高速铁路长大隧道音爆现象及斜井辅助泄压缓解效果研究

Research on Sonic Boom in Long Tunnels of High-Speed Railways and Alleviation Effect of Auxiliary Relief through Inclined Shaft

摘要

随着高速铁路隧道运营速度不断增大，隧道空气动力学问题日益凸显。为此，首先调研整理国内外典型高速铁路隧道音爆案例，并在国内某隧道开展一系列实车测试试验，分析200，250和300 km · h^—1 3个典型速度条件下隧道内初始压缩波压力梯度与洞口微气压波峰值变化规律，并对比不同斜井启闭条件下的辅助泄压缓解效果。结果表明：音爆现象主要发生在长度大于5.0 km隧道；当列车速度低于300 km · h^—1时，测试隧道内初始压缩波压力梯度峰值与隧道洞口微气压波峰值相对较小，此时压缩波未发生激化，测试隧道洞口未监测到音爆；当列车速度达到300 km · h^—1及以上时，压缩波发生激化，初始压缩波压力梯度峰值与洞口微气压波峰值分别超过90 kPa · s^—1，150 Pa，此时在测试隧道洞口监测到明显音爆现象；相同速度条件下，不同动车组通过测试隧道时隧道内初始压缩波压力梯度峰值与洞口微气压波峰值存在一定差异，CRH380系列动车组测试数据低于CR400系列动车组；开启斜井能够缓解压力梯度及微气压波峰值，但开启压力梯度峰值达到最大值位置之前的斜井缓解效果更好，而同时开启隧道进口、出口处2个斜井对于压力梯度峰值缓解率最大可达到27.5%。

Abstract

With the increasing operational speed of high-speed train tunnels, tunnel aerodynamic effects and its side effects become prominent. A survey of domestic and international cases of sonic boom was first conducted. Afterwards, a set of full-scale tests were carried out in the test tunnel to investigate the basic variation laws of initial pressure gradient of the compression wave and amplitude of micro-pressure wave at the tunnel portal under three typical speeds at 200 km · h^-1, 250 km · h^-1, and 300 km · h^-1. A comparison was also made of the alleviation effects of auxiliary pressure relief under different conditions of inclined shaft. Research declares major findings as: 1) Sonic boom mainly occurs in tunnels longer than 5.0 km. The peak value of the initial pressure gradient produced by the compression wave and the maximum value of micro-pressure wave are relatively smaller and increase slowly when the train speed is below 300 km/h, indicating that the compression wave has not been intensified, and no sonic boom was detected at the test tunnel portal. Once the train speed reaches 300 km · h^-1 or above, the compression wave will be steepened. Peak values of the initial pressure gradient and micro-pressure wave exceed 90 kPa · s^-1 and 150 Pa, respectively. In such condition, noise produced by the sonic boom is observed; 2) For the same speed level, peak values of the initial pressure gradient and micro-pressure wave are different due to the train type. Measurements obtained from CRH380 high-speed train tests are found to be relatively lower than those derived from CR400 high-speed train tests; 3) Peak values of the initial pressure gradient and micro-pressure wave can be reduced by opening the inclined shaft. Opening the inclined shaft can alleviate the wavefront gradient and the peak micro-pressure wave, but it is more effective to open the inclined shaft before the position where the peak pressure gradient reaches its maximum value. According to the test results, the maximum alleviation effect reaches 27.5% when the two inclined shafts at the tunnel entrance and exit are opened simultaneously.

Graphical abstract

关键词

高速铁路隧道 / 音爆 / 实车测试 / 压力梯度 / 微气压波 / 缓解效果

Key words

High-speed railway tunnel / Sonic boom / Field test / Pressure gradient / Micro-pressure wave / Alleviation effect

截至2023年底，我国铁路运营里程超15.9万km，其中高速铁路里程4.5万km。高速铁路运营极大地提高了交通运输系统工作效率，推动了沿线地方经济的发展。随着列车运营速度增加，隧道空气动力学效应显著，洞口音爆问题日益频发，对隧址环境、行车秩序造成了一定负面影响。

1975年，日本第1次在新干线发现了隧道微气压波现象，随后开展了一系列的全尺寸实车试验^［1］以及模型试验^［2-3］，对压力波在隧道洞内的传播规律以及洞口微气压波的峰值变化进行了研究。2005年，德国在新建纽伦堡市至因戈尔施塔特市高速铁路线路的Euerwang和Irlahull隧道中首次发现了音爆现象^［4］，并随后在科隆至法兰克福线的Schulwald隧道进行了试验研究。既有研究认为，初始压缩波在无砟隧道内传播过程中的激化现象是导致隧道洞口出现音爆的主要原因。由于初始压缩波的激化需要一定的传播距离，因此音爆现象主要发生在长大隧道内。此外，当隧道洞口发生音爆时，微气压波的峰值也通常较高。

根据Yamamoto^［5］提出的微气压波计算模型，隧道洞口微气压波峰值与压缩波的最大梯度（单位时间内气动压力的最大变化值）成正比，与洞口空间角以及洞口外距离成反比。目前，针对隧道洞口微气压波及音爆等问题，主要的缓解方法有3种。第1种，改变隧道洞身结构^［6］，如修建辅助坑道增强压力波在隧道内的反射次数，以此缓解隧道洞口微气压波；第2种，改变列车头型参数^［7-8］，如增加列车头部流线型长度或改变列车截面面积，从而达到减小初始压缩波梯度的效果；第3种，改变隧道洞口型式^［9-10］，如增大缓冲结构开孔率、斜切角度等，从而达到减小压缩波波前梯度、增强泄压效果的目的。

针对以上缓解措施，国内外诸多学者开展了一系列研究。骆建军等^［11-12］采用动模型试验与数值模拟结合的方法，研究了横通道数量、间距对微气压波缓解效果的影响。基于比例尺为1∶127的动模型试验与数值模拟，Miyachi等^［13-15］先后研究了洞口地形地势、缓冲结构开孔型式以及列车鼻部长度对微气压波峰值的影响规律。Kim等^［16-17］基于理论分析与比例尺为1∶64的动模型试验，研发了新式缓冲结构，试验结果表明在250 km · h^—1速度条件下，该缓冲结构的最大缓解率可达78%。骆建军等^［18］、刘堂红等^［19］、王田天等^［20］分别针对隧道洞口不同缓冲结构型式、竖井设计参数下的微气压波幅值规律开展了一系列研究，计算了不同缓冲结构与竖井参数下的微气压波缓解率。此外，Wang等^［21］与Liu等^［22］分析了隧道内温度、气压等环境因素，对洞口微气压波及洞内压力波动的影响。综上，国内外学者针对高速铁路隧道空气动力学效应开展了大量研究，在压力波在隧道内的传播机理、微气压波缓解措施等方面已有了较为扎实的研究基础。然而，目前国内外对于高速铁路隧道音爆问题的关注度不高，尚未开展系统性的研究，更缺乏全尺寸实车试验数据支撑。

本文选取国内某长大高速铁路隧道，针对其音爆问题开展了一系列实车测试，对音爆现象的发生机理、发生音爆时的气动效应特征参数时变规律、斜井辅助缓解效果进行了分析，以期为实际工程提供解决思路与理论支撑。

1 音爆现象调研

1.1　音爆的产生

图1为隧道洞内压力波传播示意图。以本文测试隧道为例，当列车高速驶入隧道时，车头与隧道衬砌内表面间环形空间内空气受到剧烈压缩，在列车头部前方形成初始压缩波，以当地声速在隧道洞内往复传播。当初始压缩波传至隧道洞口后，部分能量辐射至外环境，形成微气压波。

压缩波在传播过程中，同一波阵面各点处速度并不相同，在惯性作用下后波传播速度逐渐快于首波，压缩波首波不断受到后波的挤压，压缩波波形不断变陡，最终发生“激化”^［23］。当压缩波传播至测试隧道出口时，由于隧道断面的突然增大，压缩波转变为膨胀波，一部分反射回隧道内向隧道进口方向传播，另一部分则辐射至隧道洞口环境中，形成微气压波，同时可在洞口监测到明显的轰鸣声即音爆。

音爆与微气压波均对高速铁路运营存在负面影响。微气压波主要包含振动频率小于20 Hz的次声波，人耳不可察觉但传播距离远、衰减慢，易引起建筑物结构（如门、窗）乃至人腔体、重要器官的共振，影响隧道周边居民身心健康及建筑结构安全。音爆则主要为振动频率大于20 Hz的声波，对隧道周边环境形成噪声污染。音爆发生时如有对向来车，还可能干扰正常的行车秩序。

1.2　国外音爆案例

2018年，西班牙Ren FE高速铁路AVE Talgo动车组以180 km · h^—1速度通过La Cabrera隧道（单洞单线，长7 299 m，净空面积53 m²）时，洞口发现音爆现象；当列车继续提速至250和289 km · h^—1后，隧道洞口音爆噪声更加明显。

西班牙La Cabrera隧道音爆测试结果见表1。由表1可知：距离La Cabrera隧道出口中心约30和45 m处的微气压波峰值分别达到161.93和128.69 Pa，Z计权与C计权噪声均超过130 dB。

1.3　国内音爆案例

2009年，我国在武广客专线组织实施开展隧道空气动力学综合试验。实测数据显示，当动车组速度超过320 km · h^—1后，隧道洞口微气压波幅值激增，在五尖大山隧道（长6 857 m，净空面积100 m²）、大瑶山1号隧道（长10 081 m，净空面积100 m²）首次发现了音爆现象。表2为大瑶山1号隧道音爆测试结果。由表2可知：当隧道发生音爆时，洞口20 m处微气压波峰值超过120 Pa，未计权噪声超过130 dB，与西班牙La Cabrera隧道测试结果接近。

本文对截至2022年底我国存在音爆风险的高速铁路隧道进行了统计，结果见表3。由表3可知，目前我国运营隧道中发生音爆现象的隧道共计91座，发生音爆的隧道长度主要分布在5 km以上。其中，隧道长度在4~6 km内隧道仅1座，长4 970 m；隧道长度在6~8 km内隧道37座；长度在8~10 km内隧道24座；10 km以上隧道29座。

2 实车测试

2.1　测试隧道概况

图2为测试隧道平面示意图。图2中，测试隧道全长约14 km，内轨顶面以上有效净空面积为100 m²，隧道洞身段设置2处斜井，分别位于距离隧道进口约4 km（斜井1#）与12 km（斜井2#）处。隧道进口为长度10 m顶部设1处开孔的倒切式缓解结构，出口为长度20 m顶部设3处开孔的倒切式缓解结构，开孔尺寸均为3.0 m（纵向）×3.2 m（横向）。在测试工况中，列车均由隧道进口驶入，出口驶离，沿上行方向行驶。

2.2　测试系统及工况

2.2.1　设备及测点布置

图3为数据测量采集系统。图3中，测试系统主要由GPS、风压传感器和微气压波传感器、IMC数据采集系统、无线远程控制系统、计算机（数据存储、显示、打印及输出终端）组成。其中，GPS用于对试验测量时间进行标准化处理。隧道洞内气动压力的测量选用昆山双桥CYG系列传感器，洞口微气压波则选用以及丹麦G.R.A.S高精度噪声传感器测量，传感器测量量程分别为-8.0~8.0 kPa与-200.0~200.0 Pa，测量精度等级均为0.01级，数据采样频率为1 000 Hz。传感器所采集的数据传输至IMC数据采集系统后，经IMC集成测控数采系统放大、AD转换后利用无线远程控制系统对IMC数据采集系统进行远距离操作，最终导入计算机中保存。

图4为测点布置示意图，于测试隧道洞内、外布置以下3类测点。

（1）速度测点：布置于隧道进、出口处，用于记录列车驶入、驶离隧道洞口时速度。

（2）气动压力测点：布置于距离疏散通道1.2 m高度处，共9个，分别位于距离隧道进口0.50，1.50，4.10，7.00，9.00，11.00，12.00，12.50和13.62 km处。

（3）微气压波测点：布置于隧道进、出口外轨旁，布置高度为距地面1.5 m，共5个测点，距离轨道中心线3.0 m，沿线路方向分别距离隧道出口10，20，50，75和100 m处。

2.2.2　测试工况

根据测试内容共规划6个测试工况，见表4。其中，工况1—工况3为基准工况，列车速度级分别为200，250以及300 km · h^—1，由此得到不同速度级下初始压缩波的传播特性及峰值变化规律；工况4—工况6为对比工况，为动车组以300 km · h^—1速度通过单独开启斜井1#、单独开启斜井2#以及同时开启2个斜井进行辅助泄压工况，以工况3为基准工况，对比得到辅助泄压缓解效果。需要说明的是，每个测试工况对应的速度级下包含多个实际列车速度，覆盖多种测试车型，在测试结果分析分布将分别针对列车速度、车型因素进行讨论。

3 测试结果分析

3.1　隧道洞内气动压力及压力梯度

图5为工况1至工况3中，CRH380BL型动车组通过测试隧道时洞内12 km测点处初始压缩波的气动压力及压力梯度。由图5可知：对于12 km测点处，气动压力与压力梯度峰值随着列车速度的增大而显著增加，200 km · h^—1速度级时气动压力峰值约0.40 kPa，压力梯度峰值约1.30 kPa · s^—1，250 km · h^—1速度级时气动压力峰值约0.51 kPa，压力梯度峰值约4.00 kPa · s^—1，300 km · h^—1速度级时气动压力峰值约0.79 kPa，压力梯度峰值约26.1 kPa · s^—1。

当动车组速度在200~250 km · h^—1区间内时，气动压力峰值与压力梯度峰值增幅有限，随着列车速度的进一步增加，压力梯度峰值在250~300 km · h^—1区间内出现了激增。这主要是由于无砟隧道内轨面各处相对光滑，对于声波的能量吸收作用较弱。随着初始压缩波在隧道内传播距离不断增加，波后的传播速度逐渐大于波前，隧道长度由此压力波波形不断变陡，压力梯度随之不断增大，由此发生激化。当初始压缩波传播到一定距离后（约11 km处），压力梯度达到最大并开始逐渐降低。

图6为工况1—工况4中不同动车组通过测试隧道时，洞内不同纵向位置处的压力梯度峰值。由图6可知：当动车组分别以不同速度沿相同方向通过隧道时，压力梯度峰值均出现在距离隧道进口内约11.0 km处，由此可知，对于给定的隧道，初始压缩波在洞内传播过程中达到最大激化程度所需的压缩波传播距离为定值，与隧道自身结构相关，基本不受列车车型、车速等因素影响，对于本文所选取的测试隧道，该距离约为11.0 km；随着列车速度的增加，压力梯度峰值不断增大，工况1的压力梯度峰值约为2.00 kPa · s^—1，进口端平均值约为1.35 kPa · s^—1，工况2压力梯度峰值约为7.56 kPa · s^—1，进口端平均值约为4.00 kPa · s^—1，工况3压力梯度峰值数据缺乏，进口端平均值约35.0 kPa · s^—1。作为参考，CR400AF动车组在斜井1#开启时（对应工况4），隧道洞内11 km处压力梯度峰值约为95.34 kPa · s^—1。

此外，由图6可知，不同动车组以相同速度通过隧道时，隧道内压力梯度峰值存在一定差异。总体来看，CRH380系列动车组对应的测试峰值均低于CR400AF动车组。随着列车行驶速度的增加，压力梯度峰值差值也随之增大。造成该现象的主要原因在于不同动车组头部流线型设计与列车车身横截面积（阻塞比）存在一定区别。因此，列车驶入隧道后，车头对于隧道内空气的挤压程度不同，洞内的压力扰动程度由此存在一定差异。CRH380AL，CRH380BL以及CR400AF型动车组阻塞比分别为0.111，0.115和0.120。因此，CR400AF型动车组驶入隧道时对空气的挤压程度最大，其压力梯度峰值也越大。

图7为不同斜井启闭工况下（工况3—工况6）的压力梯度峰值。以工况3为对照组，定义分析组工况4—工况6中的压力梯度峰值降幅为缓解率，以此量化不同斜井开启工况对于音爆现象的缓解效果。缓解率{\eta }_j计算式为

{\eta }_j=\frac{P_{\mathrm{g}\mathrm{r},i}-P_{\mathrm{g}\mathrm{r},j}}{P_{\mathrm{g}\mathrm{r},i}}\times100%（1）

式中：P_{\mathrm{g}\mathrm{r}}为压力梯度峰值；下标i为对照组工况编号，此处i=3（即工况3）；下标j为分析组编号，j=4，5，6。

由图7可知：工况5中，当CR400AF动车组以300 km · h^—1速度级通过时，仅开启斜井2#后隧道洞内的压力梯度峰值未得到缓解，各测点处（12 500 m处数据缺失）压力梯度峰值对比斜井全部关闭时（工况3）反而有所增加；工况4中，单独开启斜井1#能够在一定程度上降低压力梯度峰值，但缓解率并不高，小于10%；工况6中，当斜井1#和2#全部开启后压力梯度峰值得到显著缓解，斜井后纵向距离12 000，12 500和13 620 m处测点压力梯度峰值缓解率约为27.5%。此外，研究发现CRH380A型重联动车组通过隧道时，隧道内压力梯度峰值的总体变化规律与CR400AF型动车组趋势类似，但压力梯度峰值总体较CR400AF型偏低。单独开启斜井1#或2#均不能实现较好的缓解效果，同时开启2处斜井后压力梯度峰值有所下降，斜井后纵向距离12 000，12 500和13 620 m处测点压力梯度峰值缓解率约为21.4%。

造成以上结果的主要原因在于：斜井1#距离测试隧道进口约4.0 km，位于压力梯度峰值达到最大之前，单独开启时能够起到一定的泄压作用，在一定程度上削减压力梯度的增幅；对比之下，斜井2#距离测试隧道进口约12.0 km，位于压力梯度峰值达到最大之后，因此单独开启斜井2#对于压力梯度的缓解作用并不明显。

3.2　隧道洞口微气压波

表5为工况1至工况3中隧道进口外微气压波峰值及噪声。由表5可知：当动车组车速为200和250 km · h^—1时，微气压波峰值增幅较小；当动车组进一步提速至300 km · h^—1后，微气压波峰值增加显著，最大值超过150 Pa，并在隧道洞口监测到明显音爆现象，音爆发生时洞口外噪声均在130 dB以上。

图8为工况1至工况3中不同动车组以不同速度驶入测试隧道后，隧道出口外不同位置处的微气压波峰值。由图8可知：微气压波峰值随着洞口外距离的增加而减小；不同动车组以相同速度级通过隧道时，同一测点处的微气压波峰值也存在一定差异，工况1中不同列车的微气压波峰值基本相同，工况2中不同列车的微气压波峰值由小到大依次为CRH380A，CRH380BL和CR400AF型，工况3中列车CRH380D和CRH380A型基本相同且最小，其他列车由小到大依次为CRH380BL，CR400BF和CR400AF型。

造成这一现象的主要原因也在于车身横截面面积以及列车鼻部的流线型设计存在一定差异。当列车驶入隧道时，车身与隧道衬砌内表面间的空气受到剧烈压缩而产生压力波动。对于给定的隧道净空面积，列车阻塞比（列车车身横截面积与隧道净空面积之比）越大，形成的压力扰动也相应越大。此外，研究表明^［8］列车头部流线型设计的优化能够进一步改善列车气动性能，有效降低初始压缩波的压力梯度峰值。由于微气压波幅值与洞口端压力梯度峰值呈正比关系，随着压力梯度峰值的降低，微气压波幅值也将随之降低。

斜井开启后，部分受到压缩的空气通过斜井释放至隧道外环境中由此起到辅助泄压作用。同时，斜井的开启使得部分压力波在斜井内往复传播，并于隧道内的压力波相互作用，加剧了隧道内压力波的叠加、消减过程^［11］。从压力波的传播过程来看，斜井的开启位置、数量等因素均对微气压波的缓解效果存在一定影响。

同一工况对应的速度级包含多个实际列车速度，将相同工况中列车速度相近的多次试验所得微气压波测试值进行平均，由此得到的微气压波平均峰值能够较好地反映该速度级下的微气压波测量值。图9为动车组以300 km · h^—1速度级通过不同斜井启闭状态下的隧道时，测试隧道出口外10，20和50 m的微气压波平均峰值。由图9可知：在相同条件下，斜井的开启对洞口微气压波能够起到一定缓解作用，单独开启斜井1#时洞口微气压波最小，单独开启斜井2#和同时开启2处斜井的洞口微气压波基本相同，这与压力梯度峰值缓解效果一致。

4 结论

（1）当列车运行速度超过300 km · h^—1后，长度在5.0 km以上的高速铁路隧道易发生音爆现象。随着列车速度增加，隧道洞口微气压波峰值增幅显著，音爆发生概率随之增大，发生音爆时隧道洞口未计权噪声均超过130 dB。

（2）测试结果表明，200~250 km · h^—1速度级下，压力梯度峰值与微气压波峰值随着列车速度的增加增幅缓慢，压缩波未发生激化，未发生音爆；列车达到300 km · h^—1速度级后，压力梯度峰值以及微气压波峰值激增，压力梯度峰值最大值出现在距离测试隧道进口约11.0 km处，达到90 kPa · s^—1以上，洞口10 m处微气压波幅值超过150 Pa，此时音爆现象明显。

（3）列车车型对于压力梯度峰值、微气压波峰值存在一定影响。相同速度下，CRH380系列动车组通过隧道时，洞内压力梯度峰值及微气压波峰值相对较小。随着列车速度的增加，列车车型导致的压力梯度峰值与微气压波峰值差异也随之增大。

（4）开启不同位置处斜井时，压力梯度峰值、微气压波幅值存在一定差异。测试结果表明，单独开启斜井1#（压力梯度峰值达到最大值位置之前）的缓解效果优于单独开启斜井2#（压力梯度峰值达到最大值位置之后），同时开启两处斜井与单独开启斜井1#对于微气压波幅值的缓解效果相差不大。

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基金资助

中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划课题(J2023G001)