高速铁路隧道音爆机理及其抑控技术研究进展

Research Progress on the Mechanism and Mitigation Techniques of Sonic Boom in the High-Speed Railway Tunnels

摘要

针对高速铁路隧道音爆问题，在系统梳理国内外相关研究的基础上，结合已开展的大量实车试验数据，重点分析音爆的产生过程、噪声时频域特性及其峰值传播规律，讨论音爆与微气压波的关联关系，揭示动车组、隧道和环境因素对音爆关键参数的影响机制，并分析改变隧道洞口缓冲结构、增设隧道内辅助坑道、敷设吸声轨道板和增设道床石砟等措施对音爆和微气压波的缓解效果，为高速铁路隧道音爆问题的深化研究提出研究思路和建议。结果表明：压缩波在隧道内激化形成弱激波是诱发音爆的直接原因；音爆为中低频噪声，具有突发性强、持续时间短的特点；音爆发生时，其A计权声压级噪声峰值通常大于60 dB（A），随着传播距离的增大，噪声峰值表现为先增后减的变化趋势；随着动车组速度增大，发生音爆的隧道临界长度不断减小，隧道内音爆噪声影响范围扩大；减小车体截面积或优化头部流线型设计参数可在一定程度上降低初始压缩波激化强度，从而提升触发音爆的临界速度，减小音爆噪声峰值；相同动车组条件下，隧道长度越长，音爆风险越高；隧道环境温度升高、压力下降、洞口空间立体角增大可有效减缓洞口微气压波峰值；通过改变隧道洞口缓冲结构型式、增设隧道内辅助坑道、敷设吸声轨道板和增设道床石砟等措施可有效减小压力梯度峰值，缓解压缩波的激化现象，减小音爆风险。

Abstract

Regarding the sonic boom issue in high-speed railway tunnels, this paper systematically reviews domestic and international research and, based on extensive field test data, analyzes the generation process of sonic booms, their noise characteristics in time and frequency domains, and the propagation of peak values, discusses the relationship between sonic booms and micro-pressure waves, reveals the influencing mechanism of EMUs, tunnel, and environmental factors on key sonic boom parameters, and evaluates the mitigation effects of measures such as modifying tunnel portal hoods, adding auxiliary adits inside tunnels, installing acoustic track slabs, and adding ballast stones on sonic booms and micro-pressure waves, providing research directions and recommendations for further study. The results indicate that the intensification of compression waves into weak shock waves inside the tunnel is the direct cause of sonic booms. Sonic boom is a medium-to-low frequency noise characterized by strong abruptness and short duration. During a sonic boom, the peak A-weighted sound pressure level typically exceeds 60 dB(A), and the noise peak first increases then decreases with propagation distance. With the increase of train speed, the critical length of tunnel for sonic boom occurrence decreases continuously, and the affected range of sonic boom noise inside the tunnel expands. Reducing the cross-sectional area of the train body or optimizing the nose streamlined design parameters can lower the initial compression wave intensity, thereby increasing the critical speed for triggering sonic booms and reducing the peak noise level. Under the same train conditions, longer tunnels pose a higher risk of sonic booms. Higher tunnel ambient temperature, lower pressure, and a larger portal solid angle can effectively reduce the portal micro-pressure wave peak. By altering the buffer structure type at the tunnel entrance, adding auxiliary tunnels inside the tunnel, installing sound-absorbing track slabs, and adding ballast bed stones, can effectively reduce the peak pressure gradient, mitigating compression wave intensification and lowering sonic boom risk.

Graphical abstract

关键词

音爆 / 产生机理 / 实车试验 / 微气压波 / 噪声特性 / 抑控技术

Key words

Sonic boom / Generation mechanism / Field test / Micro-pressure wave / Noise characteristics / Mitigation techniques

1947年，美国在开展X-1超音速飞行器试验期间发现，当飞行速度超过音速时地面测试团队观测到巨大的爆响，即音爆现象^［1］。长久以来，音爆主要出现在航空领域。研究认为^［2］，随着飞行器速度的不断增大，前方声波间距不断减小，当飞行速度达到音速时多道声波能量在飞行器前方积聚形成音障，当飞行速度进一步超越音速后飞行器突破音障释放出的巨大能量则形成音爆。

1975年，日本山阳新干线冈山至博多区间的长大隧道首次发现音爆^［3］，产生的巨大爆响及其冲击波导致的木质门窗振动异响遭到沿线居民大量投诉。1997年，为进一步推动欧盟时速200 km以上高速铁路路网建设，德国铁路公司、法国国营铁路公司、意大利国家铁路集团以及英国诺丁汉大学、邓迪大学等12家铁路运营单位和科研院所组织开展了TRANSAERO项目^［4］，重点对高速列车行车气动阻力、横风下的气动安全、隧道内行车的压力波效应等问题开展试验和仿真研究。其中，隧道气动效应试验选择意大利罗马-佛罗伦萨新线的Terranuova Le Ville隧道开展^［5］，该隧道全长2 701 m、有效净空面积69 m²（以下简写为（2 701 m，69 m²）的形式）。研究发现，当ETR500动车组以230 km · h^-1速度通过时，隧道洞口外可监测到沉闷的音爆。此次为日本新干线后，欧洲范围内首次发现音爆现象。2009年，我国在武广客运专线开展隧道气动效应综合试验期间，在五尖大山隧道（6 857 m，100 m²）和大瑶山1号隧道（10 081 m，100 m²）洞口监测到音爆，为国内首次发现音爆问题^［6］。此外，德国纽伦堡-因戈尔施塔特新线Euerwang隧道（7 700 m，92 m²），Irlahüll隧道（7 260 m，92 m²）和科隆-法兰克福新线Schuwald隧道（4 460 m，92 m²）以及西班牙AVE Ren FE高速铁路La Cabrera隧道（7 299 m，53 m²）也相继出现音爆问题^［7-8］。

自日本、德国、中国高速铁路隧道相继出现音爆问题后，国内外学者针对音爆机理、成因和缓解措施开展了大量研究。

首先是音爆的诱发机理方面。日本九州大学Aoki等^［9］较早开展了激波管与全尺寸实车试验、一维线性声学理论分析，研究了不同条件下隧道内的压力波峰值变化规律。Takayama等^［10］搭建了缩比例尺为1∶300的动模型试验台，研究了200~360 km · h^-1速度级条件下隧道内压力波激化现象和洞口微气压波峰演化特性。Mashimo等^［11］分别选取3座长度不同的新干线隧道开展气动效应测试，探讨了隧道长度和道床型式对压力波传播发展过程的作用机制。以上研究发现，相同速度条件下无砟轨道隧道内的压缩波波形随着传播距离增大不断变陡，而有砟轨道隧道内则不断变缓；同时，研究提出了声学雷诺数用于判定压缩波畸变的发生。Vardy等^［12］系统性阐释了惯性效应和摩擦效应对压缩波激化过程的作用机理，对有效净空面积、洞身突变结构（如支洞横洞等）等隧道结构参数对压力波的反射和叠加效应进行了理论探讨。Kown等^［13］通过计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）数值仿真模拟，分析了动车组设计参数对音爆的作用机制，发现动车组头部前20%部分对降低初始压缩波压力梯度峰值影响显著，同时长细比和阻塞比则是减小压力梯度峰值的关键参数。Adami等^［14］基于德国已开展的Euerwang隧道和Irlahüll隧道试验数据，提出了优化的摩擦效应模型用于提升一维数值计算方法的准确性。

其次是缓解措施方面。Sasoh等^［15］通过开展激波管试验，分别探讨了隧道洞口缓冲结构和多孔介质材料对音爆的缓解效果，试验结果表明，在隧道出口附近敷设泡沫铝或烧结铝后，在360 km · h^-1速度下洞口压力波幅值降幅超过50%；此外，如果进一步在隧道洞口增设不同长度的缓冲结构，在216~360 km · h^-1速度下可使隧道内压力波幅值最大缓解率达到80%。Aoki等^［16］基于数值仿真模拟和动模型试验，探讨了多孔介质壁面对压力波的缓解效果，发现隧道内增设多孔介质壁面后，随着压缩波传播距离的增加，压力梯度逐渐减小，可有效避免压力波的激化；同时，随着多孔介质壁面敷设面积的增大，其缓解效果将进一步得到显著提升。Howe等^［17-19］基于一维非线性声学理论分析，研究了接长明洞式、斜切式、喇叭口式等不同隧道洞口缓冲结构型式对压力波的影响机理，并提出了参数优化设计方法。Wang等^［20］结合数值仿真模拟和动模型试验，探索了600 km · h^-1速度磁浮列车在超高速条件下隧道内行车时多孔介质缓冲结构对音爆和微气压波的影响机制，发现相比加大多孔介质厚度，增加结构长度对微气压波的缓解效果更好；当多孔介质孔隙率为0.2、结构长度为5.0 m、厚度为3.5 mm时，洞口外微气压波峰值的最大缓解率可达到83.5%，同时C计权声压级峰值小于115 dB（C）。

从已开展的研究可知，当前高铁隧道音爆问题在世界范围内频发，虽然在产生机理和缓解措施方面已开展了一定研究，但是仍存在以下几点问题。首先，既有研究多采用缩比例尺激波管试验、动模型试验和CFD数值仿真模拟的方法，对比真实的高铁隧道音爆现象复现程度低；其次，已开展的实车试验较少，测试速度级主要在300 km · h^-1及以下，相关文献来源主要集中于日本和欧洲，其隧道和动车组条件与我国差异较大，对音爆噪声特性、声源位置等研究结论并不能完全适用于我国高铁隧道；最后，当前音爆研究多聚焦于压缩波的激化分析和微气压波的缓解措施，对音爆噪声特性研究较少，对音爆与微气压波关联性讨论不足，在音爆声源位置、峰值量级等关键参数方面尚存争议或有待深入分析。

近年来，在中国国家铁路集团有限公司的组织领导下，中国铁道科学研究院集团有限公司（简称铁科院）先后开展了多项高铁隧道音爆专项试验，掌握了大量音爆隧道气动效应试验数据。本文基于已开展的实车试验研究，分别从高铁隧道音爆机理、影响因素及其作用机制、缓解措施3方面开展系统性分析，以期为保障我国运营高铁隧道行车秩序、支撑新建高铁隧道设计提供理论参考。

1 高铁隧道音爆机理

1.1　音爆形成过程

当动车组高速驶入隧道时，车头表面与隧道衬砌间的空气受到剧烈挤压作用，形成多道压缩波并以声速向车头前方传播；车尾驶入后，又形成多道膨胀波同样以声速向前传播^［21］。

压缩波在传播过程中，靠近列车端受压区后波声速相对较大，远离列车端非受压区前波声速相对较小。高铁隧道音爆形成过程示意图如图1所示。图中：v_{\mathrm{1}}为动车组驶入隧道速度。从图1可以看出：由于当地声速不同，后波在追及初始压缩波（前波）的过程中，初始压缩波的波形不断变陡，导致压力梯度不断增大，最终激化形成弱激波^［22］并诱发音爆；隧道内形成弱激波时，前波波前处空气温度、密度和压力发生突变，其自身频域由20 Hz以下的低频次声波发展至中低频可闻声波，产生人耳可听到的爆破音，即音爆；隧道内发生音爆后，压缩波持续向前方传播至隧道出口后，小部分辐射至隧道洞口外环境中，称为微气压波，大部分则以膨胀波的形式反射回隧道内，并进一步往复传播。

1.2　音爆噪声特性

1.2.1　时域特性

高速动车组通过隧道时，主要涵盖3种类型噪声，即环境背景噪声、列车通过噪声（如气动噪声、轮轨噪声）和音爆噪声。其中音爆噪声具有突发性强、持续时间短的特点^［23］。

重黔高铁某隧道内噪声时程曲线如图2所示。从图2可以看出：未发生音爆时，隧道内环境背景噪声水平约为50 dB（A），噪声曲线仅存在1个波峰，且表现出先增大后减小的变化趋势，在动车组通过测点时噪声峰值达到最大；发生音爆时，噪声曲线存在2个波峰，由于音爆噪声在隧道内以声速（远大于动车组行车速度）传播，音爆噪声先于动车组噪声传播至测点处，并表现为短时间内的噪声峰值增大；发生音爆时，隧道内测点处音爆噪声峰值达到99 dB（A），与列车通过时的噪声峰值相当，对比环境噪声增量近50 dB（A）；随后，测点处音爆噪声峰值衰减，约15 s后减小至隧道环境背景噪声水平。

1.2.2　频域特性

环境背景噪声、列车通过噪声和音爆噪声频域特性不同，人耳对这3种噪声的实际感受也因此存在显著差异。

重黔高铁某测试隧道洞口外不同噪声频域分布规律如图3所示。从图3可以看出：环境噪声在可闻域内（频率≥20 Hz）Z计权声压级测量值整体较小，主要分布于50 dB（Z）以下；列车噪声和音爆噪声在不可闻域内（频率<20 Hz）能量分布较为集中，且该频段内的列车噪声声压级值高于音爆噪声；可闻域内（频率≥20 Hz）列车噪声频域分布与环境噪声相似，表现为宽频噪声，而音爆噪声频率则相对集中于20~500 Hz区间内，在500 Hz以上分布较少且衰减快。因此，可认为音爆为中低频噪声且其声能量主要集中于小于20 Hz的次声频段。

根据现场音爆噪声测量值和人耳实际听感分析，认为发生音爆时能够被人耳察觉的最小A计权音爆噪声值为60 dB（A）（视为临界音爆噪声），相比隧道内外环境噪声40~50 dB（A）更高。此外，当音爆噪声峰值在60~70 dB（A）区间内时，其轰鸣声通常相对微弱；峰值在70~90 dB（A）区间时，音爆噪声清晰可听；峰值大于90 dB（A）时，爆响声强，同时伴随明显冲击感。

1.2.3　声源位置及传播规律

2023年9月，铁科院依托贵广高铁提质改造工程，选取A隧道（13 931 m，92 m²）和B隧道（14 009 m，92 m²）开展了音爆专项试验^［24］。其中，选取A隧道开展模拟会车试验（陪试车产生音爆，主试车停靠在隧道）、B隧道内开展动车组单列通过试验，并在隧道内外9个断面布设噪声传感器。

模拟会车试验设计3种不同工况，方案示意图如图4所示。试验时，主试车在隧道出口、距出口内3.0 km以及距隧道进口内4.0 km，并在距隧道进口内9.0和10.5 km这2个断面布设噪声传感器用于测量音爆噪声。

试验结果表明，当陪试车以300 km · h^-1速度驶入A隧道时，3种模拟交会工况下主试车车内均监测到明显音爆噪声，确认音爆为隧道内发生。

隧道内和车体表面噪声测试结果如图5所示。从图5可以看出：音爆发生前隧道内环境噪声约为67.0 dB（A），发生音爆后隧道内音爆噪声达到93.5 dB（A）；车头表面音爆噪声接近90.0 dB（A），较静置时背景噪声瞬时增加18.0 dB（A）；此外，试验期间主试车头车（陪试车来车向）音爆噪声信号监测时间始终早于尾车噪声信号，由此可推断音爆噪声为隧道内产生后进一步传播至隧道洞口，而非洞口发生后回传隧道洞内。

B隧道内噪声峰值纵向分布规律如图6所示。图中：x_{\mathrm{d}}为压缩波传播距离；D为隧道水力直径；横坐标为0时对应隧道进口，沿隧道进口至出口方向为正向传播距离为正值，隧道进口外20 m处测点无量纲距离为-1.35，代表该处测点与压缩波传播距离相反，故取值负数。从图6可以看出：当动车组分别以250，280和300 km · h^-1速度自天平山隧道进口驶入后，隧道内噪声峰值表现出先增大后z减小的变化规律；在280和300 km · h^-1速度下，隧道内音爆噪声显著，峰值最大约为104.0 dB（A）；随着音爆噪声进一步传播至隧道出口外时，其峰值逐渐减小，但峰值均超过80.0 dB（A）。

1.3　音爆与微气压波关联性

目前，较多文献^{［10，21，25］}认为音爆现象是高铁隧道内压缩波激化形成弱激波后，进一步传播至隧道洞口时由于能量释放所形成的爆响；部分研究^［26-27］则认为，音爆是由洞口微气压波的高频部分（频率\ge20 Hz）所产生的可闻噪声；同时，也有相关文献^［28］直接将音爆与微气压波现象等同。

基于1.2节已开展的实车试验结果可确认，音爆与微气压波为2个不同的气动效应现象，在产生机理、位置等方面存在明显区别。由此，对音爆与微气压波的关联关系进一步阐释如下，并在后续章节讨论中结合具体数据支撑进行深化分析。

首先，音爆与微气压波两者的本质区别在于：音爆是隧道内形成弱激波后的声学现象，音爆在隧道内产生后，其噪声将进一步向隧道洞口传播，而微气压波则是在压缩波传播至隧道洞口时，向外环境辐射形成的压力脉动。从试验结果看，无论音爆形成与否，隧道洞口均存在微气压波，反之则不然。弱激波的形成是诱发音爆的前提，需要满足后波完全追及前波（隧道长度大于后波的追及距离）这一必要条件，微气压波则仅需要隧道内压缩波传播至隧道洞口。

其次，两者的相关性在于：音爆噪声和微气压波峰值均与隧道内压力梯度成正比，音爆的传播速度与隧道内压力波及洞口微气压波速度相同。理论分析通常以压力梯度峰值评估后波追及前波程度，形成弱激波时，其压力梯度峰值应接近于无穷大；同时，微气压波峰值又与隧道出口处的压力梯度峰值成正比。以重黔高铁测试结果为例，当微气压波峰值超过特定值之后，音爆噪声峰值随微气压波峰值的增大而增大（如图7所示）。同时，测试结果表明，发生音爆时，洞口外微气压波峰值通常大于50 Pa，微气压波峰值越大，音爆噪声A计权声压级峰值越高。

2 高铁隧道音爆影响因素及其作用机制

2.1　动车组因素

动车组速度是决定音爆发生有无的决定性参数。不同速度条件下压缩波气动压力波形时程曲线如图8所示。从图8可以看出：相同条件下压缩波波形陡化程度随着动车组速度增大而增强，随着动车组速度由310 km · h^-1增大至375 km · h^-1，初始压缩波达到其压力峰值的时间缩短超过25%，波形陡化程度加剧。

动车组以不同速度通过相同隧道时，洞口外20 m处微气压波和音爆噪声峰值情况见表1。由表1可知：当动车组达到特定速度后（临界音爆速度）将诱发音爆；车速小于临界音爆速度时，隧道外环境噪声基本不变，约为55~56 dB（A），微气压波峰值相对较小，但随动车组速度增大而增大；当动车组速度大于临界音爆速度后，隧道外音爆噪声和微气压波峰值均显著增大。

动车组以不同速度通过隧道时，发生音爆的隧道长度如图9所示。图中：红色阴影部分为数据回归分析模型预测误差范围。从图9可以看出：随着动车组速度的增大，发生音爆的临界隧道长度不断减小；在当前高铁隧道设有缓冲结构条件下，动车组以300 km · h^-1速度级通过时，临界音爆隧道长度约为7.5 km；350 km · h^-1速度级条件下，对应临界值下降至5.0 km；420 km · h^-1速度级下，该临界值进一步减小至2.0 km。

此外，对于给定的试验隧道，随着动车组速度不断增大，隧道内发生音爆时，其噪声影响范围将逐渐扩大。沈白高铁某隧道发生音爆时的噪声影响范围如图10所示。从图10可以看出：当动车组由350 km · h^-1提速至385 km · h^-1通过时，隧道内音爆噪声影响范围由1.0 km扩大至3.0 km。此时如有对向来车且处在音爆影响范围内时，客室内驾乘人员将受到音爆噪声影响，干扰动车组正常行车秩序。

Krylov等^［29］研究表明，通过减小车体截面积或优化头部流线型设计参数可在一定程度上减小动车组驶入隧道时的空气挤压程度，由此减小初始压缩波强度。我国运营高铁动车组中，各车型除CRH380AM型动检车断面较小外，其他运营车型的横断面积基本在11.0~13.7 m²之间，对于100 m²有效净空面积的隧道，阻塞比均小于0.15，且数值接近。

不同动车组通过隧道时，车体结构参数差异导致的压力梯度峰值变化情况如图11所示。从图11可以看出：当CR450AF型和CRH380AJ型动车组以相同速度自重黔高铁某隧道出口驶入后，相同速度条件下CR450AF型动车组产生的压力梯度峰值仅为CRH380AJ型检测车的50%。

前述2种动车组以不同速度通过时，隧道洞口A计权音爆噪声峰值和微气压波峰值对比详见表2。由表2可知：不同动车组通过时，诱发音爆对应的临界速度不同；其中，CR450AF型动车组为340 km · h^-1，而CRH380AJ型检测车则为320 km · h^-1；动车组均以310 km · h^-1通过隧道时，对应的噪声峰值均小于60 dB（A），为环境噪声；在340 km · h^-1速度条件下，CR450AF型动车组通过时所产生的A计权音爆噪声峰值为89.9 dB（A），对比CRH380AJ型动车组略低。

2.2　隧道因素

相同动车组条件下，隧道长度越长，音爆发生概率越大，洞口微气压波和噪声峰值越高。不同长度隧道内压缩波激化对比^［23］如图12所示。图中：x_{\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{n}}为隧道内气动压力测点距隧道进口距离与隧道全长比值。从图12可以看出：当动车组以300 km · h^-1速度通过设有相同缓冲结构型式的3座试验隧道时，隧道长度越长，压缩波波形畸变程度越高。

上述3座不同长度隧道洞口外微气压波和音爆噪声峰值见表3。由表3可知：隧道1内初始压缩波仅发生弱畸变，洞口并未监测到音爆噪声且微气压波峰值相对最小，仅为51.4 Pa；隧道2与隧道3内初始压缩波均发生显著畸变，且隧道3内畸变程度更强，2座隧道洞口外均监测到清晰音爆噪声；隧道长度越长，微气压波与音爆噪声峰值越大，最大达到89.16 dB（A）。

2.3　环境因素

环境因素对音爆的影响主要体现在气象参数和洞口地形参数2个方面。然而，目前国内外已开展的高铁隧道音爆相关研究中，针对环境因素的影响分析极少。考虑到隧道发生音爆时，音爆噪声与微气压波峰值存在正相关关系（如图7所示），因此在讨论环境因素影响时选择微气压波作为参考进行讨论分析。

环境温湿度和气压方面研究表明，隧址环境温度T和湿度\varphi越大、气压P_{\mathrm{0}}越小，隧道发生音爆的概率越低。初始压缩波压力峰值与环境温湿度和气压的函数关系可表示为

P\propto \frac{P_{\mathrm{0}}}{\sqrt[]{R\left(T,\varphi \right)T}}（1）

Wang等^［30-31］基于1∶20动模型试验台，研究了350 km · h^-1速度级条件下不同隧道围岩温度及其辐射角度对隧道洞口微气压波峰值的影响机制。不同隧道环境温度条件下的微气压波峰值变化情况如图13所示。从图13可以看出：随着高温区段长度增加，隧道洞口微气压波峰值缓解效果先增大后保持不变；随着加热角度在105°~225°区间内变化时，微气压波峰值缓解效果增强，最大缓解率达到9.05%。

当环境压力下降时，动车组通过隧道时气动效应也随之减缓。Liu等^［32］基于数值仿真分析，研究了地铁车辆穿越低压环境隧道时的压力波变化规律，发现当环境压力由101 kPa下降至50 kPa后，隧道内气动压力峰值下降约50%，基本与环境压力降幅成正比关系。然而，由于当前高铁隧道主要在常压环境下运营，就环境压力影响机制方面，尚未开展更多分析。

隧道洞口地形方面，Yamamoto^［33］研究认为，相同动车组与隧道条件下，洞口空间立体角越大（空间越开阔）微气压波峰值越低。Miyachi等^［34-35］构建了路堑与桥梁地形动模型试验台，试验台模拟地形照片及不同地形参数条件下隧道洞口外不同空间位置处的微气压波峰值变化规律如图14所示。从图14可以看出：随着桥梁高度增大，隧道洞口外微气压波峰值显著下降；同时，洞口外微气压波测点与正线夹角\theta越大，峰值越低。

铁科院王辰^［36］基于数值仿真模拟，研究了动车组通过路堤、路堑、桥隧等地形隧道时洞口微气压波的辐射路径。不同隧道洞口地形条件下的微气压波峰值空间分布特性如图15所示。从图15可以看出：以相对不利的路堑地形为例，当其高度由20 m减小至0 m时，空间立体角由1.42π增大至1.57π，洞口外微气压波峰值减小23.5%。

3 高铁隧道音爆抑控技术措施及其应用

3.1　技术措施

3.1.1　隧道洞口合理设置缓冲结构

隧道洞口缓冲结构最早作为隧道微气压波与音爆缓解措施应用于世界各国高铁隧道。目前，国内外常见的缓冲结构包括端墙式、帽檐斜切式、倒切式、喇叭口渐变式等，示例如图16所示。基于一维非线性声学理论、动模型试验与数值仿真模拟分析，世界各国学者在缓冲结构作用机理、缓解效果及其参数优化设计等方面开展了大量研究。

铁科院对国内主要采用的几种缓冲结构型式进行了三维数值仿真模拟分析，重点讨论了不同缓冲结构型式对400 km · h^-1速度行车时隧道洞口微气压波的缓解效果，并在既有缓冲结构型式基础上提出了参数优化建议。400 km · h^-1速度下不同缓冲结构型式微气压波缓解效果仿真结果见表4。由表4可知：不同缓冲结构型式缓解效果差异较大，相同条件下缓解效果斜切式>倒切式>端墙式，顶部开孔优于侧向开孔，通过合理延长缓冲结构长度或增设开孔面积，可进一步提升缓冲结构的缓解效果；400 km · h^-1速度下可实现微气压波峰值最大缓解率达到77.0%。

3.1.2　隧道内设置辅助坑道

隧道内的设备洞室、斜井等辅助坑道能够在一定程度上通过减小压力梯度达到缓解音爆与微气压波的效果，但受辅助坑道设计参数影响较大。

日本铁道技术研究所Fukuda等^［37］最早围绕隧道内设备洞室对音爆的缓解效果开展了相关实车试验研究。测试隧道长3 064 m，轨面以上有效净空面积63.4 m²，隧道内共2种类型设备洞室，有效净空面积均为7.1 m²。其中，设备洞室Ⅰ进深3.0 m，洞室Ⅱ进深5.0 m，洞室间距约500 m，2种设备洞室在隧道内的分布情况如图17所示。

试验发现，当动车组以273 km · h^-1速度通过隧道时，压缩波在该隧道内传播过程中波形发生显著畸变。随着传播距离的增大，压缩波中高频成分逐渐增加，压缩波传播至2 800 m测点处压缩频域分布在0~45 Hz之间，产生可闻噪声。压力波传播至不同设备洞室处时的压力梯度峰值情况如图18所示。从图18可以看出：压缩波在通过设备洞室后，其压力梯度值有所下降且波形陡化程度越高，压力梯度峰值降幅越大。

2004年开通的瑞士Mattstetten至Rothrist铁路新线Emmequerung隧道（1 633 m，双线隧道，有效净空面积76 m²）是较早在设计阶段规划通风竖井作为缓解压力波的实际工程之一，隧道内设有2处有效净空面积为12.25 m²的泄压井，竖井间距约为500 m，泄压井处隧道横断面如图19所示。

Hagenah等^［38］选择Emmequerung隧道与未设置泄压井的Murgenthal隧道（双线隧道，有效净空面积为105 m²）为对照组，评估了泄压井作为小断面隧道条件下保障动车组乘车舒适性（瑞士联邦政府控制标准，车内4 s压力变化小于1.5 kPa）措施的可靠性。试验动车组选择ETR470，测试速度级为160~220 km · h^-1。测试结果表明，在220 km · h^-1速度条件下，保持2处斜井开启时，动车组头、尾车4 s最大压力变化最大值约为1.2 kPa，小于控制限值。

铁科院铁建所在京港高铁万安隧道（13.9 km，100 m²）开展了辅助坑道泄压试验研究^［6，39］，其中1#和2#斜井分别距进口约4.0和12.0 km，隧道内斜井相对位置如图20所示。

开启不同斜井时的微气压波缓解效果如图21所示。从图21可以看出：对比斜井全部关闭工况，开启1#斜井时，隧道洞口微气压波峰值不降反增，单独开启2#斜井与同时开启2处斜井后，微气压波峰值均有所下降，缓解率最高约为28.5%，但洞口音爆噪声并未消除。

3.1.3　隧道内铺设吸声轨道板

2005年，德国Euerwang隧道和Irlahüll隧道出现音爆问题后，德国铁路局在上述2座隧道敷设了吸声轨道板并开展噪声消除试验，试验采用的吸声轨道板照片如图22所示。

Degen等^［8］分析了部分敷设吸声轨道板（长约2 000 m）和全敷设吸声轨道板2种方案对音爆的消除效果，不同轨道板敷设条件下的噪声时频域及其峰值情况如图23所示。从图23可以看出：敷设吸声轨道板能够有效吸收128 Hz以上的中低频噪声，且全部敷设吸声轨道板效果优于部分敷设；当ICE 3型动车组以300 km · h^-1通过Euerwang隧道时，部分敷设轨道板无法将洞口外音爆噪声控制在135 dB（C）以下（参考欧盟2003/10/EC标准），全部敷设吸声轨道板后，2座隧道洞口音爆噪声均低于标准控制限值，Irlahüll隧道洞口音爆噪声基本消除。

3.1.4　隧道内道床增设石砟

日本铁道技术研究所联合东日本铁路公司，在长3.3 km，有效净空面积61.9 m²的新干线隧道开展了增设石砟缓解隧道洞口微气压波的实车试验^［40-41］，以分析不同石砟敷设面积对微气压波缓解效果的影响。试验在隧道内2 900 m长范围内敷设石砟，共设计4组石砟布置方案，如图24所示。

实测结果表明，在315 km · h^-1速度条件下，隧道内敷设不同面积石砟后，压力波幅值变化较小，但压力梯度变化显著，石砟敷设面积越大，压力梯度缓解效果越好。315 km · h^-1速度条件下，不同石砟敷设方案下的压力梯度峰值情况如图25所示。从图25可以看出：对比方案1无石砟工况，方案4中相同测点处压力梯度下降约8.0 kPa · s^-1；此外，实测发现方案2—方案4的洞口微气压波峰值分别缓解4%，20%和30%。

3.2　存在问题和建议

对比日本与欧洲等国，国内针对高铁隧道音爆问题的研究相对较晚。近年来，随着我国高速铁路运营速度不断提高以及山岭铁路隧道数量的不断增加，高铁长大隧道音爆问题频发，已严重干扰动车组行车秩序，成为制约既有线提速运营的一项关键问题。

基于大量已开展的实车试验研究，铁科院针对高铁隧道音爆产生过程、影响因素与噪声特性开展了系统分析，并对目前国内外采用的相关缓解措施效果开展了评估。

综合高铁隧道建设运营需求，在隧道洞口合理设置隧道缓冲结构，同时充分利用隧道洞内斜井、平行导坑等辅助坑道是可行性强、可靠性高的缓解措施之一。然而，通过优化洞口缓冲结构与洞内辅助坑道设计参数对提升音爆缓解效果有限，并受到洞口地形、施工因素等实际条件限制，在当前350 km · h^-1运营速度级条件下，其缓解效果已达瓶颈。通过在隧道内外增设多孔吸声材料，可通过吸收压力波能量进一步减小甚之消除音爆噪声，但需要综合考虑长期服役条件下吸声装置结构的稳定性、材料孔隙清理养护等问题，因此目前在高铁隧道中应用极少。进一步推进高铁隧道音爆机理与综合缓解措施研究，推进缓解技术在实际隧道工程中的示范应用，保障运营高铁的行车秩序，减小新建高铁隧道音爆风险，是仍需持续开展的工作。

4 结论与展望

（1）高铁隧道音爆现象是由列车驶入隧道产生的压力波在传播过程中激化形成弱激波所导致的爆响，其频率主要分布在20~500 Hz之间，可视为中低频噪声，临界声压级值为60 dB（A），90 dB（A）以上时爆鸣声强，并伴随冲击感。与微气压波不同之处在于，音爆为隧道内产生，其爆响进一步传播至隧道洞口，其噪声峰值隧道内表现为先增大后减小的变化趋势，微气压波则由压缩波传播至隧道洞口时产生。无论音爆形成与否，隧道洞口均存在微气压波，反之则不然。对于发生音爆的隧道，其洞口噪声峰值与微气压波峰值成正比。

（2）隧道、动车组与环境参数是影响音爆发生与否及其噪声峰值大小的关键因素。随着动车组速度提高，发生音爆所需达到的临界隧道长度减小，隧道内音爆噪声影响范围扩大，洞口噪声峰值增加。相同速度条件下，不同动车组因车型差异，触发音爆的临界速度级不同；对于给定型号的动车组与行车速度，隧道长度越长，发生音爆风险越高；环境温度升高，压力降低，发生音爆风险减小。

（3）隧道洞口设置缓冲结构及洞内设置辅助坑道、铺设吸声轨道板等措施是缓解隧道音爆问题的几项关键措施。通过优化隧道洞口缓冲结构与洞内辅助坑道设计参数，增设吸声轨道板等多孔材料装置，可有效提升音爆缓解效果，但其具体应用受制于隧道洞口地形、施工条件与运营安全等多因素影响，有待进一步开展深化研究，推进技术落地与示范应用。

参考文献

[1] SEARS W R. Aerodynamics， Noise， and the Sonic Boom ［J］. AIAA Journal， 1969， 7 （4）： 577-586.

[2] PAN Y S， SOTOMAYER W A. Sonic Boom of Hypersonic Vehicles ［J］. AIAA Journal， 1972， 10 （4）： 550-551.

[3] OZAWA S. Distortion of Pressure Wave Travelling in Tunnel and Pressure Pulse Radiated from Tunnel Exit ［J］. Journal of Japan Society of Fluid Mechanics， 1995 （14）： 191-197.

[4] HIRSCHEL E H， FUJIIL K， HAASE W， et al. A European Initiative on Transient Aerodynamics for Railway System ［M］. 1st ed. Berlin： Springer， 2013.

[5] MATSCHKE G， HEINE C. Full Scale Tests on Pressure Wave Effects in Tunnels ［C］// TRANSAERO - A European Initiative on Transient Aerodynamics for Railway System Optimisation. Munich， Germany. Heidelberg： Springer-Verlag Berlin， 2002： 187-195.

[6] 韩嘉强，马伟斌，程爱君，等.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［J］.中国铁道科学，2024，45（3）：87-96.

[7] HAN Jiaqiang， MA Weibin， CHENG Aijun， et al. Research on Sonic Boom in Long Tunnels of High-Speed Railways and Alleviation Effect of Auxiliary Relief through Inclined Shaft ［J］. China Railway Science， 2024， 45 （3）： 87-96. in Chinese

[8] 晋永荣，梅元贵.德国高速列车ICE3隧道微压波试验研究综述［J］.国外铁道车辆，2013，50（5）：1-6.

[9] JIN Yongrong， MEI Yuangui. Survey on Test and Research of the Micro-Pressure Wave Generated by German High-Speed Train ICE3 in Tunnel ［J］. Foreign Rolling Stock， 2013， 50 （5）： 1-6. in Chinese

[10] DEGEN K G， GERBIG C， ONNICH H. Acoustic Assessment of Micro-Pressure Waves Radiating from Tunnel Exits of DB High-Speed Lines ［C］// Noise and Vibration Mitigation for Rail Transportation Systems： Proceedings of the 9th International Workshop on Railway Noise. Munich， Germany. Berlin， Heidelberg： Springer， 2008： 48-55.

[11] AOKI T， MATSUO K， HIDAKA H， et al. Attenuation and Distortion of Propagating Compression Waves in a High-Speed Railway Model and in Real Tunnels ［C］// Shock Waves @ Marseille III. Marseille， France. Berlin， Heidelberg： Springer， 1995： 347-352.

[12] TAKAYAMA K， SASOH A， ONODERA O， et al. Experimental Investigation on Tunnel Sonic Boom ［J］. Shock Waves， 1995， 5 （3）： 127-138.

[13] MASHIMO S， NAKATSU E， AOKI T， et al. Attenuation and Distortion of a Compression Wave Propagating in a High-Speed Railway Tunnel ［J］. JSME International Journal， Series B： Fluids and Thermal Engineering， 1997， 40 （1）： 51-57.

[14] VARDY A E. Generation and Alleviation of Sonic Booms from Rail Tunnels ［J］. Proceedings of the Institution of Civil Engineers - Engineering and Computational Mechanics， 2008， 161 （3）： 107-119.

[15] KWON H B， JANG K H， KIM Y S， et al. Nose Shape Optimization of High-Speed Train for Minimization of Tunnel Sonic Boom ［J］. JSME International Journal， Series C： Mechanical Systems， Machine Elements and Manufacturing， 2001， 44 （3）： 890-899.

[16] ADAMI S， KALTENBACH H J. Sensitivity of the Wave-Steepening in Railway Tunnels with Respect to the Friction Model ［C］// International Colloquium on Bluff Bodies Aerodynamics and Applications， Milan， Italy. Amsterdam： Elsevier， 2008.

[17] SASOH A， ONODERA O， TAKAYAMA K， et al. Experimental Investigation on the Reduction of Railway Tunnel Sonic Boom ［J］. Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers， Series B， 1994， 60 （580）： 4112-4118.

[18] AOKI T， YAMAMOTO J， NAGATANI K. Characteristics of a Compression Wave Propagating over Porous Plate Wall in a High-Speed Railway Tunnel ［J］. Journal of Thermal Science， 2008， 17 （3）： 218-223.

[19] HOWE M S. Design of a Tunnel-Entrance Hood with Multiple Windows and Variable Cross-Section ［J］. Journal of Fluids and Structures， 2003， 17 （8）： 1111-1121.

[20] HOWE M S， IIDA M， FUKUDA T. Influence of an Unvented Tunnel Entrance Hood on the Compression Wave Generated by a High-Speed Train ［J］. Journal of Fluids and Structures， 2003， 17 （6）： 833-853.

[21] HOWE M S. The Genetically Optimized Tunnel-Entrance Hood ［J］. Journal of Fluids and Structures， 2007， 23 （8）： 1231-1250.

[22] WANG K W， CHEN G， WEN C Y， et al. Mitigation Mechanism of Porous Media Hood for the Sonic Boom Emitted from Maglev Tunnel Portals ［J］. Physics of Fluids， 2024， 36 （10）： 106134.

[23] RIVERO J M， GONZÁLEZ-MARTÍNEZ E， RODRÍGUEZ-FERNÁNDEZ M. A Methodology for the Prediction of the Sonic Boom in Tunnels of High-Speed Trains ［J］. Journal of Sound and Vibration， 2019， 446： 37-56.

[24] WANG K W， XIONG X H， WEN C Y， et al. Formation and Propagation Characteristics of a Weak Shock Wave in Maglev Tube ［J］. Physics of Fluids， 2024， 36 （3）： 036120.

[25] 韩嘉强，马伟斌，刘艳青，等.不同长度高速铁路隧道压缩波激化过程及音爆现象［J］.中国铁道科学，2025，46（5）：184-192.

[26] HAN Jiaqiang， MA Weibin， LIU Yanqing， et al. Compression Wave Intensification Process and Sonic Boom Phenomenon of High-Speed Railway Tunnel with Different Lengths ［J］. China Railway Science， 2025， 46 （5）： 184-192. in Chinese

[27] 孙耿杰，刘磊，白鑫，等.贵广铁路提速隧道空气动力学效应科学研究试验［J］.中国铁路，2024（10）：163-171.

[28] SUN Gengjie， LIU Lei， BAI Xin， et al. Scientific Research Test on Tunnel Aerodynamic Effects for the Guiyang-Guangzhou Railway Speed Upgrade ［J］. 2024 （10）： 163-171. in Chinese

[29] VARDY A E， BROWN J M B. Influence of Ballast on Wave Steepening in Tunnels ［J］. Journal of Sound and Vibration， 2000， 238 （4）： 595-615.

[30] NAKAO S， AOKI T， YASUNOBU T， et al. A Study on Transition from a Compression Wave to a Shock Wave in a High-Speed Train Tunnel ［J］. Theoretical and Applied Mechanics， 2001， 50： 359-364.

[31] FUKUDA T， OZAWA S， IIDA M， et al. Distortion of Compression Wave Propagating through Very Long Tunnel with Slab Tracks ［J］. JSME International Journal， Series B： Fluids and Thermal Engineering， 2006， 49 （4）： 1156-1164.

[32] YOON T S， LEE S， HWANG J H， et al. Prediction and Validation on the Sonic Boom by a High-Speed Train Entering a Tunnel ［J］. Journal of Sound and Vibration， 2001， 247 （8）： 195-211.

[33] KRYLOV V. Noise and Vibration from High-Speed Trains ［M］. London： Thomas Telford， 2001.

[34] WANG J Y， WANG T T， YANG M Z， et al. Effect of Localized High Temperature on the Aerodynamic Performance of a High-Speed Train Passing through a Tunnel ［J］. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2021， 208： 104444.

[35] WANG J Y， WANG T T， ZHANG L， et al. Research on the Characteristics of Micro-Pressure Waves in High-Temperature Geothermal Railway Tunnels and a Self-Satisfying Mitigation Method ［J］. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2022， 225： 104998.

[36] LIU F， WANG F， HAN J Q， et al. Effects of Ambient Pressure on Aerodynamic Pressures Induced by Passing Metro Trains in Tunnels ［J］. Tunnelling and Underground Space Technology， 2022， 126： 104540.

[37] YAMAMOTO A. Micro-Pressure Wave Radiated from a Tunnel Exit ［J］. Quarterly Report of RTRI， 1977， 4 （4）： 137.

[38] MIYACHI T， FUKUDA T. Experimental Investigation of the Effects of Topography around the Tunnel Portal on Micro-Pressure Waves ［J］. Quarterly Report of RTRI， 2014， 55 （4）： 235-240.

[39] MIYACHI T. Theoretical Model for Micro-Pressure Wave Emission Considering the Effect of Topography around the Tunnel Portal ［J］. Quarterly Report of RTRI， 2011， 52 （2）： 117-122.

[40] 王辰.高速铁路隧道空气压力波传播特性及微气压波缓解措施研究［D］.北京：中国铁道科学研究院，2023.

[41] WANG Chen. Research on the Propagation Characteristics of Air Pressure Waves and Mitigation Measures for Micro Pressure Waves in High-Speed Railway Tunnels ［D］. Beijing： China Academy of Railway Sciences， 2023. in Chinese

[42] FUKUDA T， IIDA M， MAEDA T， et al. Investigation of Compression Wave Propagating in Slab Track Tunnel of High-Speed Railway （2nd Report， Effects of Short Side Branches Arranged in Tunnel） ［J］. Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers， Series B， 1999， 65 （630）： 598-604.

[43] HAGENAH B， REINKE P， ALAN V. Effectiveness of Pressure Relief Shafts - Full Scale Assessment ［C］// 12th International Symposium on Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels. London， UK. Cranfield： BHR Group， 2006.

[44] 马伟斌，温国春，朱华中，等.京港高铁万安隧道音爆现象分析及缓解措施研究［J］.隧道建设：中英文，2024，44（7）：1431-1439.

[45] MA Weibin， WEN Guochun， ZHU Huazhong， et al. Sonic Boom and Alleviated Measurements in Wan’an Tunnel of Beijing-Hong Kong High-Speed Railway ［J］. Tunnel Construction， 2024， 44 （7）： 1431-1439. in Chinese

[46] FUKUDA T， NAKAMURA S， MIYACHI T， et al. Countermeasure for Reducing Micro-Pressure Waves by Spreading Ballast on the Slab-Track in the Tunnel ［J］. Railway Technical Research Institute， 2018， 59 （2）： 121-127.

[47] FUKUDA T， NAKAMURA S， MIYACHI T， et al. Influence of Ballast Quantity on Compression Wavefront Steepening in Railway Tunnels ［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part F： Journal of Rail and Rapid Transit， 2020， 234 （6）： 607-615.

基金资助

中国铁道科学研究院集团有限公司院基金课题(2023YJ307)