不同长度高速铁路隧道压缩波激化过程及音爆现象

Compression Wave Intensification Process and Sonic Boom Phenomenon of High-Speed Railway Tunnel with Different Lengths

摘要

针对动车组运营速度不断提高、高速铁路长大隧道音爆现象频发的问题，选取3座洞口缓冲结构型式相同但长度不同的隧道开展实车试验，分析250，280和300 km · h^-1 3种速度级下的压缩波波形畸变过程，讨论音爆发生时隧道洞口微气压波及音爆噪声峰值变化规律。结果表明：相同速度条件下，随着初始压缩波传播距离的增加，在惯性效应与摩擦效应竞相主导作用下，气动压力正峰值减小而压力梯度峰值增大，压缩波激化加剧并产生音爆；动车组速度增加时，长隧道出口处的压力梯度峰值增幅比进口处的更大，压缩波激化更加显著；随着压力梯度峰值的增大，微气压波峰值近似呈指数增加趋势；隧道内环境噪声峰值在音爆未发生时通常在50 dB（A）上下波动，音爆发生后则在短时间内迅速增大，传播至洞口外后随着与洞口距离的增加而逐渐减小，但通常大于60 dB（A）；动车组速度越高、隧道越长，音爆噪声峰值越大，300 km · h^-1速度级下的隧道3洞口外20 m处噪声峰值最大达到89.16 dB（A）。

Abstract

In response to the increasing operational speeds of EMU (Electric Multiple Unit) trains and frequent occurrence of sonic boom phenomena in high-speed railways with long and large tunnels, 3 tunnels with identical buffer structures at their entrances but different lengths were selected to conduct field train tests. The distortion process of compression waveforms at 3 speed levels of 250, 280, and 300 km · h^-1 was analyzed, and variation patterns of micro-pressure waves and sonic boom peak noise at tunnel entrances during sonic booms were discussed. The results indicate that under the same speed conditions, as the propagation distance of the initial compression wave increases, the positive peak value of aerodynamic pressure decreases while the peak value of pressure gradient increases due to the competing dominance of inertia and friction effects, which intensifies the excitation of compression waves, leading to sonic booms. When the speed of EMU trains increases, the peak pressure gradient at the exit of long tunnels increases more significantly compared to that at the entrance, resulting in more pronounced compression wave intensification. As the peak pressure gradient increases, the peak value of micro-pressure waves exhibits an approximately exponential growth trend. Before the occurrence of a sonic boom, the peak environmental noise inside the tunnel typically fluctuates around 50 dB(A). However, after a sonic boom occurs, the noise rapidly increases within a short period and gradually decreases as it propagates away from the tunnel entrance, but it usually remains above 60 dB(A). The higher the speed of EMU trains and the longer the tunnel, the greater the peak noise of sonic booms. At the speed of 300 km · h^-1, the maximum peak noise measured at 20 m outside the entrance of Tunnel 3 reaches 89.16 dB(A).

Graphical abstract

关键词

高速铁路 / 隧道气动效应 / 音爆 / 压缩波 / 实车试验

Key words

High-speed railway / Tunnel aerodynamic effect / Sonic boom / Compression wave / Field train test

在我国高速铁路迅速发展的大背景下，随着西康、西十等一批西部地区铁路工程地有序推进以及远期成渝中线等更高速度铁路工程规划的逐步落地，我国高速铁路隧道不仅数量上逐年增加，而且其中长大隧道的占比也在逐年上升。当动车组高速通过隧道时，会产生相对复杂的空气动力学效应，特别是长大铁路隧道中，产生的压缩波在隧道内传播时会发生激化并导致音爆现象的发生。音爆现象最早被发现于日本山阳新干线冈山—博多区间，音爆时产生的爆破性轰鸣声引起了沿线居民的不满，日本铁路公司随后开展调研，通过在隧道洞口增设棚洞式缓冲结构的方式消除了音爆噪声。然而，随着世界范围内高速铁路运营速度的不断提高，音爆现象在多国高速铁路隧道中频繁出现，如2005年德国Euerwang隧道、2018年西班牙La Cabrera隧道等均发现音爆现象。音爆现象及其发生频率的日益增加，已经引起相关国家学者的共同关注。

针对高速铁路隧道音爆问题，近几十年间多国学者采用实车试验、动模型试验以及数值仿真模拟等方法，围绕隧道内压缩波传播特性、缓解措施等问题开展了研究。压缩波传播特性方面，FUKUDA等^［1］较早开展了相关实测与仿真分析，发现当动车组以163和128 km · h^-1分别低速通过长25.8 km、轨面以上净空面积61.9 m²的试验隧道时，长大隧道内的压缩波在传播过程中表现出首波梯度峰值单调递减的趋势；当动车组速度超过248 km · h^-1后，首波梯度峰值则表现出先增大后减小的趋势。基于一维声学理论，HOWE等^［2-3］分析了动车组以不同速度通过设有开孔的缓冲结构时，不同开孔条件下压缩波首波及其梯度的演化规律。KRYLOV等^［4］基于压力波洞口传播特性，讨论了诱发音爆现象所需满足的临界隧道长度及其音爆噪声峰值的特性。LIU等^［5-6］基于实车试验，研究了动车组通过不同长度隧道时，隧道及动车组内外的气动压力时变规律。

缓解措施方面，已开展的相关研究主要针对隧道洞口微气压波问题，为音爆的缓解寻找研究思路与理论参考。文献［7-12］分别讨论了阶梯式、斜切式、间缝式开口、侧开窗式以及断面扩大开孔式缓冲结构在不同速度级下对于微气压波的缓解效果。基于仿生学分析，KIM等^［13］研发了一种新型缓冲结构，并在比例尺为1/64.2的试验台上开展了动模型试验，发现在250 km · h^-1速度条件下，该缓冲结构对微气压波的最大缓解效果达到78%。此外，KWON等^［14］和MIYACHI等^［15］研究了动车组头型参数在微气压波峰值、音爆问题的影响并提出相关优化参数建议。然而，受隧道几何参数、动车组速度及车型等多方面因素的共同影响，音爆现象产生机理及诱发边界复杂，针对音爆现象的共性规律及特征参数时变特性尚需开展进一步研究。

基于此，本文依托已开展的隧道气动效应综合试验，选取缓冲结构型式一致但长度不同的3座高速铁路隧道作为研究对象，对试验数据开展串并联分析，以期阐明压缩波在不同隧道内传播时的波形畸变规律，明确导致音爆现象发生的主要参数及其边界，从而为实际工程提供理论支撑及参考。

1 实车测试

列车高速驶入长大隧道时形成的初始压缩波不仅会在隧道内往复传播，还会在非线性效应作用下发生激化并诱发音爆现象。为进一步探明压缩波激化与音爆发生两者间的关联机制，选取缓冲结构型式一致但长度不同的3座隧道开展实车测试，以探寻动车组通过隧道时隧道内压力波的传播及发展规律。

1.1　测试概况

将开展实车测试的3座实际隧道分别命名为隧道1—隧道3。3座隧道轨面以上净空面积均为92 m²，长度依次为1.8，9.0和14.0 km；各隧道的进、出口洞门均为长15 m的等截面端墙式缓冲结构，洞内全部采用无砟轨道。各隧道内均沿长度方向每200 m设1处洞室，隧道2和隧道3还分别设有1和2处斜井，试验时斜井均保持关闭。试验期间，动车组沿下行正向通过，由各试验隧道进口驶入，出口驶离；隧道3额外增加反向通过工况，即出口驶入、进口驶离。

在各试验隧道内不同空间位置处设置气动压力测试断面，如图1所示。将各测试断面距隧道进口距离与隧道全长之比记为x_{\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{n}}并以此标记各断面位置，所选各测试断面位置见表1。在隧道进口处布置速度测点，用于捕捉列车进洞时的瞬时速度；在每个测试断面下行线腰墙距疏散通道1.2和2.0 m处置压力测点，用于获取不同时刻下隧道壁面气动压力随时间的发展曲线；在试验隧道洞口外距地面垂直高度1.5 m、距轨道中心线3.0 m处布置微气压波及噪声测点，由此得到动车组以不同速度通过时的微气压波及音爆噪声时程曲线。其中试验隧道1和隧道3的洞口外微气压波及噪声测点到洞口距离分别为20和50 m，试验隧道2在此基础上增加2处测点，到洞口距离分别为30与75 m。

根据试验线路提速需求，设置试验速度级共3档，根据线路的当前运营速度和目标运营速度，分别取250，280和300 km · h^-1。每组速度级下至少开展1次重复试验，以确保测试数据的可靠性。此外，每次试验中，动车组的实际速度与试验速度级可能存在一定程度的上下浮动，导致测试数据峰值相应波动，将在相关讨论中进行具体说明。

1.2　数采系统

图2为试验所用数据测量采集系统^［16］，主要包括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），其中IMC系统为数据采集核心。图中箭头表示数据流向。

试验前，利用GPS对各类试验设备及传感器进行测量时间的标准化处理，从而保证试验设备对于数据的采集时间一致。选用测量量程为-8.0~8.0 kPa的昆山双桥CYG系列传感器，测量隧道壁面气动压力。选用量程为-200.0~200.0 Pa的丹麦G.R.A.S高精度噪声传感器，测量洞口微气压波及噪声，数据采样频率为1 000 Hz。对测试数据进行计权分析，可得到A计权声压级噪声数据。试验期间，传感器所采集的数据通过数据线传输至IMC数据采集系统后，经信号放大、AD转换后通过无线网络传输至计算机，同时可利用无线远程控制系统对IMC数据采集系统进行远距离的实时操作。

2 结果分析

基于采集得到的实车测试数据，分别从初始压缩波在隧道内的激化过程、传播至洞口后形成的微气压波以及音爆噪声特性两方面分析，探寻音爆现象的共性规律及音爆噪声特性。

2.1　压缩波激化过程

1）压缩波传播距离影响

图3为动车组以300 km · h^-1速度通过试验隧道时，不同测试断面处的初始压缩波波形时程曲线。需要说明的是，为避免绘制得到的不同测试断面压缩波波形重叠，不利于波形畸变程度的对比分析，在不影响数据分析的基础上，对各测试断面的压缩波波形“0时刻”进行调改。由图3可得到如下结论。

（1）相同速度级下，试验隧道内不同测试断面气动压力正峰值存在一定差异。其中，隧道3内的气动压力正峰值差异最大，断面位置x_{\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{n}}取0.25与0.97时，2处断面间的测点气动压力差值接近0.20 kPa；隧道2次之，断面位置x_{\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{n}}取0.10与0.80时，气动压力差值约为0.10 kPa；隧道1最小，气动压力差值小于0.02 kPa。造成这一现象的主要原因在于3座试验隧道长度不同。隧道1最短，压缩波在隧道内传播所需时间最短，在传播过程中受摩擦效应的影响最小；隧道2和隧道3相对较长，压缩波受摩擦效应的影响相对更大，且压缩波的耗散及衰减效不应忽视，因此压缩波气动压力峰值变化相应较大。

（2）初始压缩波在3座试验隧道内传播的过程中，波形不断变陡，具体表现为单位时间内气动压力变化的峰值随着传播距离的增加而不断增大。3座试验隧道在长度上存在差异，初始压缩波波形的畸变程度也因此有所差异。曲线变化趋势上看，在靠近隧道出口一侧，隧道3波形最陡，隧道2次之，隧道1则相对平缓。

（3）惯性效应是导致压缩波波形畸变的主要原因，且其与隧道长度、动车组速度紧密相关。试验所得数据中体现出的变化规律印证了VARDY等^［16］的研究结果：惯性效应主导（或忽略摩擦效应影响）下，压缩波在长大隧道内传播时后波的传播速度将大于首波的，波间距会因此在传播过程中不断缩小；相应地，这一过程中初始压缩波的压力梯度将不断增大，波形由此不断变陡并最终发生激化。隧道长度增加对压缩波波形畸变的影响具体表现为：在隧道1这样的短隧道中，后波对初始压缩波的追及时间短，因此波形变化相对较小；而相对较长的隧道2和隧道3为后波追及初始压缩波提供了足够长的距离，由此加剧了初始压缩波的激化并导致了音爆现象的发生。

在避免试验数据重复使用的基础上，为进一步表征初始压缩波在长大隧道内的波形激化过程，得到动车组以300 km · h^-1速度级反向通过隧道3时不同空间位置处的压力梯度时程曲线如图4所示。图中：压力梯度取值为正时表示波形变陡，取值为负时表示波形变缓。由图4可知：初始压缩波在隧道内传播时，x_{\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{n}}取值在0.14~0.35处的压力梯度峰值增幅整体相对较小，仅由7.66 kPa · s^-1增长至10.97 kPa · s^-1，增幅约43.21%；x_{\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{n}}取值在0.50~0.97处的压力梯度峰值增幅显著，如取值在0.50和0.97处的压力梯度峰值是取值在0.14处测量值的约8.78倍和约23.76倍。由此进一步可知：长大隧道内不同空间位置处的压力梯度峰值与压缩波传播距离相关，激化效应下压力梯度峰值变化不再受列车速度的固定幂指数变化规律约束；初始压缩波在长大隧道内的激化需要满足一定的传播距离，且与惯性效应和摩擦效应的竞相关系有关，初始压缩波传播初期，摩擦效应占据主导地位，压缩波波形畸变程度相对较小，随着传播距离的不断增大，惯性效应占据主导后，压缩波波间距缩小，相应地梯度峰值不断增大。

2）列车速度影响

除压缩波传播距离外，动车组速度增加将导致压缩波激化水平增强。图5为动车组以不同速度驶入隧道1时，初始压缩波气动压力及其梯度变化规律。由图5可知：当动车组由248 km · h^-1提速至296 km · h^-1时，隧道内相同测点处的气动压力峰值由0.64 kPa增大至0.96 kPa，增幅约50%，这主要是提速后动车组表面与隧道壁面间空气的挤压程度增强所致；相应地，相同测点处的压力梯度增大约4.0 kPa · s^-1，增幅同样接近50%。

3）隧道长度影响

试验期间，隧道1并未发生音爆，而隧道2和隧道3均监测到音爆现象。具体来看，动车组以300 km · h^-1速度级通过时，隧道2和隧道3均监测到音爆；当动车组以280 km · h^-1速度级通过时，仅隧道3监测到音爆。文献［17-18］已证实，音爆的发生与压缩波的激化相关。为说明隧道长度对压缩波激化的影响，整理动车组以不同速度级通过隧道时，初始压缩波在隧道内传播至不同位置处的压力梯度峰值分布情况如图6所示。由图6可以得到如下结论。

（1）3种速度级下，3座试验隧道在靠近进口侧测点处的压力梯度基本接近，分别约4.60，6.40和7.40 kPa · s^-1。这主要是由于测试隧道进口缓冲结构型式、动车组车型均一致。因此可认为，相同速度级下，列车对于隧道进口内附近空气的挤压程度接近。

（2）对于隧道1而言，同一速度级下，隧道内各测点处压力梯度峰值相差较小；对比发生音爆的隧道3，梯度峰值随纵向距离增加而产生的增量均相对较小，体现了非音爆隧道与音爆隧道间的特征参数差异。

（3）对于隧道1而言，随速度的增加，3种速度级下的压力梯度峰值变化范围分别在4.2~6.2，6.0~9.0与8.0~10.0 kPa · s^-1，压力梯度峰值的整体变化范围均较小，最大仅约3.5 kPa · s^-1，增幅约为56.82%。相较之下，隧道2和隧道3在各速度级下沿隧道纵向上各测点处的压力梯度峰值均表现出较为明显的增加趋势，隧道2中，300 km · h^-1速度级下靠近出口侧压力梯度峰值为43.32 kPa · s^-1，对比进口侧，增幅达到476.06%；隧道3中，280 km · h^-1速度级下出口侧压力梯度峰值约为进口侧的6.7倍，300 km · h^-1速度级下出口侧压力梯度峰值约为进口侧的12.8倍，x_{\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{n}}取0.65处的压力梯度峰值达到进口侧的18.1倍。

（4）280 km · h^-1速度级下，隧道3靠近出口处测点的压力梯度峰值基本接近300 km · h^-1速度级下隧道2的测量值，这合理解释了隧道3在280 km · h^-1速度级下发生音爆现象的原因，同时说明隧道长度的增加会增强压缩波的激化，并促进音爆的发生。

2.2　微气压波及音爆噪声

压缩波传播至隧道洞口后，一部分会以膨胀波的形式反射回隧道内，另一部分则会在隧道洞口向外部环境释放，形成微气压波^［19-20］。既有研究结果表明^［21］，微气压波峰值与隧道洞口处压力梯度峰值呈正比关系，为此结合试验数据，进一步分析压力梯度与微气压波的相关关系，并讨论音爆噪声特性。

1）微气压波峰值特性

图7为隧道3在3种速度级下，洞口外20和50 m处的微气压波时程曲线。结合图7和试验现场反馈可知：250 km · h^-1速度级下，隧道3未发生音爆现象，此时隧道洞口外微气压波峰值相对较小，20和50 m处分别为41.84和13.45 Pa；随着动车组速度的进一步提高，微气压波峰值增幅显著；300 km · h^-1速度级下，隧道洞口外20 m处微气压波峰值已达到121.8 Pa；在250和280 km · h^-1速度级下，隧道洞口外50 m处微气压波峰值与20 m处的差值较大，而300 km · h^-1速度级下2处微气压波峰值差仅为3.7 Pa。

图8为3座试验隧道出口外20 m处微气压波峰值与列车速度的相关关系。由图8可知：随着动车组速度的增大，试验隧道洞外微气压波峰值不断增加，且峰值差异显著，如动车组在300 km · h^-1速度级下通过隧道1时，洞外20 m处的微气压波峰值分别与动车组在280 km · h^-1速度级下通过隧道2、在300 km · h^-1速度级下通过隧道3时的测试值相当；隧道长度的增加促进了压缩波的激化，并导致压力梯度与微气压波峰值增大，印证了前人的研究结果^［21］。

为进一步厘清压缩波激化现象与微气压波峰值的相关关系，图9为不同速度级下3座试验隧道出口处压力梯度峰值与洞口外20和50 m处微气压波峰值。由图9可知：这2处微气压波峰值随着压力梯度峰值的增大而近似呈指数增加趋势，印证了前人研究结果^［19］；压力梯度值给定时，洞口外20 m处测量得到的微气压波峰值均相对更高。

2）音爆噪声特性

由前文可知，压缩波在长大隧道内发生激化并诱发音爆需满足一定的传播距离。为此，以x_{\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{n}}取0.75处为例，基于位于压缩波传播后半程的测试断面分析隧道内噪声。图10为隧道3在未发生音爆和发生音爆2种情况下该测试断面处的噪声分贝发展曲线。由图10可得出如下结论。

（1）未发生音爆时，隧道内噪声波形可大致分为4个典型阶段。第一阶段，动车组距离测点位置较远，此时噪声分贝为隧道内环境噪声，峰值在50 dB（A）左右上下波动；第二阶段，动车组逐渐驶向测点，此时噪声分贝随着列车与测点间距的缩小而逐渐增大，噪声峰值由50 dB（A）逐渐增大至100 dB（A）；第三阶段，动车组经过测点，此时噪声分贝峰值达到最大，为105.5 dB（A）；第四阶段，动车组车尾驶离测点，噪声分贝随着列车与测点间距的增加而减小。

（2）发生音爆时，隧道内噪声曲线与未发生时有所不同。由于音爆噪声在隧道内的传播速度大于动车组的行驶速度，音爆噪声将先于动车组噪声传播至测点处，并表现为噪声峰值在短时间内的增加。当动车组以275 km · h^-1速度通过隧道3时，测点处音爆噪声峰值达到80.69 dB（A），比环境噪声增大约30.18 dB（A）。

表2为动车组以300 km · h^-1速度级通过3座试验隧道时，洞口外不同距离测点处噪声峰值。结合表2数据和试验现场反馈可得到如下结论。

（1）对于未发生音爆的隧道1，洞口外不同距离处的噪声峰值相对接近，约为51 dB（A），基本为环境噪声；隧道2发生音爆时，试验人员在隧道洞外听到的音爆噪声较弱，相应地其噪声分贝也相对较小，20 m处最大测量值为65.17 dB（A）。

（2）随着与隧道洞口距离的增大，噪声分贝值逐渐减小。隧道3发生音爆时，洞口外噪声洪亮，与测量结果相符，到20 m处噪声分贝值达到89.16 dB（A），对比环境噪声增大约40 dB（A）。由此可知，音爆发生时，隧道洞口外A计权噪声峰值通常超过60 dB（A），且其峰值随着与洞口距离的增加而逐渐减小。相同条件下，长大隧道峰值洞口外A计权噪声峰值更大，本次试验音爆噪声峰值最大达到89.16 dB（A）。

3 结论

（1）初始压缩波在不同长度隧道内传播时，受惯性效应与摩擦效应影响程度不同，不同传播距离处的气动压力与压力梯度值存在一定差异。相同速度条件下，随着初始压缩波传播距离的增加，气动压力正峰值减小而压力梯度峰值增大，压缩波激化加剧并产生音爆。300 km · h^-1速度级条件下，隧道1、隧道2和隧道3不同压缩波传播距离处气动压力差值分别约为0.02，0.10与0.20 kPa。隧道3出口处压力梯度峰值最大达到进口处的23.76倍。

（2）相同速度级下，动车组对隧道进口内附近空气的挤压程度接近。动车组速度增加时，长隧道出口处的压力梯度峰值增幅比进口处的更大，压缩波激化更加显著。3档试验速度级下，隧道1压力梯度峰值波动范围较小，最大仅为3.5 kPa · s^-1；隧道2与隧道3各测点处压力梯度峰值波动显著，隧道2靠近出口侧压力梯度峰值对比进口侧增幅最大达到476.06%，隧道3靠近出口处测点在280 km · h^-1速度级下的压力梯度峰值与隧道2靠近出口处测点在300 km · h^-1速度级下的测量值基本接近。

（3）隧道洞口微气压波峰值随动车组速度的增加而增大，随着压力梯度峰值的增大而近似呈指数增加趋势。未发生音爆时，隧道内的环境噪声峰值在50 dB（A）上下波动；发生音爆后，环境噪声峰值在短时间内迅速增大，传播至洞口外后随着与洞口距离的增大而逐渐减小，但通常大于60 dB（A）。长大隧道中音爆噪声峰值更大，300 km · h^-1速度级条件下，隧道3洞口外20 m处的噪声峰值最大达到89.16 dB（A），比环境噪声增大约40 dB（A）。

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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(L2022G005)