高速铁路隧道洞口的管道型空腔降压缓冲结构及施工方法与流程

1.本发明涉及隧道洞口降压施工领域，特别是一种高速铁路隧道洞口的管道型空腔降压缓冲结构及施工方法。


背景技术：

2.我国高速铁路建设迅速发展，为缩短城市之间的交通时间，高速列车运行速度不断提升。高速列车以时速400km的速度运行已成为可能，未来还将向着更快速度迈进。车速的提高，导致隧道空气动力学问题逐渐突出。
3.高速列车运行以来，隧道洞口即存在微气压波，随着车速的不断提高，微气压波对周围环境的危险进一步突显。微气压波的能量主要在次声波区，会对建筑物和人体器官造成损伤，当其能量较高时，隧道洞口还会出现音爆现象，给周围环境带来噪音污染。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，远超规要求(50pa)。目前，在隧道洞口设置缓冲结构是降低微气压波的主要手段。
4.目前，隧道洞口的单一形式缓冲结构难以较短的纵向长度降低洞口微气压波至规范限值内。受洞口地形限制较大，因此需要一种结构长度较短但是对微气压波减缓效果较好的缓冲结构。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于：针对背景技术存在的隧道洞口采用较短纵向长度的单一形式缓冲结构难以将洞口微气压波降低到规范限值内的问题，提供一种高速铁路隧道洞口的管道型空腔降压缓冲结构及施工方法。
6.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
7.一种高速铁路隧道洞口的管道型空腔降压缓冲结构，包括设置于标准断面隧道端部的第一等截面衬砌，所述第一等截面衬砌外部设置有空腔，所述空腔内沿线路方向设置有若干通风管道，所述通风管道与所述空腔相连通，所述第一等截面衬砌上贯穿设置有若干通风孔，所述通风孔与所述通风管道对应设置，且所述通风管道与对应所述通风孔相连通。
8.本技术所述的一种高速铁路隧道洞口的管道型空腔降压缓冲结构，由于所述第一等截面衬砌上贯穿设置有若干通风孔，所述通风管道与对应所述通风孔相连通，通风管道设置在第一等截面衬砌外部设置有空腔内，当压力波经过高速铁路隧道洞口的管道型空腔降压缓冲结构时，由于通风孔的设置，使得高速铁路隧道洞口的管道型空腔降压缓冲结构内的净空断面面积沿其轴向上不断变化，压力波会在各个通风孔处产生膨胀和收缩效应，以减少压力波的能量，从而降低初始压缩波和高速铁路隧道洞口的洞口微气压波。
9.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。在空腔内设置通风管道，第一等截面衬砌上贯穿设置有若干通风孔，增大缓
冲结构内壁的粗糙度，因此压力波经过缓冲结构时，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。
10.综上所述：本技术所述的一种高速铁路隧道洞口的管道型空腔降压缓冲结构，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。
11.优选地，所述通风管道朝向标准断面隧道方向开口。
12.优选地，所述第一等截面衬砌的内腔断面面积大于标准断面隧道的内腔断面面积。通过扩大第一等截面衬砌的断面面积来缓解微气压。以增加压缩波形成的时间，从而降低其压力梯度。
13.优选地，所述第一等截面衬砌作为标准断面隧道端部一部分，且在所述第一等截面衬砌外侧间隔设置第二等截面衬砌。如此设计，本技术所述的一种高速铁路隧道洞口的管道型空腔降压缓冲结构不用在标准断面隧道端部额外增加长度，缓冲结构占用纵向空间小，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。
14.优选地，若干所述通风管道按高度分为底层通风管道组，中层通风管道组和上层通风管道组，其中：
15.所述底层通风管道组包括至少两个沿第一等截面衬砌长度方向间隔设置的所述通风管道；
16.所述中层通风管道组包括至少两个沿第一等截面衬砌长度方向间隔设置的所述通风管道；
17.所述上层通风管道组包括至少两个沿第一等截面衬砌长度方向间隔设置的所述通风管道。
18.优选地，所述底层通风管道组包括3个所述通风管道；
19.优选地，所述中层通风管道组包括3个所述通风管道；
20.优选地，所述上层通风管道组包括3个所述通风管道。
21.优选地，所述通风管道为l型构件。
22.优选地，所述通风管道沿线路方向长度9-11m。
23.本技术还公开了一种用于本技术所述的高速铁路隧道洞口的管道型空腔降压缓冲结构的施工方法，包含以下步骤：
24.s1、在标准断面隧道端部外侧开挖空腔；
25.s2、在所述空腔处施工所述通风管道；
26.s3、施工第一等截面衬砌，并在第一等截面衬砌上施工通风孔，使所述通风管道与对应所述通风孔相连通。
27.本技术所述的一种用于本技术所述的高速铁路隧道洞口的管道型空腔降压缓冲结构的施工方法，实施方便、结构简单，能够以较短的缓冲结构长度缓解隧道洞口微气压波，受隧道洞口地形的限制较小。
28.优选地，步骤s1具体为：在标准断面隧道端部外侧施工第二等截面衬砌，在内侧形成所述空腔。
29.综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
30.1、本技术所述的一种高速铁路隧道洞口的管道型空腔降压缓冲结构，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。
31.2、本技术所述的一种用于本技术所述的高速铁路隧道洞口的管道型空腔降压缓冲结构的施工方法，实施方便、结构简单，能够以较短的缓冲结构长度缓解隧道洞口微气压波，受隧道洞口地形的限制较小。
附图说明
32.图1是本发明的一种高速铁路隧道洞口的管道型空腔降压缓冲结构的结构立体示意图。
33.图2是本发明的一种高速铁路隧道洞口的管道型空腔降压缓冲结构的结构立体示意图(去掉端部结构)。
34.图3是本发明的一种高速铁路隧道洞口的管道型空腔降压缓冲结构的结构立体示意图(一个方向，去掉第二等截面衬砌)。
35.图4是本发明的一种高速铁路隧道洞口的管道型空腔降压缓冲结构的结构立体示意图(另一个方向，去掉第二等截面衬砌)。
36.附图标记：1-标准断面隧道；2-底层通风管道组；3-中层通风管道组；4-上层通风管道组；5-第一等截面衬砌；6-空腔；7-通风孔；10-通风管道；18-第二等截面衬砌；
具体实施方式
37.下面结合附图，对本发明作详细的说明。
38.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。
39.实施例1
40.如图1-4所示，本实施例所述的一种高速铁路隧道洞口的管道型空腔降压缓冲结构，一种高速铁路隧道洞口的管道型空腔降压缓冲结构，其特征在于，包括设置于标准断面隧道1端部的第一等截面衬砌5，所述第一等截面衬砌5外部设置有空腔6，所述空腔6内沿线路方向设置有若干通风管道10，所述通风管道10与所述空腔6相连通，所述第一等截面衬砌5上贯穿设置有若干通风孔7，所述通风孔7与所述通风管道10对应设置，且所述通风管道10与对应所述通风孔7相连通。
41.本技术所述的一种高速铁路隧道洞口的管道型空腔降压缓冲结构，由于所述第一等截面衬砌5上贯穿设置有若干通风孔7，所述通风管道10与对应所述通风孔7相连通，通风管道10设置在第一等截面衬砌5外部设置有空腔6内，当压力波经过高速铁路隧道洞口的管道型空腔降压缓冲结构时，由于通风孔7的设置，使得高速铁路隧道洞口的管道型空腔降压缓冲结构内的净空断面面积沿其轴向上不断变化，压力波会在各个通风孔7处产生膨胀和收缩效应，以减少压力波的能量，从而降低初始压缩波和高速铁路隧道洞口的洞口微气压波。
42.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。在空腔6内设置通风管道，第一等截面衬砌5上贯穿设置有若干通风孔7，增
大缓冲结构内壁的粗糙度，因此压力波经过缓冲结构时，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。
43.综上所述：本技术所述的一种高速铁路隧道洞口的管道型空腔降压缓冲结构，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。
44.所述通风管道10朝向标准断面隧道1方向开口。
45.第一等截面衬砌5的内腔为第一等截面衬砌5内侧供火车通过的腔体；
46.标准断面隧道1的内腔为标准断面隧道1内侧供火车通过的腔体。
47.所述第一等截面衬砌5的内腔断面面积大于标准断面隧道1的内腔断面面积。通过扩大第一等截面衬砌5的断面面积来缓解微气压。以增加压缩波形成的时间，从而降低其压力梯度。
48.所述第一等截面衬砌5作为标准断面隧道1端部一部分，且在所述第一等截面衬砌5外侧间隔设置第二等截面衬砌18。如此设计，本技术所述的一种高速铁路隧道洞口的管道型空腔降压缓冲结构不用在标准断面隧道1端部额外增加长度，缓冲结构占用纵向空间小，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。
49.若干所述通风管道10按高度分为底层通风管道组2，中层通风管道组3和上层通风管道组4，其中：
50.所述底层通风管道组2包括至少两个沿第一等截面衬砌5长度方向间隔设置的所述通风管道10；
51.所述中层通风管道组3包括至少两个沿第一等截面衬砌5长度方向间隔设置的所述通风管道10；
52.所述上层通风管道组4包括至少两个沿第一等截面衬砌5长度方向间隔设置的所述通风管道10。
53.所述底层通风管道组2包括3个所述通风管道10；
54.所述中层通风管道组3包括3个所述通风管道10；
55.所述上层通风管道组4包括3个所述通风管道10。
56.所述通风管道10为l型构件。
57.所述通风管道10沿线路方向长度9-11m。
58.具体地，在标准断面隧道1的出入口增设第一等截面衬砌5。
59.其中所述通风管道10沿线路方向长度9-11m，其余部分长度沿线路方向长度9-11m。
60.第一个通风管道中线与隧道出口距离14-16m，最后一个通风管道中线距缓冲结构出口14-16m，其余通风管道距上一通风管道的距离均为度9-11m。
61.在第一等截面衬砌5中均匀布置3个通风管道。
62.第一等截面衬砌5半径为标准隧道断面半径的若干倍。
63.通风管道沿线路方向长度8-12m，宽度1.2-1.7m，第一等截面衬砌5半径为标准隧道断面半径的1.3-1.4倍。
64.本技术所述的一种高速铁路隧道洞口管道型空腔降压缓冲结构，其对压力梯度的缓解原理包括以下：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。在缓冲结构的第一等截面衬砌5的内部设置通风管道，增大隧道内壁的粗糙度，因此压力波经过等截面隧道时，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。
65.沿程损失公式：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：
[0066][0067]
式中，αp为压力波经过缓冲结构时的压力损失值；l为管道长度，此处取缓冲结构长度；d为管道直径，此处取缓冲结构的等效直径；l/d称为管道的几何因子；ρ为空气密度；v为管内的平均流速；λ为沿程摩阻系数，量纲为1，λ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和管壁相对粗糙度的函数其取值可查询莫迪图得到，根据流体在管道内流动形态的不同，其计算公式如公式(2)～公式(4)所示：
[0068]
对于圆管层流：
[0069]
对于圆管过度粗糙区：
[0070]
对于圆管紊流粗糙区：
[0071]
式中：re为雷诺数，计算公式为d为管道直径，μ为空气的粘滞系数，取1.87
×
10-5
pa.s。
[0072]
在标准断面隧道1的出、入口处设置管道型空腔降压缓冲结构，所述管道型空腔降压缓冲结构的净空面积为所述标准断面隧道1的1.3-1.4倍，且为等截面形式，长度为80m；
[0073]
管道型空腔降压缓冲结构由标准隧道断面、第一等截面衬砌5和若干通风管道组成。通风管道在线路方向投影和标准隧道断面保持垂直；通风管道共分为3排，第一根通风管道沿线路宽度1.5m，距离标准隧道断面15m，最后一根通风管道距标准隧道断面15m。
[0074]
通风管道共分为3排，均沿线路方向宽度1.5m。其中，第一根通风管道中线距离隧道出入口15m，最后一根通风管道距离隧道出入口15m，第一、二、三根管道中线之间距离10m。
[0075]
通风管道和同标准隧道衬砌均采用现浇的形式依次浇筑，具有结构稳定，整体性较好的特点。
[0076]
最后，标准隧道断面和通风管道之间平滑连接，拥有良好的缓冲性能以及整体性。
[0077]
取列车通过隧道时的流速为v＝30m/s，空气的粘滞系数μ＝1.87
×
10-5
pa.s，缓冲结构的等效直径d＝12.6m，计算得到的雷诺数为：
[0078][0079]
沿程摩阻系数λ按公式(4)进行计算，其中k为绝对粗糙度，取为1.2；d为缓冲结构的等效直径，为12.6m，计算得到沿程摩阻系数λ＝0.3。
[0080]
根据缓冲结构的长度l＝80m；空气密度为1kg/m3；根据公式(1)计算得到压力波通过缓冲结构时的压降为：
[0081][0082]
考虑到高速列车通过缓冲结构时，在断面突变处又会形成新的压缩波。因此，对局部压力损失乘一个折减系数n＝0.3，折减系数为经验取值。最终压力损失为257pa。综合局部压力损失和沿程压降，可以确定缓冲结构降低压缩波的压力257pa。
[0083]
当压力波通过缓冲结构时能产生257pa的压降，说明本发明采用的缓冲结构能很好的降低初始压缩波，进而降低隧道出口微气压波。
[0084]
本发明能以较短的缓冲结构长度达到较好的减缓效果，因此缓冲结构占用纵向空间小，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。
[0085]
实施例2
[0086]
如图1-4所示，本技术还公开了一种用于本技术所述的高速铁路隧道洞口的管道型空腔降压缓冲结构的施工方法，包含以下步骤：
[0087]
s1、在标准断面隧道1端部外侧开挖空腔6；
[0088]
s2、在所述空腔6处施工所述通风管道10；
[0089]
s3、施工第一等截面衬砌5，并在第一等截面衬砌5上施工通风孔7，使所述通风管道10与对应所述通风孔7相连通。
[0090]
本技术所述的一种用于本技术所述的高速铁路隧道洞口的管道型空腔降压缓冲结构的施工方法，实施方便、结构简单，能够以较短的缓冲结构长度缓解隧道洞口微气压波，受隧道洞口地形的限制较小。
[0091]
具体地，步骤s1具体为：在标准断面隧道1端部外侧施工第二等截面衬砌18，在内侧形成所述空腔6。
[0092]
具体地一种优选地方式：
[0093]
缓冲结构示意图如图1所示，在隧道外壁浇筑混凝土，使之形成距离隧道外壁一端空隙的等截面衬砌5结构；
[0094]
在隧道外空腔部分设置三排l型通风管道模板；
[0095]
在模板上绑扎若干钢筋，通风管道四周浇筑混凝土形成管道内外壁；
[0096]
管道壁面与隧道壁面采用现浇混凝土的形式将其固定；
[0097]
待混凝土达到设计强度以后，依次撤出l型钢模板和平面模板；
[0098]
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。

技术特征：
1.一种高速铁路隧道洞口的管道型空腔降压缓冲结构，其特征在于，包括设置于标准断面隧道(1)端部的第一等截面衬砌(5)，所述第一等截面衬砌(5)外部设置有空腔(6)，所述空腔(6)内沿线路方向设置有若干通风管道(10)，所述通风管道(10)与所述空腔(6)相连通，所述第一等截面衬砌(5)上贯穿设置有若干通风孔(7)，所述通风孔(7)与所述通风管道(10)对应设置，且所述通风管道(10)与对应所述通风孔(7)相连通。2.根据权利要求1所述的一种高速铁路隧道洞口的管道型空腔降压缓冲结构，其特征在于，所述通风管道(10)朝向标准断面隧道(1)方向开口。3.根据权利要求1所述的一种高速铁路隧道洞口的管道型空腔降压缓冲结构，其特征在于，所述第一等截面衬砌(5)的内腔断面面积大于标准断面隧道(1)的内腔断面面积。4.根据权利要求1所述的一种高速铁路隧道洞口的管道型空腔降压缓冲结构，其特征在于，所述第一等截面衬砌(5)作为标准断面隧道(1)端部一部分，且在所述第一等截面衬砌(5)外侧间隔设置第二等截面衬砌(18)。5.根据权利要求1所述的一种高速铁路隧道洞口的管道型空腔降压缓冲结构，其特征在于，若干所述通风管道(10)按高度分为底层通风管道组(2)，中层通风管道组(3)和上层通风管道组(4)，其中：所述底层通风管道组(2)包括至少两个沿第一等截面衬砌(5)长度方向间隔设置的所述通风管道(10)；所述中层通风管道组(3)包括至少两个沿第一等截面衬砌(5)长度方向间隔设置的所述通风管道(10)；所述上层通风管道组(4)包括至少两个沿第一等截面衬砌(5)长度方向间隔设置的所述通风管道(10)。6.根据权利要求5所述的一种高速铁路隧道洞口的管道型空腔降压缓冲结构，其特征在于：在沿第一等截面衬砌(5)长度方向：所述中层通风管道组(3)的通风管道(10)与所述底层通风管道组(2)的通风管道(10)交错设置；和/或，所述中层通风管道组(3)的通风管道(10)与所述上层通风管道组(4)的通风管道(10)交错设置。7.根据权利要求5所述的一种高速铁路隧道洞口的管道型空腔降压缓冲结构，其特征在于：所述底层通风管道组(2)包括3个所述通风管道(10)；和/或，所述中层通风管道组(3)包括3个所述通风管道(10)；和/或，所述上层通风管道组(4)包括3个所述通风管道(10)。8.根据权利要求1所述的一种高速铁路隧道洞口的管道型空腔降压缓冲结构，其特征在于：所述通风管道(10)为l型构件；和/或
所述通风管道(10)沿线路方向长度9-11m。9.一种用于权利要求1-8任意一项所述的高速铁路隧道洞口的管道型空腔降压缓冲结构的施工方法，其特征在于，包含以下步骤：s1、在标准断面隧道(1)端部外侧开挖空腔(6)；s2、在所述空腔(6)处施工所述通风管道(10)；s3、施工第一等截面衬砌(5)，并在第一等截面衬砌(5)上施工通风孔(7)，使所述通风管道(10)与对应所述通风孔(7)相连通。10.根据权利要求9所述的一种施工方法，其特征在于，步骤s1具体为：在标准断面隧道(1)端部外侧施工第二等截面衬砌(18)，在内侧形成所述空腔(6)。

技术总结
本发明涉及隧道洞口降压技术领域，特别是一种高速铁路隧道洞口的管道型空腔降压缓冲结构及施工方法。其中高速铁路隧道洞口的管道型空腔降压缓冲结构，第一等截面衬砌外部设置有空腔，空腔内沿线路方向设置有若干通风管道，通风管道与空腔相连通，第一等截面衬砌上贯穿设置有若干通风孔，通风孔与通风管道对应设置，且通风管道与对应通风孔相连通。本申请的一种高速铁路隧道洞口的管道型空腔降压缓冲结构，当压力波经过扩大型断面隧道时，由于缓冲结构内的净空断面面积沿其轴向上不断变化，压力波会在各个通风孔处产生膨胀和收缩效应，以减少压力波的能量，从而降低初始压缩波和高速铁路隧道洞口的洞口微气压波。和高速铁路隧道洞口的洞口微气压波。和高速铁路隧道洞口的洞口微气压波。


技术研发人员：罗禄森 王伟 喻渝 杨伟超 张红伟 胖涛 刘金松 袁伟 齐春 何昌国 郑长青 匡亮 赵伦 辜英晗 王闯
受保护的技术使用者：中铁二院工程集团有限责任公司
技术研发日：2023.06.27
技术公布日：2023/10/15