一种高速铁路隧道二次微气压波的缓解系统

1.本发明属于机械装置技术领域，涉及高速铁路隧道的微气压波，具体为一种高速铁路隧道二次微气压波的缓解系统。


背景技术：

2.高速列车在进入隧道入口时，车头部分会产生一个初始压缩波，该压缩波会沿着隧道以当地声速向出口传播，并在隧道出口处产生音爆现象，称为一次微气压波。当列车经过隧道内部的竖井、横通道等结构时，车头处也将产生一个新的压缩波，该压缩波传播到隧道出口处时，同样会导致隧道洞口产生微气压波现象，称为二次微气压波。
3.微气压波会引起隧道出口的周边建筑物的共振，严重影响建筑物的使用寿命和人们正常的生产生活，特别是随着列车运行速度的提高，隧道出口的微气压波现象也变得更加明显。经梅元贵等人的研究，当高速列车的速度达到600km/h时，其隧道出口的微气压波大小可以达到正常的几十倍之多。目前抑制微气压波最常见的工程手段是在隧道入口建造缓冲结构，以确保入口不会产生过陡的初始波前。但相关研究表明，缓冲结构所需长度通常随列车速度和车隧阻塞比的增加而增大，除了会给视觉上带来不适外，还会极大增加建设和土地征用费用。若隧道入口处于人口稠密地区或特殊地形时，安装较长缓冲结构则变得几乎难以实现。更重要的是，洞口缓冲结构无法直接对压缩波演化过程发生作用。即使洞口产生的初始波前较为平缓，但经隧道内激化后仍有可能产生严重的微气压波问题。此外，若隧道内存在分支结构时，洞口缓冲结构亦无法对二次微气压波产生作用。因此，进行隧道内部的基础设施对微气压波缓解效果的研究是极其必要的。
4.近年来，针对隧道内部缓冲结构对洞口微气压波缓解效果的研究有很多，上海交通大学臧俊讨论了隧道内加挡板对隧道微气压波的缓解作用，并对挡板的个数、安装方式、径向宽度、距离，以及列车的速度等影响因素都做了较为深入的研究。北京交通大学骆建军研究了并联隧道间距以及横通道与隧道的夹角对微气压波的影响，但以上研究主要关注一次微气压波，并没有考虑二次微气压波的缓解。西南交大的王宏林等人研究了延长隧道出口端的长度，并在上面设置一系列的泄压孔来缓解出口微气压波的方法，在数值计算中，该方法确实能对隧道出口的微气压波产生一定程度的缓解作用。但该方法同样需要较长的隧道延伸端，在有些场合并不好直接使用。
5.张路等人近年来提出了一种根据传感器和检测部件发送的测量信号，在隧道出口处设置喇叭发出相应的声波来抵消微气压波的方法。但是，张路等人的缓解方法主要针对于一次微气压波，隧道入口微气压波（一次）和竖井微气压波（二次）的产生时刻和形成机理并不相同，并没有考虑对二次微气压波的缓解效果。此外，现有的研究表明，微气压波是一种以次声能量为主的气动现象，如果采用喇叭发出相应的声波抵消微气压波，则意味着需要喇叭对周围环境释放一定的次声能量，其本身就很容易对周围环境造成危害，尤其是当该缓冲机构发生故障时。在实际隧道中，由于传感器采集、数据传输、以及信号处理的延时，再加上隧道内的喇叭和传感器可能会有一定的距离，最终喇叭输出的声波可能并不能抵消
隧道出口的微气压波现象。
6.近年来，中南大学王田天等人通过数值模拟的方法和动模型实验共同研究了竖井参数对微气压波的影响，研究结果表明：随着竖井横截面面积增大，一次微气压波的波峰幅值逐渐减小，说明增大竖井横截面面积可进一步有效缓解微气压波；但同时隧道出口的二次微气压波的压力幅值会随之增大，其中当竖井横截面面积增大到81m2时，二次微气压波的幅值大小将会超过一次微气压波，而二次微气压波同样能够带来严重的环境问题。


技术实现要素：

7.现有的研究中，除了减小隧道竖井的尺寸外，很少出现其他针对二次微气压波的解决办法。但当竖井尺寸减小时，竖井对一次微气压波的缓解作用也会随之减弱。针对该问题，本发明目的是提出一种可用于防止列车经过竖井时产生二次微气压波的机械装置，通过在隧道内部设置该装置，可以彻底防止二次微气压波的产生。在这种情况下，可以采用更大横截面积的竖井来实现对隧道出口处的一次微气压波现象的更好的缓解效果，而不用担心列车经过竖井时所带来的二次微气压波的影响。
8.本发明是采用如下技术方案实现的：一种高速铁路隧道二次微气压波的缓解系统，包括高速铁路隧道，所述高速铁路隧道内顶面沿列车行进方向上设置有与外界相通的竖井；所述高速铁路隧道内顶部位于竖井及其前方贯通开挖一个宽度为竖井直径1.1～1.2倍的开部空间，所述开部空间内顶面高于高速铁路隧道顶面顶点0.8～1.5m；所述开部空间两侧对称设有一对c型滑槽，一对c型滑槽之间安装用于闭合竖井的滑动竖井挡板，所述滑动竖井挡板两侧部分别伸入至两侧的c型滑槽内并通过滚轮支撑；所述滑动竖井挡板表面设有驱动齿条；所述开部空间一侧壁内凹设有洞室，所述洞室内安装伺服电机，所述伺服电机连接减速机，所述减速机的输出轴安装驱动齿轮，所述驱动齿轮与驱动齿条啮合。
9.所述高速铁路隧道顶部位于竖井后方和前方分别设有用于检测高速列车经过前和经过后的红外传感器ⅰ红外传感器ⅱ，所述红外传感器ⅰ、红外传感器ⅱ与plc控制器相连，所述plc控制器控制伺服电机动作。
10.本发明主要原理是，当红外传感器ⅰ检测到列车的车头到达红外传感器位置时，将所采集的信号传递给plc控制器，信号经plc控制器处理后，将结果反馈给伺服电机，使得伺服电机驱动滑动竖井挡板左移（向竖井方向），直到滑动竖井挡板在列车到达竖井前100米时彻底盖住竖井。此时，当列车继续向前行驶时，由于滑动竖井挡板彻底隔绝了隧道与外界大气之间的气流流动，此时列车在经过竖井时，将不会产生新的列车压缩波，因此也避免了隧道出口处的二次微气压波的产生。当列车继续向前行驶直到车尾离开红外传感器ⅱ位置时，红外传感器ⅱ将此时所采集的信号传递给plc控制器，使得伺服电机驱动滑动挡板往右运动，最终使竖井完全打开。此时，当第二辆列车驶入隧道时，竖井依旧能发挥对一次微气压波的抑制作用。
11.进一步优选的，所述开部空间内位于滑动竖井挡板下方设有隔板，所述隔板与开部空间长度相同，位于高速铁路隧道顶面顶点所在的水平面，而且在开部空间内位于隔板下方采用填充块形成隧道顶部拱面，不影响隧道内顶部外观，将该系统布置于隧道内上部。所述隔板两侧分别安装于c型滑槽底面；所述隔板上开有与竖井直径相同的竖井孔；所述隔
板上表面位于竖井孔前方横向安装有密封条，所述密封条与滑动竖井挡板底面间隙配合，使其不会干涉滑动竖井挡板沿c型滑槽的运动。所述隔板四周与开部空间之间的间隙采用泡沫胶封堵，保证气体不会从间隙处溢出。
12.进一步优选的，所述开部空间位于竖井处后侧横向设有用于滑动竖井挡板前端伸入的c型槽，所述c型槽内设有缓冲泡棉。使得当滑动竖井挡板运动到c型滑槽所在的极限位置时，滑动竖井挡板的一端能完全嵌入到c型槽内。c型槽中的缓冲泡棉可以减小滑动竖井挡板在到达该位置处时所产生冲击。
13.本发明所述系统能在不影响竖井结构对隧道一次微气压波缓解效果的基础上，能够最大限度的避免列车经过竖井时的二次微气压波的产生。此外，在隧道内部可以使用横截面积更大的竖井结构（竖井的横截面积可以在50m2以上）以达到对隧道一次微气压波产生更强的缓解效果，而所带来的副作用（二次微气压波）却可以忽略不计。
14.本发明设计合理，旨在不影响隧道竖井对一次微气压波抑制作用的同时，阻止列车通过竖井时产生的二次微气压波现象，具体很好的实际应用价值。
附图说明
15.图1表示本发明所述高速铁路隧道二次微气压波缓解系统的原理示意图。
16.图2表示高速铁路隧道在横截面上开部空间的开挖示意图。
17.图3表示高速铁路隧道在沿列车前进方向上开部空间的开挖示意图。
18.图4表示开部空间内结构的截面示意图。
19.图5表示开部空间内滑动竖井挡板的运行示意图。
20.图6表示隔板与密封条示意图。
21.图7表示现有研究中竖井将长隧道分成两个短隧道示意图。
22.图8表示竖井挡板对竖井二次微气压波的缓解原理示意图。
23.图中：1-高速铁路隧道，2-列车，3-竖井，4-红外传感器ⅰ，5-plc控制器，6-红外传感器ⅱ，7-伺服电机，8-驱动齿轮，9-驱动齿条，10-滑动竖井挡板，11-c型滑槽，12-螺钉，13-岩石壁，14-支架，15-销轴，16-滚轮，17-开部空间，18-填充块，19-隔板，20-c型槽，21-缓冲泡棉，22-竖井孔，23-洞室，24-凸缘联轴器，25-减速机，26-弹性联轴器，27-密封条。
具体实施方式
24.下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
25.现有技术研究中，除了减小竖井的横截面积外，暂时还没有其他针对列车经过竖井时所引起的二次微气压波问题的缓解方法。对此，本发明实施例提出一种能够有效抑制隧道二次微气压波的缓解系统如下。
26.一种高速铁路隧道二次微气压波的缓解系统，包括高速铁路隧道1，高速铁路隧道1内顶面沿列车行进方向（本发明中以列车行进方向为前方，反之为后方）上设置有多个与外界相通的竖井3；各个竖井3之间相隔一定的距离（大约相距2-3km），目的是缓解甚至消除一次微气压波的影响。
27.本发明的具体方案在于，如图2、3所示，高速铁路隧道1内顶部位于竖井处及其前方贯通开挖一个宽度为竖井直径1.1～1.2倍的开部空间17。开部空间17内顶面高于高速铁
路隧道1顶面顶点0.8～1.5m，本实施例中，开部空间17的上部可以为矩形。
28.如图4所示，开部空间17两侧对称设有一对c型滑槽11，c型滑槽11通过螺钉12锚固在两侧的岩石壁13上，一对c型滑槽11之间安装用于闭合竖井的滑动竖井挡板10。滑动竖井挡板10两侧部分别伸入至两侧的c型滑槽11内并通过滚轮16支撑；滚轮16通过销轴15安装于滑动竖井挡板10侧部的支架14上。
29.如图4、5所示，滑动竖井挡板10表面通过焊接等方式固定设有驱动齿条9；开部空间17一侧壁内凹设有洞室23，洞室23内安装伺服电机7，伺服电机7的输出端通过弹性联轴器26与减速机25相连，减速器25的输出端通过凸缘联轴器24与驱动齿轮8相连，驱动齿轮8与驱动齿条9啮合。如有必要，在开部空间17的两侧壁上均开凿有洞室，设置两套驱动机构，即滑动竖井挡板10表面设置两根驱动齿条9，提升驱动力。
30.如图5所示，开部空间17位于竖井处后侧横向设有用于滑动竖井挡板10前端伸入的c型槽20，c型槽20内设有缓冲泡棉21。
31.如图4、6所示，开部空间17内位于滑动竖井挡板10下方设有隔板19，隔板19两侧分别安装于c型滑槽11底面。隔板19上开有与竖井直径相同的竖井孔22；隔板19上表面位于竖井孔22前方横向安装有密封条27，密封条27与滑动竖井挡板10底面间隙配合，不影响滑动竖井挡板10移动。隔板19位于高速铁路隧道1顶面顶点所在的水平面，与开部空间17长度相同。隔板19四周与开部空间17之间的间隙采用泡沫胶封堵。开部空间17内位于隔板19下方采用填充块18形成隧道顶部拱面（如图2所示）。
32.如图1所示，高速铁路隧道1顶部位于竖井3后方和前方分别设有用于检测高速列车经过前和经过后的红外传感器ⅰ4、红外传感器ⅱ6，红外传感器ⅰ4、红外传感器ⅱ6与plc控制器5相连， plc控制器5控制伺服电机7动作。例如，红外传感器ⅰ4位于竖井3后方300米处，用于采集列车2的车头经过该位置的信号；红外传感器ⅱ6位于竖井3前方50米处，用于采集列车2的车尾经过该位置的信号。
33.具体实施时，该系统安装及使用方法如下：首先，在隧道1的竖井3处及其前方开凿与竖井直径略大、长约20-25米的开部空间17（开部空间的长度根据实际情况而定），如图2、3所示。开部空间17顶部比隧道顶部高1米，开部空间17左右两边平行安放两排c型滑槽11，c型滑槽11通过螺钉12固定在隧道壁面上，与c型滑槽11相配合的滑动竖井挡板10的两端安装有支架14，滚轮16通过销轴15与支架14相连，使得滑动竖井挡板10能在c型滑槽11内沿其滑动，如图4所示。滑动竖井挡板10通过c型滑槽11的后端安装到c型滑槽11内，安装好后，c型滑槽11内的后端通过物理手段封堵，保证滑动挡板始终不会脱离c型滑槽11。此外，位于c型滑槽11的下端设置一块隔板19，隔板与开部空间17等宽，安装好隔板后，隔板四周与开部空间17的侧壁之间配合的间隙采用泡沫胶之类的填充物进行封堵，保证气体不会从间隙处溢出。隔板下方采用填充块18形成隧道顶部拱面，使得该处的断面形状和隧道其他位置的断面形状保持一致；即使在后期需要维护及检修时，能够轻易和快速拆除填充块后，卸下隔板即可。在隔板19上端设置密封条27，其左右两侧分别与安装在壁面两端的c型滑槽11相连，密封条27的高度经过严格控制，使其不会干涉滑动竖井挡板10沿c型滑槽11的运动。在c型滑槽11的另一侧，安装有与c型滑槽11同高的c型槽20，使得当滑动竖井挡板10运动到c型滑槽11所在的极限位置时，滑动竖井挡板10的一端能完全嵌入到c型槽20内。c型槽20中设有缓冲泡棉21，以减小滑动挡板10在到
达该位置处时所产生冲击。此外，当滑动竖井挡板10运动到c型滑槽11所在的极限位置时，滑动竖井挡板10的一端能完全嵌入到c型槽20内，如图5所示。开部空间17的左侧设有一个能容纳伺服电机7和减速器25的内凹洞室28，伺服电机7和减速器25固定在洞室28内，伺服电机7的输出端通过弹性联轴器26与减速器25相连，减速器25的输出端通过凸缘联轴器24与驱动齿轮8相连，驱动齿轮8与驱动齿条9相互啮合，驱动齿条9沿长度方向焊接在滑动竖井挡板10的背面左侧，如图5所示。红外传感器ⅰ4安装在竖井3前面300米处，用于采集隧道1中行进中的列车2车头经过该位置的信号；红外传感器ⅱ6安装在竖井3后面50米处，用于采集列车2的车尾部分驶离竖井3的信号，如图1所示。
34.根据已有研究表明，当高速列车车头驶入隧道入口瞬间，由于空气的可压缩性及流动受到隧道壁面的限制，隧道内车头前部的空气受到压缩，压力突然增加，形成初始压缩波。但是，当竖井的面积足够大时，竖井位置可以近似看作大气，因此，大横截面竖井的加入就相当于把一座长隧道分割成了两座短隧道，那么列车经过一座长隧道竖井交叉结构段的过程就相当于列车从短隧道a的出口驶出并进入短隧道b的入口，如图7所示。
35.本发明的缓解原理如8图所示，在竖井与隧道连接处增设一挡板，当列车到达竖井前方100米处时，竖井完全关闭。当列车继续向前方行驶时，由于挡板的阻隔作用，b位置处的压力变化规律和没有竖井情况下（也即一座长隧道）的该位置的变化规律完全相同。此时，当列车再次经过b位置时，列车车头不会产生新的压缩波。因此，也不会在隧道出口位置产生二次微气压波。
36.初始情况下，滑动竖井挡板10位于最右端，此时，竖井为完全打开状态，隧道可以通过竖井正常与外界连通。在当红外传感器ⅰ4检测到列车2车头经过时，与红外传感器ⅰ4相连plc控制器5控制伺服电机7顺时针转动，使得齿轮8带动齿条9和与之焊接的滑动竖井挡板10从初始位置向左移动，使得滑动竖井挡板10能在列车2到达竖井3前100米时彻底隔断竖井3；当红外传感器ⅱ6检测到列车2的车尾消失时，与红外传感器ⅱ6相连plc控制器5控制伺服电机7逆时针转动，此时，齿轮8带动齿条9和滑动竖井挡板10向右移动，直到竖井3完全打开，滑动竖井挡板10重新回到初始位置。此时，竖井能够继续起到缓解隧道内部气压波动和洞口微气压波的作用。滑动竖井挡板10的运动规律可以通过控制伺服电机7的转速加以控制，基本原则是，当红外传感器ⅰ4检测到列车经过时，滑动竖井挡板10先匀加速、后匀速，最后做匀减速运动。最终使得列车在到达竖井前100米处时，滑动竖井挡板10的速度等于0，且此时滑动竖井挡板10已经完全嵌入c型槽20中。
37.本系统的使用对象包括但不限于隧道竖井，例如包括横通道在内的隧道内部结构所引起的二次微气压波都可采用该方法。
38.最后所应说明的是，本发明主要针对于保护一种当列车经过竖井时，通过机械手段堵塞竖井来防止隧道微气压波的思路，包括但不限于在隧道顶端设置一个可以根据列车位置自动闭合或打开的顶盖，在竖井中间设置其他不同运动形式的挡板等等。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。