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隧道竖井对车体压力的作用机理及影响因素分析

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第30卷,第3期 中国铁道科学Vol130No13　2009年5月 CHINARAILWAYSCIENCEMay,2009　

文章编号:100124632(2009)0320068206

隧道竖井对车体压力的作用机理及影响因素分析

杨伟超,彭立敏,施成华

(中南大学土木建筑学院,湖南长沙　410075)

摘　要:采用数值模拟方法,对有无竖井条件下列车高速通过隧道时车体压力的变化过程进行模拟,研究

竖井对车体压力的作用机理,基于车体压力变化幅值对竖井面积、数量和列车速度等因素进行分析。结果表明,

设置竖井后隧道内的压力波及其传播体系以竖井为界分为前后2个不同的阶段,列车在不同阶段内行驶时车体

压力独立地遵循各自的变化规律。减小竖井面积和增加竖井数量均有助于降低车体压力的变化幅度,当竖井面

积小于015倍隧道有效断面面积时,竖井可有效降低车体压力的变化幅度;增加竖井数量虽然能降低车体压力,

但会增多车体压力的变化次数;竖井对车头的降压效果最为显著,其次为车中和车尾;对于不同的列车速度,

竖井对车体都有一定的降压作用,且竖井的降压效果随着列车速度的提高而增强。

关键词:隧道;竖井;空气动力效应;压力波;车体压力

中图分类号:U45113 文献标识码:A

　收稿日期:200828211;修订日期:2009201215　基金项目:铁道部科技研究开发计划项目(2005G003)　作者简介:杨伟超(1978—),男,河南许昌人,博士研究生。 列车高速驶入隧道时,会在隧道内形成一系列

以声速传播的压力波(包括车头的压缩波和车尾的

膨胀波),当这些压力波传到隧道口后,一部分压

力波以微气压波的形式向隧道外部辐射,污染洞口

环境[1];另一部分压力波则在隧道内传播,引起车

厢内的压力变化。近年来,高速铁路的隧道空气动

力问题引起了各国的广泛关注,对竖井与洞口微气

压波之间的关系进行了较详细的研究[224]。竖井不

仅影响隧道洞口的气动噪声,也可显著地改变隧道

内车体压力变化[5],车体压力会通过空调口、门窗

等缝隙向车厢内传播,造成车厢内压力波动,并使

乘客出现耳痛、耳鸣等症状,甚至引发中耳炎等生

理损伤[6],严重地影响列车乘坐环境的舒适性。相

对于微气压波对环境的危害,乘坐环境舒适性的下

降直接影响整条线路上所有乘客,影响面大、范围

广。因此改善列车乘坐环境的舒适性是发展高速铁

路所应解决的关键问题之一[7]。

本文以遂渝线松林堡隧道为原型,采用三维可

压缩非定常计算模型,对竖井条件下车体压力的变

化过程进行模拟,对竖井条件下车体压力的变化机

理进行论述,并基于车体压力的变化幅度(ΔP=

max(P)-min(P))和变化次数,对竖井的面积、

数量和列车运行速度等参数进行分析。研究结果对改善高速铁路的列车乘坐环境舒适性以及隧道竖井

设计均有一定的参考价值。

1　计算模型及结果可靠性分析

111　控制方程

当列车速度vr≤360km・h-1时,相应的马赫

数不大于013,列车运行时的绕流问题可采用三维

黏性非定常流动处理。高速列车周围流场的雷诺数

Re一般大于106[8],可作为湍流流动处理。本文采

用N—S方程和标准κ—ε湍流模型。设

的某一参数,则对于任一控制容积P,流场控制方

程可统一写成如下形式[9]。

ddt∫

Vρ

S[ρ

VS

式中:当<=1,U,e,k,ε时,式(1)分别表示

连续方程、动量方程、能量方程、湍动能方程和湍

动能耗散率ε方程;Γ

及广义源项;ρ为空气密度。

为了封闭方程组,引入完全气体状态方程

p=ρRT(2)

式中:p为压力;R为气体常数;T为空气热力学

温度。112　计算模型

以遂渝线上的列车和松林堡隧道为研究对象,

建立列车和隧道的计算模型。计算参数根据文献

[10]选取,隧道断面的面积At为4813m2、形状

如图1所示,列车的长度为25615m、横截面面积

As为12149m2。

图1　隧道断面图(单位:cm)

为便于建模,认为列车及隧道表面是1个外形

光滑的几何体,隧道内接触网和车体受电弓、转向

架及车辆连接部位等细部结构采用粗糙度模拟。这

种简化方法对局部流场分布会有一定影响,但由此

引起的车体压力误差在可允许范围内[11]。

为分析竖井及其设计参数对车体表面压力变化

的影响,计算模型中加设了断面为圆形的竖井。竖

井面积Ar分别选取4186,2×4186,3×4186,

…,9×4186m2等9种情况。竖井位置分别距隧

道入口013,015,016,019和112km处5种情

况。列车分别以160,200,240,280,320和360

km・h-1这6种速度驶过隧道。

113　边界条件

隧道外部的无穷远处大气按照亚音速黎曼不变

量的无反射边界定义,2个不变量分别对应于输入

波与输出波。流出边界流体的切向速度和熵由边界

内流场插值确定,流入边界流体的切向速度和熵按

自由流场确定。

隧道侧壁及列车表面为静止墙边界,空气在墙

边界的法向速度un和法向压力梯度5P/5n为零,

壁面处为无涡流状态。根据CEBECIT1[12]粗糙管

壁模型试验确定隧道壁面粗糙度。

隧道及竖井与外部大气的接触面按压力出口边

界定义,计算区域内产生的压力波一部分在该边界

处透射,一部分被反射。

列车与隧道之间的相对运动采用文献[3]中

的滑移网格技术处理。

114　计算结果的可靠性分析

以列车中部压力为例,车体表面压力数值计算

结果与文献[10]的实测结果对比分析如图2所示。

图2　车体压力的计算结果与实测结果对比

可见,除部分时段列车的压力变化存在稍许差

异外,数值计算结果与现场测试结果基本吻合,说

明计算方法基本可靠。而产生差异的主要原因在于

计算中隧道壁面采用粗糙度模拟,与实际隧道壁面

存在一定的偏差;另外在测试过程中列车运行速度

的变化也是造成二者结果不一致的原因之一。

2　竖井对车体压力变化的影响及作用

机理

211　竖井对车体压力变化过程的影响

隧道内周期变化的压力场是车体压力变化的根

本原因。竖井可改变隧道内的压力场,进而影响车

体压力。设置竖井后列车中部压力的变化过程对比

(vr=200km・h-1,Ar=34m2,竖井设在距隧道

入口500m处)如图3所示。

图3　竖井对车体压力变化过程的影响

可见,设置竖井后,车体压力的变化幅度ΔP

和变化过程均发生了变化,其中ΔP减小,而变化

次数增多,特别是列车驶过竖井时(如图中的AB

段)。无竖井条件下车体压力只有2个负压极值

(图中Ⅰ和Ⅱ处);而有竖井条件下车体则有4个负

压极值(图中①,②,③,④处)。其主要原因在

于:当列车在竖井前行驶时,由于竖井对压力波的

反射作用[13],列车进入隧道时产生的压力波被竖

井反射,此时竖井相当于隧道出口,压力波大部分

在隧道入口与竖井之间传播,如图4(a)所示。当

列车经过竖井时会产生一系列的附加压力波[3,13],96第3期 隧道竖井对车体压力的作用机理及影响因素分析此时竖井相当于隧道入口,加之竖井对压力波的反

射作用,这些压力波大部分会在竖井与隧道出口之

间传播,如图4(b)所示。

图4　竖井条件下隧道内压力波与车体压力变化过程对比

由图4(a)可以看出,当列车在竖井前行驶

时,车体压力主要受隧道进口与竖井之间的压力波

传播体系的影响,其中a,b,c,e,f,g,h,i,

k等处的压力波动均是由此引起的,而在整个隧道

内传播的压力波部分对车体压力的影响很小,仅为

d和j处。由此可见,前者是造成车体压力变化的

主要部分,且引起的车体压力波动幅值也较大;而

后者对车体压力波动的影响较小,并且幅值也小。

由图4(b)可以看出,列车经过竖井时产生

的附加压力波大部分在竖井与隧道出口之间传播,

这是导致列车经过竖井后车体压力发生变化的主要

原因,其中①,②,③,④和⑤处的压力波动均由

此引起,而在整个隧道内传播的压力波部分对车体

压力的影响较小,仅在⑥,⑦和⑧3处,并且前

者是造成车体压力变化的主要部分,且对车体压力

的影响较大,而后者是造成车体压力变化的次要部

分,且对车体压力的影响较小。

212　竖井对车体压力变化的作用机理

从以上分析可以看出,设置竖井后隧道内压力

场的变化导致了车体压力变化过程的改变,根据隧

道内压力波的传播过程,视压力波在竖井前后的变

化由2部分组成,列车经过竖井前后的车体压力变

化遵循以下规律。

(1)当列车在竖井前行驶时,车体压力变化主

要是由列车进入隧道时产生的初始压力波引起的,

车体压力的变化过程受隧道进口与竖井之间的压力波传播体系及列车行驶速度等因素的影响,车体压

力的变化幅值则与初始压力波的幅值以及竖井对压

力波的反射作用等因素有关。

(2)当列车在竖井后行驶时,车体压力主要是

由列车经过竖井时产生的附加压力波引起的,而压

力变化过程则由竖井与隧道出口之间的压力波传播

体系及列车运行时刻等因素的影响,压力变化幅值

则与附加压力波的幅值有关,此外竖井对压力波反

射效应对车体压力也有一定影响。

3　竖井条件下车体压力的影响因素分

析

311　竖井面积对车体压力的影响

由上面分析可知,竖井条件下车体压力变化幅

值主要是由3个因素确定:①初始压缩波的幅值;

②竖井对压缩波的反射作用;③附加压力波幅值

等,当列车速度一定时,因素②和③成了车体压力

波动程度的主要影响因素,由文献[13]可知,二

者主要与竖井的面积有关。对于不同的竖井面积,

车体的压力变化幅值ΔP如图5所示(vr=200

km・h-1)。

图5　竖井面积与ΔP之间的关系

可见,随着竖井面积的增大,无论列车在竖井

前或者竖井后行驶,ΔP均会明显增大。当竖井面

积小于015倍的隧道面积时,竖井可以有效地降低

车体压力;当竖井面积超过015倍的隧道面积时,

竖井的降压效果就有所减弱;当竖井面积接近隧道

面积时,竖井的降压效果较差,此时竖井可看作隧

道的1个开口端,车体压力的变化过程与列车经过

2个毗邻隧道群时相类似,考虑到设置竖井后车体

压力的变化次数增加,此时设置竖井已不利于缓解

车体的压力。

因此,从减小ΔP的角度考虑,在设计高速铁

路隧道时,应对竖井面积进行适当控制,竖井面积07中　国　铁　道　科　学 第30卷

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深埋隧道围岩压力计算例题及解析

深埋隧道围岩压力计算例题及解析

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1. 引言

在地下工程设计中，深埋隧道的围岩压力计算是至关重要的一步。正确地计算围岩压力可以为隧道支护设计提供准确的依据，保证隧道的安全施工和运营。本文将通过一个具体的例题，介绍深埋隧道围岩压力的计算方法及其解析过程。

地铁隧道结构沉降原因及防治措施探析

地铁隧道结构沉降原因及防治措施探析

地铁隧道结构沉降原因及防治措施探析

摘要：城市化水平的不断提高使我国城市人口不断增加、城市范围不断扩展，为了保证城市居民出行便捷，建设发达安全的城市公共交通网络十分重要。而城市机动车不断增加使城市路面交通的通畅性大大降低，因此，为了保证城市交通的通畅性和有序性，兴建城市地铁是当前城市建设和规划中不可缺少的部分。在地铁建设过程中，重视地铁隧道结构的沉降问题是保证地铁运行安全的关键因素，因此，对地铁隧道结构的沉降原因进行研究分析，并提出切实可行的改进措施有助于提高地铁隧道结构的稳定性，保证地铁安全稳定运行。

关键词：地铁隧道；沉降原因；地质条件；改进措施

1 地铁隧道结构沉降的一般因素

地铁隧道结构的稳定性是保证地铁运行安全的重要基础，但在地铁施工过程中，可能会出现一些原因导致地铁隧道结构出现不均匀沉降现象，影响地铁隧道的正常使用，并且对地表上的建筑物也会造成一定的不利影响。造成地铁隧道结构不均匀沉降的因素很多，主要有以下几个：

1.1 下卧土层的均匀性较差。一般来说，地铁隧道结构的下卧土层呈纵向分布，不同土层的性质、分层以及过度等情况都会影响下卧土层的均匀性和平衡性，而地铁隧道施工过程中，因为下卧土层的均匀性不够稳定就会导致施工偏差，增加地铁隧道结构的沉降量。

1.2 隧道埋深对地铁隧道结构承载力的影响。隧道埋深度主要影响地铁上方结构的承载力，尤其在地铁隧道附近进行施工就会对地铁隧道的施工质量产生影响，使地铁隧道结构出现侧向位移，导致沉降现象发生，并且地铁隧道附近施工也会使地铁结构出现振动，从而造成沉降。

1.3 临近地铁开挖基坑。深基坑开挖过程实际是卸载的过程，临近地铁隧道的深基坑开挖对隧道的影响主要是两个方面1.由于基坑开挖引起围护的侧向位移和坑内隆起使得坑外地层沉降，导致隧道也随之沉降；2.基坑开挖引起围护向基坑内的侧向水平位移，导致隧道发生挠曲变形，临近基坑的隧道段和远离基坑的隧道段间将产生明显的纵向不均匀沉降。

隧道结构受力分析

隧道结构受力分析

实例1 隧道结构受力分析

1．问题描述

选取某新建铁路线上的隧道断面，该断面采用的支护结构如图1所示。为保证结构的安全性，采用了载荷-结构模型。

主要参数如下：

⑴ 隧道腰部和顶部衬砌厚度是65mm，隧道仰拱衬砌厚度为85cm；

⑵ 采用C30钢筋混凝土为衬砌材料；

⑶ 隧道围岩是IV级，洞跨是5.36m，深埋隧道；

⑷ 隧道仰拱下承受水压，水压0.2MPa。

图3-3 隧道支护结构断面图

隧道围岩级别是IV级，其物理力学指标及衬砌材料C30钢筋混凝土的物理力学指标见表3-4。

表3-4 C30钢筋混凝土的物理力学指标

名称 容重

（KN/m3） 弹性抗力系数

K（MPa/m） 弹性模量

E（GPa） 泊松比 内摩擦角

（。） 凝聚力

C（MPa）

IV级围岩 22 300 1.5 0.32 29 0.35

C30钢筋混凝土 25 - 30

0.2 54 2.42

表3-5 载荷计算表

载荷种类 围 岩 压 力 结 构 自 重 水 压（N/m3） 垂直均布力（N/m3） 水平均布力（N/m3）

值 80225 16045 通过ANSYS添加 200000

根据《铁路隧道设计规范》，可计算出深埋隧道围岩的垂直均布力和水平均布力，见表3-5。对于竖向和水平的分布载荷，其等效节点力分别近似取节点两相邻单元水平或垂直投影长度的一般衬砌计算宽度这一面积范围内的分布载荷的总和。自重载荷通过ANSYS程序直接添加密度施加。隧道仰拱部受到的水压0.2MPa按照径向方向再置换为等效节点力，分解为水平竖直方向加载。

2. 求解步骤

第一步：定义工作文件名和工作标题

⑴ 进入ANSYS/Multiphysics的程序界面后，选择菜单Utility Menu（菜单）：File→Change Jobname，出现Change Jobname对话框。在【/FILNAM】Enter new Jobname输入框中输入工作名称Support，单击OK按钮关闭该对话框。

隧道工程考点(2)(1)

隧道工程考点(2)(1)

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一． 名词解释(5个)

 隧道：隧道是一种修建在地下的，可供行人，交通及管线设施通过的一种工程建筑物。

 越岭线：通过山区的交通干线往往要翻越分水岭，从一个水系进入另一个水系，这段线路称之为越岭线，线路为穿越分水岭而修建的隧道称为越岭隧道。

 垭口：当线路必须跨越分水岭时，分水岭的山脊线上高程较低处，即称垭口。

 傍山隧道：山区铁路（或公路）除越岭地段以外，线路大多是沿河傍山而行，在地势陡峻的峡谷地段，常需修建的隧道即为傍山隧道，也有称之为河谷线隧道。

 ◆ 概念：隧道平面是指隧道中心线在水平面的投影

 隧道纵断面是中心线展直后在垂直面的投影

 隧道净空：隧道衬砌内轮廓线所包围的空间，包括隧道的建筑界限，通风照明及其他功能所需的断面面积。

 隧道建筑限界：为了保证隧道内各种交通的正常运行与安全，而规定在一定宽度和高度范围内不得有任何障碍物的空间范围。

洞门：在隧道洞口用圬工砌筑并加以一定建筑装饰的支挡结构物。

 避车洞： 列车通过隧道时，为保证洞内人员及维修设备安全，在隧道两侧边墙上交错均匀地修建了洞室，用于躲避列车，故称之为避车洞。

 自然通风： 利用洞内的自然风（由洞口间的温度差、大气压力差引起）和列车运行所引起的活塞风以达到通风的目的。

 机械通风：在通风机的作用下使风流沿着隧道全长方向流动的通风方式 。

 围岩:隧道开挖后对其稳定性产生影响的那部分岩(土)体。

 ●蠕变：指应力不变，而应变随时间增长。

 ●松弛：应变不变，而应力随时间而衰减

 自然拱的概念：围岩的变形不能得到有效的控制，当变形超过一定限度后，围岩发生松动、坍落，最终在洞室上方形成拱形。

 传统矿山法：采用钻爆法开挖和钢木构件支撑的施工方法称为传统的矿山法，或称为背板法。

 衬砌：开挖后的隧道，为了保持围岩的稳定性，隧道必须有足够强度的支护结构称为衬砌。