一种高速铁路隧道道砟铺设量的计算方法技术

本发明专利技术涉及高速铁路隧道微气压波的缓解方法，具体为一种高速铁路隧道道砟铺设量的计算方法。本发明专利技术可将质量项主导的碎石道砟和动量项主导的壁面摩擦进行有效辨识和区分，进而使道砟铺设量与储气容积进行直接关联，因而在工程设计和分析中具有更好的实用性。由于采用了1D模型，因此在保证计算速度的同时，还可以较好的预测碎石道砟对波前陡化的抑制作用，并且可以较好的反应道砟铺设量的影响。此外，对于工程上需要加装碎石道砟去改善出口微气压波的隧道，使用本发明专利技术的数值计算方法可以很好的预测出隧道内合理的道砟铺设量，因此在工程设计和分析中具有更好的实用性。设计和分析中具有更好的实用性。设计和分析中具有更好的实用性。

【技术实现步骤摘要】
一种高速铁路隧道道砟铺设量的计算方法


[0001]本专利技术涉及高速铁路隧道微气压波的缓解方法，具体为一种高速铁路隧道道砟铺设量的计算方法。

技术介绍

[0002]当列车高速入隧产生的压缩波传至隧道出口时，洞口处将辐射出以次声能量为主的微气压波(Micro Pressure Wave，简称MPW)，会对周围环境产生极大危害。由于MPW能量主要取决于传至隧道出口的压缩波最大压力梯度，因此实现对压缩波隧道内传播演化过程的精确模拟非常必要
[1]。已有文献表明，在隧道内部铺设碎石道砟是较为有效的微气压波缓解方式，但碎石道砟对微气压波的缓解效果与碎石道砟的铺设量有关。因此对于实际需要铺设碎石道砟的隧道，精确预测将微气压波降低至合理水平所需要的道砟数量是很有必要的。
[0003]目前，最常见的处理方式是将碎石道砟抑制波前陡化的作用统一视为非定常摩擦作用，通过调整摩擦系数的大小，间接模拟不同数量的碎石道砟对隧道微气压波的缓解作用
[2]。但该处理方式不能反映碎石道砟对压缩波的实际作用效果，因此计算精确度较低。此外，由于摩擦系数与道砟数量之间并无直接的映射关系，在已知隧道非定常摩擦系数后，采用该方法也很难合理预测的碎石道砟的铺设量。
[0004][1]Vardy AE.Generation and alleviation of sonic booms from rail tunnels,Proceedings of the Institution of Civil Engineers Engineering and Computational Mechanics 161September 2008Issue EM3 Pages 107
–
119.
[0005][2]Fukuda T,Nakamura S,Miyachi T,et al.Influence of ballast quantity oncompression wavefront steepening in railway tunnels,Proceedings of theInstitution of Mechanical Engineers Part F Journal of Rail and Rapid Transit,2019,234(6),607
‑
615.

技术实现思路

[0006]现有的研究在分析碎石道砟对隧道压缩波陡化的抑制作用时，往往将碎石道砟对压缩波的作用效果归结为摩擦作用，通过修正隧道壁面的非定常摩擦系数来间接考虑道砟的影响。但实际碎石道砟大多为孔隙率等于0.6的多孔结构，其对压缩波波前的气体有着很强的吸收作用，上述方法并不能考虑该作用对压缩波波前的影响，因此并不能准确的模拟碎石道砟对压缩波对波前陡化的抑制作用。此外，由于摩擦系数与道砟数量之间并无直接的映射关系，在已知隧道非定常摩擦系数后，采用该方法也很难合理预测碎石道砟的铺设量。
[0007]针对现有方法很难合理预测碎石道砟铺设量的问题，本专利技术提出了一种高速铁路隧道道砟数量的预测方法，该方法可将质量项主导的碎石道砟和动量项主导的壁面摩擦进行有效辨识和区分，进而使道砟铺设量与储气容积进行直接关联。
[0008]本专利技术是采用如下的技术方案实现的：一种高速铁路隧道道砟铺设量的计算方法，包括以下步骤：
[0009](1)给定需加设道砟隧道的长度、横截面积以及气室阵列体积比、微气压波的辐射角、隧道外部环境的测点到隧道出口的距离；
[0010](2)通过实车试验测得隧道入口的初始压缩波以及出口位置压缩波的波前形状，并通过该试验数据修正一维特征线法的定常摩擦系数f以及非定常摩擦系数ε
us
；
[0011](3)通过试验测量需要铺设的碎石道砟的孔隙率以及阻力系数K1和K2；
[0012](4)将上述得到的数据作为已知条件，采用考虑道砟影响的特征线法数值计算程序，可算得隧道出口位置的微气压波大小；结合工程中许用的微气压波限值，判断计算所得隧道出口位置的微气压波是否小于许用微气压波大小，若满足，直接输出气室阵列体积比；若不满足，调整气室阵列体积比，再次进行计算，直到计算得到满足隧道出口的微气压波值；
[0013]特征线法数值计算程序为：气室阵列中每个气室作为一个计算节点，每个计算节点设置双网格点，即设定当前气室与隧道的连接器的左右两端为A和B，两个特征线方程为沿LA方向(p
AB
‑
p
L
)+(ρc)
L
(U
A
‑
U
L
)＝
‑
(ρc)
L
Δt(U
A
|U
A
|f+ε
us
YQ)和沿RB方向(p
AB
‑
p
R
)
‑
(ρc)
R
(U
B
‑
U
R
)＝(ρc)
R
Δt(U
A
|U
A
|f+ε
us
YQ)，其中，(ρc)
L
为当前气室左侧节点在当前时刻和上一时刻的密度和声速乘积的插值，(ρc)
R
为当前节点上一时刻密度与声速的乘积和当前气室右侧节点上一时刻密度与声速的乘积的插值，P
L
表示当前节点左侧的隧道压力，P
R
表示当前节点右侧的隧道压力，U
L
表示当前节点左侧的气体速度，U
R
表示当前节点右侧的气体速度，Δt为时间步长；连续性方程为气室方程为式中V为气室体积，特征线方程可通过连续性方程与气室方程进行耦合，同时，连续性方程可将当前节点左右两点的速度差U
A
‑
U
B
与通过连接器流向气室的流速相关联，即：式中，A为隧道的横截面积，表示通过计算网格点的总质量流；
[0014]在每个时间步长中，依次在每个计算节点上求解上述方程，可得隧道压力p
AB
、气室压力p
ch
、当前节点的左端点气体速度U
A
、右端点气体速度U
B
、隧道与气室间的质量流变化速率五个未知量的值；该求解过程是逐步迭代的，最后得到隧道出口气室位置处的隧道压力p
AB
，此时，将隧道压力p
AB
对时间求导，即可得到隧道出口压缩波的最大压力梯度，通过公式即可求得隧道出口位置的微气压波大小，式中，A为隧道的横截面积；Ω为隧道出口向外辐微气压波的辐射角；z为测点到隧道出口的距离；c为声速；为隧道出口压缩波的最大压力梯度；
[0015](5)结合隧道横截面积、碎石道砟孔隙率即可求得每米隧道所需铺设的碎石道砟体积，
[0016]本专利技术的数值计算方法可以较好的预测碎石道砟对波前本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高速铁路隧道道砟铺设量的计算方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)给定需加设道砟隧道的长度、横截面积以及气室阵列体积比、微气压波的辐射角、测点到隧道出口的距离；(2)通过实车试验测得隧道入口的初始压缩波以及出口位置压缩波的波前形状，并通过该试验数据修正一维特征线法的定常摩擦系数f以及非定常摩擦系数ε
us
；(3)通过试验测量需要铺设的碎石道砟的孔隙率以及阻力系数K1和K2；(4)将上述得到的数据作为已知条件，采用考虑道砟影响的特征线法数值计算程序，可算得隧道出口位置的微气压波大小；结合工程中许用的微气压波限值，判断计算所得的微气压波是否略小于许用微气压波大小，若满足，直接输出气室阵列体积比；若不满足，调整气室阵列体积比，再次使用上述方法进行计算，直到满足隧道出口的微气压波限值；特征线法数值计算程序为：气室阵列中每个气室作为一个计算节点，每个计算节点设置双网格点，即设定当前气室与隧道的连接器的左右两端为A和B，两个特征线方程为沿LA方向(p
AB
‑
p
L
)+(ρc)
L
(U
A
‑
U
L
)＝
‑
(ρc)
L
Δt(U
A
|U
A
|f+ε
us
YQ)和沿RB方向(p
AB
‑
p
R
)
‑
(ρc)
R
(U
B
‑
U
R
)＝(ρc)
R
Δt(U
A

【专利技术属性】
技术研发人员：刘峰，雷海洋，邸娟，卫梦杰，马健斌，陈大伟，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：