德国高速铁路隧道微压波的预测与评估方法

侯娜娜

摘要：高速铁路隧道微压波的形成包含三个过程，即列车进入隧道瞬间产生的初始压缩波、初始压缩波在隧道内传播变形以及到达出口处向隧道外辐射。文章按照微压波的形成过程，介绍了德国预测微压波的方法及其评估准则，为我国高速铁路隧道微压波的研究及评估提供借鉴。

关键词：高速铁路;隧道;微压波;预测;评估

中图分类号：U238 文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.038

文章编号：1673-4874（2019）10-0135-04

0引言

高速列车进入隧道时产生压缩波，压缩波在隧道内传播并在隧道出口处向外辐射，强度较大时产生微压波。随着高速列车速度的不断提高，从隧道洞口向外辐射的微压波给高速铁路沿线附近的居民造成了极大的困扰，主要体现在隧道洞口的“音爆”、房屋窗框的振动等。因此，需要可靠的方法准确预测微压波的幅值并明确微压波的阈值，从而在高速铁路隧道的初始设计阶段，采取有效的措施降低由微压波产生的辐射噪声。本文按照微压波的形成过程，介绍了德国预测微压波的方法及其评估准则。

1微压波的预测

1.1 微压波的产生

高速列车头部驶入隧道瞬间，在车头前形成初始压缩波。初始压缩波以近似声速的速度向隧道出口端传播，到达出口端时，大部分波向隧道内反射形成膨胀波，小部分波向洞外辐射出去，形成脉冲波。如果脉冲波强度足够大时，会产生音爆声，即为“微压波”。微压波的产生过程如图1所示。如果不采取减缓措施，即使在远离隧道洞口的地方也能清晰地听到音爆声。音爆声与微压波的频谱和脉冲的幅值紧密相关，当持续时间短且振幅较大时，微压波容易被听到。

1.2 初始压缩波的模拟

初始压缩波可通过实车试验、动模型试验和数值模拟方法获得。M.Hieke采用CFD软件ANSYS-CFX12模拟计算了初始压缩波的压力变化和压力梯度。列车和隧道参数如表1所示。图2表示列车进入不同形状的隧道端口时，所产生的初始压缩波的压力变化和压力梯度。

从图2可以看出，列车进入不同形状的隧道入口时，产生的压力幅值几手相等，但压力梯度差异较大。列车进入直切式洞口产生的压力梯度最大，这是由于列车突然进入隧道，压缩波的上升时间最短，致使压力梯度最大。斜切式洞门及带缓冲结构的隧道延长了列车进入隧道的时间，故压力梯度值减小。70m长的缓冲结构产生的最大压力梯度值大于50m长的缓冲结构产生的最大压力梯度值，因此，并非是缓冲结构越长，压力梯度值越小。此外，在缓冲结构上开窗可调整初始压力波的形状，通过改变开口的大小、位置，可进一步调整初始压缩波的波形。

1.3 压缩波在隧道内传播的模拟

压缩波在隧道内传播通常采用一维传播模型计算，但在摩擦损失的建模方式上有所不同。德国铁路公司开发了一种包含定常流动和非定常流动的计算方法，该方法将一维欧拉方程中的准定常项和非定常摩擦项用下列公式表示：

λ和ε与隧道结构和轨道类型密切相关，其值须通过实车试验获得。德国在英格尔施塔特至纽伦堡高速铁路上的Euerwang隧道进行了试验，试验条件如表2所示。

图3表示Euerwang隧道各个测点处最大压力梯度的实验值与模拟值的对比。图4表示Euerwang隧道内六个测点处数值模拟结果与试验结果波形对比图，从图中可以看出，压缩波在隧道内传播，压力梯度逐渐增大。

通过调整入和ε的取值，使得数值模拟结果与实车试验结果具有良好的一致性。研究结果表明，当λ=0.04，λ≤4，时，数值吻合较好。在日本，λ和ε的取值分别为λ=0.04和9<ε<11，可能是由于德国和日本的板式轨道结构形式存在差異，影响了压力波的传播过程。

1.4微压波的模拟

Ozawa给出了隧道出口处的压缩波的压力梯度和向洞外辐射的微压波之间的函数关系，即微压波的强度△p（t）：

计算微压波的强度，需要选择合适的立体角Ω，而立体角与隧道出口周围的环境紧密相关。德国在现有的高速铁路线上进行了多次实车试验，通过对比数值模拟结果与实车试验结果，找出空间立体角的最佳值。

以Euerwang隧道为例，介绍空间角的选取过程。Euerwang隧道南端是帽檐斜切式隧道端口，半开放式的周围环境，北端是挡土墙式洞口，隧道端口形状如图5所示。

图6、图7分别给出了Euerwang隧道南北端口立体角的取值。由微压波强度的计算公式可知，微压波强度与立体角成反比，即立体角越小，微压波强度越大。从图6、图7可知，距隧道端口50m处的立体角最小。也就是说，在隧道设计阶段应选取S=50m处压力梯度对应的立体角，估算微压波的值。

Euerwang隧道北入口的最小立体角Ω≈1.5，而南入口的最小立体角Ω≈π，这就意味着在压力梯度相同的情况下，与隧道洞口外开放的环境相比，狭窄的洞外环境产生的微压波强度更大。对于挡墙式隧道出口环境，微压波主要沿着挡墙传播，小部分波向挡墙外辐射，距隧道端口25m处的辐射角大于50m处的辐射角，肩部传播规律与底部传播规律略有不同。

2微压波的评估

德国铁路公司开展了一系列关于如何评估和限制微压波排放的研究。目的是排除对短暂停留在隧道入口附近工作人员健康的负面影响;避免在隧道口发生强烈的音爆现象，困扰附近的居民;排除微压波对建筑物结构的影响以及由微压波低频波振动诱发的次声波的影响。同时，制定了下列限制条件：

（1）遵守德国立法，包括防止损害环境影响的一般要求。

（2）与德国交通噪声保护条例及其噪声控制的限值相协调。

（3）遵守考虑了职工健康和安全因素的欧洲条例2003/10/C及其衍生出的国家条例。

基于上述要求，制定了微压波的限制标准：

（1）接近隧道口的噪声限制

为了防止听力损伤，欧洲噪音条例2003/10/EC规定C计权声压峰值应<135dB（C）。即使C计权声压级在铁路噪声评估方面运用不是非常普遍，但考虑到大多数微压波为低频波（<100Hz），甚至是次声波（<20Hz）。基于这一规定：

①距隧道出口25m且距钢轨面1.2m高处的C计权声压峰值应≤115db。

②在隧道口的任何位置，声暴级山L必须≤135dB（C）。基于该限制，避免了由建筑物振动诱发的二次声学效应，排除了微压波对附近建筑物的隐形损害。

（2）隧道附近居民区的噪声限制

在隧道附近的建筑区域内有一套基于C计权声暴露级的噪声防护指令。无论白天或夜晚，隧道口附近建筑物距地面3.5m高处的C计权声暴露级不应超过下列规定：

①医院、学校、疗养院、养老院、居民区，C计权声暴露级应≤70dB（C）。

②公园区域，C计权声暴露级应≤85dB（C）。

③工业区域，C计权声暴露级应≤95dB（C）。

这些规定可使居民受到保护，免受微压波造成的重大干扰。

根据德国交通噪声保护条例，应对隧道端口附近的微压波进行A计权声暴露级评估，结果显示微压波的影响很小，可忽略不計。

3 结语

本文给出了ICE3列车以300km/h的速度进入直切式、斜切式洞门经过25m、50m、70m长的缓冲结构时初始压缩波压力变化和压力梯度的变化曲线。通过对比数值模拟结果和实车试验结果，得出了初始压缩波在铺设Rheda 2000型板式轨道的隧道中传播时，摩擦系数λ=0.04，粗糙度ε≤4以及微压波在不同的隧道出口环境下立体角的取值。并介绍了德国高速铁路评估微压波的准则。

随着我国高速铁路的发展，列车速度不断提高，隧道微压波问题也逐渐凸显。因此，正确地模拟微压波并制定合理的评估准则，在隧道初始设计阶段具有重要的意义，希望本文介绍的德国研究成果对我国相关从业人员具有一定的参考意义。