保温系统，提高列车乘客的舒适性，保障隧道安全运行，具有重大意义。
发明内容
解决的技术问题：本申请所要解决的技术问题是现有的过大的脉冲状压力不仅对隧道口附近的环境产生不利的影响，同时也会严重影响附近居民的正常生活，被动缓解措施无法根据不同列车、不同运行速度情况下造成微气压波进行动态缓解，同时铺设吸引材料、竖井、横通道、辅助坑道等消能结构加大了施工成本和难度等技术问题，提供一种寒区高铁隧道的微气压波缓解及防寒保温系统与使用方法，无列车运行时，利用抽风机组是隧道洞口处形成负压区，从洞门缓冲结构后部抽风口抽取寒冷气流，气流经进风通道由出风口以一定角度喷射出，用于减缓侵入隧道内部的风速，达到阻隔外界寒冷气流侵入隧道内部的目的；列车运行时，利用抽风机组是隧道洞口处形成负压区，在洞口处阻止微气压波的不断激化并破坏其形成的压力波，同时抽取的气流经进风通道由出风口以一定角度喷射出高压气流与微气压波进行对冲抵消，达到消散微气压波的目的。
技术方案：
为解决上述技术问题，本申请采用的技术方案为：
一种寒区高铁隧道的微气压波缓解及防寒保温系统，所述系统包括：隧道、洞门缓冲结构、抽风口、出风口、抽风机组、传感器组、PLC控制器和进风通道；
洞门缓冲结构位于隧道洞口两端，用于缓解列车经过隧道产生的微气压波和阻隔外界寒冷气流的侵入；
传感器组位于洞门缓冲结构内部，传感器组与PLC控制器电连接，用于监测风速、风向、温度、列车运行情况和微气压波的大小并向PLC控制器发送数据；
抽风口设于洞门缓冲结构与隧道连接端，出风口设于洞门缓冲结构另一端，所述抽风口与出风口之间通过进风通道连接，进风通道设于洞门缓冲结构外侧，抽风机组与抽风口相连；PLC控制器与抽风机组电连接，PLC控制器位于隧道洞口外侧，根据传感器组传输过来的数据，控制抽风机组的运行功率，从抽风口抽取空气、列车风和/或未阻隔的寒冷气流并通过进风通道由出风口喷出。
作为本发明的一种优选技术方案：所述洞门缓冲结构前端入口为斜切30°的等截面扩大段缓冲结构。
作为本发明的一种优选技术方案：所述洞洞门缓冲结构外侧为弧形结构的进风通道，进风通道与洞门缓冲结构连接在一起呈一体结构，进风通道的出风口宽度为抽风口宽度的1/10。
作为本发明的一种优选技术方案：所述进风通道的抽风口宽度设计公式如下：
其中：S-隧道横断面面积；L-隧道断面周长。
作为本发明的一种优选技术方案：所述进风通道内壁进行打磨光滑并做镜面处理。
作为本发明的一种优选技术方案：所述抽风机组安装于洞门缓冲结构的抽风口处，抽风机组由一组方形高压离心风机组成。
作为本发明的一种优选技术方案：所述传感器组由声波接收器、红外线传感器和风温传感器组成，用于采集洞口处微气压波、列车通行情况、风速风向和空气温度数据，并将检测数据发送至PLC控制器。
作为本发明的一种优选技术方案：所述PLC控制器用于接收传感器组数据并进行分析，控制抽风机组的工作状态。
本申请还公开了一种寒区高铁隧道的微气压波缓解及防寒保温系统的使用方法，无列车运行时，利用抽风机组使隧道洞口处形成负压区，从洞门缓冲结构后部抽风口抽取未阻隔的寒冷气流和空气，气流经进风通道由出风口以15-45°喷射出，用于减缓侵入隧道内部的风速，达到阻隔外界寒冷气流侵入隧道内部的目的；列车运行时，利用抽风机组抽取列车风和空气，使隧道洞口处形成负压区，在洞口处阻止微气压波的不断激化并破坏其形成的压力波，同时抽取的气流经进风通道由出风口以15-45°喷射出高压气流与微气压波进行对冲抵消，达到消散微气压波的目的。
作为本发明的一种优选技术方案：所述使用方法具体包括以下步骤:
步骤一：：数据监测采集，传感器组采集洞门缓冲结构中部的微气压波、风速、风向、温度及列车运行情况，并将数据传输至PLC控制器；
步骤二：PLC控制器接收数据并分析，无列车运行时，当风向由内向外或温度大于0℃时关闭抽风机组，当风速由外向内且温度小于0℃时开启抽风机组，抽风机组的功率根据风速的大小进行控制；
步骤三：列车运行时，抽风机组全功率运行直至声波接收器监测到的微气压波低于50Pa时重复步骤二。
原理解释：高速列车鼻尖进入隧道的瞬间，会在车前产生初始压缩波，该压缩波以声速沿着隧道长度方向传播并不断激化，到达出口时会以脉冲形式从隧道出口向外辐射，形成脉冲状的压力波；列车断面积越大、运行速度越快，其驶入隧道内部产生压缩波也随之增大，当压缩波到达出口时，形成脉冲状的压力波辐射出去；本发明通过洞门缓冲结构对压缩波进行分流及对冲抵消的方法缓解微气压波。
有益效果：本申请所述寒区高铁隧道的微气压波缓解及防寒保温系统与使用方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明采用主动消除微气压波的方式，在传播路径及出口处缓解消散微气压波。
2、本发明采用主动组成外界寒冷气流侵入的方式，采用以风阻风的方式，能够有效阻隔外界寒冷气流的侵入，使冻结区域局限在洞口有限段落内。
3、本发明应用于隧道洞口段，不对隧道内部结构造成破坏，只需在原有洞门的基础上修建，整体结构组成简单，修建、维修方便，适用于已建和新建隧道。
4、本申请可将时速400km/h列车运行产生的130.1Pa的微气压波缓解至50Pa以下
附图说明
图1为本申请寒区高铁隧道的微气压波缓解及防寒保温系统与使用方法立体图
图2为本申请寒区高铁隧道的微气压波缓解及防寒保温系统与使用方法防寒保温系统运行的示意图
图3为本申请寒区高铁隧道的微气压波缓解及防寒保温系统与使用方法微气压波缓解系统运行的示意图
附图标记说明：1-隧道；2-洞门缓冲结构；3-抽风口；4-出风口；5-抽风机组；6-传感器组；7-PLC控制器；8-外界寒冷气流；9-未阻隔的寒冷气流；10-列车；11-微气压波；12-列车风；13-进风通道。
具体实施方式
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本申请涉及一种寒区高铁隧道的微气压波缓解及防寒保温系统与使用方法，所述系统包括隧道1、洞门缓冲结构2、抽风口3、出风口4、抽风机组5、传感器组6、PLC控制器7和进风通道13。
洞门缓冲结构2位于隧道1洞口两端，用于缓解列车10经过隧道1产生的微气压波11和阻隔外界寒冷气流8的侵入；传感器组6位于洞门缓冲结构2内部，传感器组6与PLC控制器7电连接，用于监测风速、风向、温度、列车10运行情况和微气压波11的大小并向PLC控制器7发送数据；抽风口3设于洞门缓冲结构2与隧道1连接端，出风口4设于洞门缓冲结构2另一端，所述抽风口3与出风口4之间通过进风通道13连接，进风通道13设于洞门缓冲结构2外侧，抽风机组5与抽风口3相连；PLC控制器7与抽风机组5电连接，PLC控制器7位于隧道1洞口外侧，根据传感器组6传输过来的数据，控制抽风机组5的运行功率，从抽风口3抽取空气、列车风12和/或未阻隔的寒冷气流9并通过进风通道13由出风口4喷出；通过抽风机组5抽取空气流经出风口4排除；列车运行时，抽风口3可减缓微气压波，出风口4排出的气流可抵消部分微气压波11；列车未运行时，抽风口3可抽出侵入隧道的未阻隔的寒冷气流9，并通过出风口4排出用于减小侵入隧道的外界寒冷气流8的速度。本申请利用高速气流形成的气压波，在抵消列车产生的微气压波的同时，阻隔外界寒冷气流的侵入。
所述系统中：
洞门缓冲结构2前端入口为斜切30°的等截面扩大段缓冲结构。
所述洞门缓冲结构2外侧为弧形结构的进风通道13，进风通道13与洞门缓冲结构2连接在一起呈一体结构，进风通道13的出风口4宽度为抽风口3宽度的1/10。
所述进风通道13的抽风口3宽度设计公式如下：
其中：S-隧道横断面面积；L-隧道断面周长。
出风口4的气流喷射角度为45°
所述进风通道13内壁进行打磨光滑并做镜面处理。
所述抽风机组5安装于洞门缓冲结构2的抽风口3处，抽风机组5由一组方形高压离心风机组成。
所述传感器组6由声波接收器、红外线传感器和风温传感器组成，用于采集洞口处微气压波11、列车10通行情况、风速风向和空气温度数据，并将检测数据发送至PLC控制器7。
所述PLC控制器7用于接收传感器组6数据并进行分析，控制抽风机组5的工作状态。
PLC控制器7与传感器组6、抽风机组5有线或无线连接。
基于上述系统实施的寒区高铁隧道的微气压波缓解及防寒保温系统的使用方法，无列车运行时，利用抽风机组5使隧道洞口处形成负压区，从洞门缓冲结构2后部抽风口3抽取未阻隔的寒冷气流9和空气，气流经进风通道13由出风口4以15-45°喷射出，用于减缓侵入隧道内部的风速，达到阻隔外界寒冷气流8侵入隧道内部的目的；列车10运行时，利用抽风机组5抽取列车风12和空气使隧道洞口处形成负压区，在洞口处阻止微气压波11的不断激化并破坏其形成的压力波，同时抽取的气流经进风通道13由出风口4以15-45°喷射出高压气流与微气压波11进行对冲抵消，达到消散微气压波11的目的，具体包括以下步骤：
步骤一：数据监测采集，传感器组6采集洞门缓冲结构2中部的微气压波11、风速、风向、温度及列车10运行情况，并将数据传输至PLC控制器7；
步骤二：PLC控制器7接收数据并分析，无列车10运行时，当风向由内向外或温度大于0℃时关闭抽风机组5，当风速由外向内且温度小于0℃时开启抽风机组5，抽风机组5的功率根据风速的大小进行控制；
步骤三：列车10运行时，抽风机组5全功率运行直至声波接收器监测到的微气压波11低于50Pa时重复步骤二。
无列车运行时，当传感器组6监测到外界寒冷气流8侵入隧道时，PLC控制器7根据风速传感器监测到的风速大小控制抽风机组5的功率，优先的抽风机组5的抽风机抽风风速为风速传感器监测到的风速大小的2倍，抽风机组5抽取的未阻隔的寒冷气流9经进风通道13由出风口4以45°角度喷射而出，用于减缓外界寒冷气流8侵入隧道的风速，从而达到阻隔外界寒冷气流侵入隧道的目的，使冻结区域局限在洞口有限段落内。
列车运行时，当传感器组6中声波接收器监测到的微气压波大于50Pa且传感器组6中红外线传感器监测到列车10通过隧道时，PLC控制器7控制抽风机组5全功率运行，抽风机组5在隧道洞口处形成负压区，在洞口处阻止微气压波11的不断激化并破坏其形成的压力波，抽取的气流经进风通道13由出风口4以45°角度喷射出高压气流与微气压波11进行对冲抵消，达到消散微气压波的目的。
以上所述仅为本发明的优选实施例,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)
1.一种寒区高铁隧道的微气压波缓解及防寒保温系统，其特征在于：所述系统包括：隧道(1)、洞门缓冲结构(2)、抽风口(3)、出风口(4)、抽风机组(5)、传感器组(6)、PLC控制器(7)和进风通道(13)；
洞门缓冲结构(2)位于隧道(1)洞口两端，用于缓解列车(10)经过隧道(1)产生的微气压波(11)和阻隔外界寒冷气流(8)的侵入；
传感器组(6)位于洞门缓冲结构(2)内部，传感器组(6)与PLC控制器(7)电连接，用于监测风速、风向、温度、列车(10)运行情况和微气压波(11)的大小并向PLC控制器(7)发送数据；
抽风口(3)设于洞门缓冲结构(2)与隧道(1)连接端，出风口(4)设于洞门缓冲结构(2)另一端，所述抽风口(3)与出风口(4)之间通过进风通道(13)连接，进风通道(13)设于洞门缓冲结构(2)外侧，抽风机组(5)与抽风口(3)相连；
PLC控制器(7)与抽风机组(5)电连接，PLC控制器(7)位于隧道(1)洞口外侧，根据传感器组(6)传输过来的数据，控制抽风机组(5)的运行功率，从抽风口(3)抽取空气、列车风(12)和/或未阻隔的寒冷气流(9)并通过进风通道(13)由出风口(4)喷出。
2.根据权利要求1所述的寒区高铁隧道的微气压波缓解及防寒保温系统，其特征在于，所述洞门缓冲结构(2)前端入口为斜切30°的等截面扩大段缓冲结构。
3.根据权利要求1所述的一种寒区高铁隧道的微气压波缓解及防寒保温系统，其特征在于：所述洞门缓冲结构(2)外侧为弧形结构的进风通道(13)，进风通道(13)与洞门缓冲结构(2)连接在一起呈一体结构，进风通道(13)的出风口(4)宽度为抽风口(3)宽度的1/10。
4.根据权利要求1所述的一种寒区高铁隧道的微气压波缓解及防寒保温系统，其特征在于：所述进风通道(13)的抽风口(3)宽度设计公式如下：
其中：S-隧道横断面面积；L-隧道断面周长。
5.根据权利要求1所述的一种寒区高铁隧道的微气压波缓解及防寒保温系统，其特征在于：所述进风通道(13)内壁进行打磨光滑并做镜面处理。
6.根据权利要求1所述的一种寒区高铁隧道的微气压波缓解及防寒保温系统，其特征在于：所述抽风机组(5)安装于洞门缓冲结构(2)的抽风口(3)处，抽风机组(5)由一组方形高压离心风机组成。
7.根据权利要求1所述的一种寒区高铁隧道的微气压波缓解及防寒保温系统，其特征在于：所述传感器组(6)由声波接收器、红外线传感器和风温传感器组成，用于采集洞口处微气压波(11)、列车(10)通行情况、风速风向和空气温度数据，并将检测数据发送至PLC控制器(7)。
8.根据权利要求1所述的一种寒区高铁隧道的微气压波缓解及防寒保温系统，其特征在于，所述PLC控制器(7)用于接收传感器组(6)数据并进行分析，控制抽风机组(5)的工作状态。
9.一种寒区高铁隧道的微气压波缓解及防寒保温系统的使用方法，其特征在于：无列车运行时，利用抽风机组(5)使隧道洞口处形成负压区，从洞门缓冲结构(2)后部抽风口(3)抽取未阻隔的寒冷气流(9)和空气，气流经进风通道(13)由出风口(4)以15-45°喷射出，用于减缓侵入隧道内部的风速，达到阻隔外界寒冷气流(8)侵入隧道内部的目的；列车(10)运行时，利用抽风机组(5)抽取列车风(12)和空气，使隧道洞口处形成负压区，在洞口处阻止微气压波(11)的不断激化并破坏其形成的压力波，同时抽取的气流经进风通道(13)由出风口(4)以15-45°喷射出高压气流与微气压波(11)进行对冲抵消，达到消散微气压波(11)的目的。
10.根据权利要求9所述的寒区高铁隧道的微气压波缓解及防寒保温系统的使用方法，其特征在于，具体包括以下步骤:
步骤一：数据监测采集，传感器组(6)采集洞门缓冲结构(2)中部的微气压波(11)、风速、风向、温度及列车(10)运行情况，并将数据传输至PLC控制器(7)；
步骤二：PLC控制器(7)接收数据并分析，无列车(10)运行时，当风向由内向外或温度大于0℃时关闭抽风机组(5)，当风速由外向内且温度小于0℃时开启抽风机组(5)，抽风机组(5)的功率根据风速的大小进行控制；
步骤三：列车(10)运行时，抽风机组(5)全功率运行直至声波接收器监测到的微气压波(11)低于50Pa时重复步骤二。
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