铁路隧道出口微压波问题的数值模拟

采用有限体积法和TVD性质的差分格式相结合求解轴对称欧拉方程的方法对高速列车通过隧道时在隧道出口区域产生的微压波问题进行了数值研究．通过该数值方法计算得到的结果和国外试验量测结果符合良好，表明该方法能够比较精确地模拟这一现象．通过该数值方法对相关影响因素进行了研究．研究结果表明，隧道出口处挡板的位置和直径大小对于微压波压力峰值的空间分布具有重要影响．文中针对到达隧道出口附近的压缩波为弱冲击波的情况，给出了隧道出口处设无限大挡板和不设挡板时微压波压力峰值的空间分布图．文中提出了用于计算出隧道出口处微压波的压力峰值的公式．该公式表明，微压波的压力峰值与测点到隧道出口中心之间的距离以及测点与隧道出口中心之间的连线和隧道轴线所形成的夹角密切相关．文中的研究结论和方法可为制定微压波减缓措施提供重要依据．     

隧道内缓冲结构对高速列车微压波的影响

摘要：
采用数值方法模拟列车通过隧道的过程，并使用前人的实验数据对计算模型进行了验证.研究了隧道内挡板缓冲结构对微压波强度的影响，揭示挡板装置产生微压波的双峰特征，得到挡板大小和挡板安装位置对微压波强度的影响规律.结果表明，在隧道内合理地安装挡板能有效地削减隧道内压缩波强度，从而削减隧道出口处微压波强度.     

隧道排水泄压孔对周边水压分布变化的影响研究

针对老旧隧道排水系统堵塞瘫痪导致的隧道衬砌渗漏水问题，现场常通过增设泄压孔的方式排出衬砌背后高压水.为探究泄压孔对隧道周边水压力分布产生的影响，总结开通泄压孔后隧道周边水压力的变化趋势及其影响因素（泄压位置、泄压时间、水位高度及土层渗透系数等），然后通过数值模拟有限元分析、模拟富水隧道在不同位置增设泄压孔时周边水压力分布情况，分析泄压孔对隧道外环水压力分布产生的影响.结果表明：(1)泄压孔的降压效果及影响范围主要取决于土层的渗透系数，随渗透系数的减小而减小；(2)泄压时间及上覆水位高度对泄压孔的降压效果影响较小，在渗透系数大于等于1.2 m/d的土层中，泄压32 d降压效果趋近于稳态泄压；(3)开设泄压孔后，隧道外环水压降压比将迅速降至0.8以内，而泄压孔周边1 m左右范围水压将减至无泄压孔时的40%以内，该范围随土层渗透系数的增大而增大.     

轨道道床影响高速铁路隧道出口微压波数值探讨

基于一维可压缩非定常空气流动理论,利用数值方法计算了高速列车进入隧道引起入口压缩渡在不同轨道道床（板式道床与碎石道床）隧道内的传播情况,以及在隧道出口附近形成的微压波特征．通过对轨道道床不同参数的计算,定性与定量分析了轨道道床对隧道出口处微压渡强度的影响,结果表明在较长隧道中铺设碎石道床是一个有效的微压渡减缓措施．     

帽檐斜切式洞门斜率对隧道气动性能的影响

基于三维、可压缩、非定常N-S方程和k-ε双方程湍流模型,对不同斜切斜率帽檐斜切式洞门下的隧道空气动力效应进行数值模拟,得到高速列车过隧道时车体表面、隧道壁面监测点的瞬变压力及隧道出口微气压波.研究结果表明:帽檐斜切式隧道洞门的斜切斜率对车体表面和隧道壁面监测点的瞬变压力变化基本无影响,最大相差在5％左右;随着斜切斜率的减小,初始压缩波由零点上升到峰值所用时问减缓,压力梯度最大值减小;斜切斜率从1∶1降至1∶2时, 隧道出口20 m处微气压波幅值由66 Pa降至54 Pa,降幅达18.2％,可见减小洞门结构的斜切斜率,可改善隧道口微气压波.数值计算结果与动模型试验结果吻合较好,仅幅值略有差异,最大相差在5％以下.     

水平井压井立压控制误差分析与井口套压预测

根据水平井压井的基本原理,考虑环空摩阻、流体流型影响下的计算误差,分析了水平井与直井压井控制立压变化的比较误差.以直井井控理论、多相流理论为基础,建立了水平井井控三相流理论模型,采用有限差分方法对模型进行了数值化求解.算例分析结果表明,在水平井立压控制过程中,如果按直井方式压井,不仅在初始立压点和终了立压点存在误差,而且在造斜点、稳斜点处也存在较大的误差,这将对水平井井控作业产生一定影响.在水平井压井过程中,直到溢流全部移出水平段时水平井的井口套压才开始逐渐增加;岩屑床的存在使水平段和造斜段的环空尺寸减小,对流体流速有一定影响,使井口套压比不考虑其存在的情况时偏高;水平井曲率半径、水平段长、水平段微小倾角、多个造斜率等因素对井口套压影响不大,而井眼尺寸、压井排量、溢流量等因素对井口套压影响较大.     

缓冲结构对隧道气动效应减缓效果

基于三维、非稳态、黏性Navier-Stokes方程,采用k-ε两方程紊流模型,通过数值仿真技术,计算了列车高速进入隧道时产生的复杂压力场,对列车通过隧道引发的初始压缩波和压力梯度曲线进行了具体分析,比较了10种缓冲结构对初始压缩波最大压力值和最大压力梯度值的减缓效果.研究表明:设置缓冲结构对降低初始压缩波最大压力值的效果并不明显,减缓效果均在5.0%以内,但能有效降低最大压力梯度值,其中长度为20 m、断面面积为150 m2、开2个孔的缓冲结构的减缓效果最佳,减缓率为48.1%,并且隧道缓冲结构的长度、截面积、开口率和开口数量均对初始压缩波最大压力梯度值的减缓效果有影响.     

司钻法压井过程中立压和套压的计算

司钻法压井是现场常用的一种油气井控制井的压井方法。本文根据压井的基本原理,结合压井作业工况,推导出司钻法压井过程中立压和套压的计算式,通过实例进行了计算,利用本文计算结果,有助于指导压井施工。     

交叉开口型缓冲结构对隧道微压波的作用分析

针对高速铁路隧道空气动力学问题,现阶段研究的重点是找到更为有效减缓微压波的途径。采用数值分析中的动网格技术,对高速列车突进设置有非交叉开口型与交叉开口型缓冲结构的隧道进行数值模拟。研究结果表明:开口在减缓气动效应的作用上,会相互影响;修建适当的交叉开口型缓冲结构可以更有效地降低压力梯度峰值,在工程不变的情况下,降低率最大可达到8%;通过数值模拟对比分析,给出了两开口缓冲结构的最佳修建形式,并为交叉开口型缓冲结构的深入研究奠定了基础。     

水平井压井立压控制误差分析与井口套压预测

根据水平井压井的基本原理,考虑环空摩阻、流体流型影响下的计算误差,分析了水平井与直井压井控制立压变化的比较误差.以直井井控理论、多相流理论为基础,建立了水平井井控三相流理论模型,采用有限差分方法对模型进行了数值化求解.算例分析结果表明,在水平井立压控制过程中,如果按直井方式压井,不仅在初始立压点和终了立压点存在误差,而且在造斜点、稳斜点处也存在较大的误差,这将对水平井井控作业产生一定影响.在水平井压井过程中,直到溢流全部移出水平段时水平井的井口套压才开始逐渐增加;岩屑床的存在使水平段和造斜段的环空尺寸减小,对流体流速有一定影响,使井口套压比不考虑其存在的情况时偏高;水平井曲率半径、水平段长、水平段微小倾角、多个造斜率等因素对井口套压影响不大,而井眼尺寸、压井排量、溢流量等因素对井口套压影响较大.     

高速列车行驶速度对隧道壁面气动压力影响的数值模拟

壁面气动压力长期循环作用是高速铁路隧道衬砌掉块的重要诱因，为研究高速列车行驶速度对壁面气动压力基本特征的影响规律，采用三维数值仿真模拟对隧道典型位置(入口段、洞身段以及出口段)壁面气动压力进行研究。结果表明:列车车头经过使得监测横断面气动压力差异性增强，表现出显著的三维特征。隧道入口段气动压力三维特征主要受压缩空气所占体积大小以及与隧道入口之间距离的影响，气动压力三维特征随着进入隧道入口距离的增加而减弱，并逐渐向一维特征转变。列车车头驶入隧道入口后，车尾驶出隧道出口前，洞身段不同测点位置的气动压力正峰值主要受车头进入隧道入口诱发压缩波的影响，纵轴中断面测点气动压力负峰值与峰峰值大于洞口段。车尾驶出隧道出口后，出口段测点气动压力负峰值大于入口段，正峰值小于入口段。隧道出口段气动压力三维特征与入口段相似，但列车行驶速度以及测点与隧道出口之间距离对气动压力三维特征的影响机制更为复杂。     

高速铁路隧道斜切式洞门研究

高速列车通过隧道时会在隧道内引起瞬变压力、在隧道出口形成微气压波.微气压波会对隧道出口的周边环境和周围建筑物造成危害,采用帽檐斜切式洞门可大大消减微气压波的影响.本文对斜切式洞门的结构型式、结构设计及斜切式洞门对微气压波的消减效果等进行了研究,可供类似工程参考.     

盾构下穿及列车荷载作用下既有高铁桥梁动力响应分析

以盾构下穿某高速铁路简支梁桥为工程背景,运用有限元软件Midas/GTS建立盾构隧道先后下穿高铁桥梁模型,分析盾构下穿时列车荷载作用下高速铁路简支桥梁动力响应。研究首先分析了当盾构开挖至桥梁近侧,列车以不同速度200～350km.h-1、不同轴重110～220kN运行时对高速铁路简支梁桥墩顶沉降的影响。接着探讨在不同开挖阶段下,速度200 km.h-1轴重110kN的列车动荷载冲击下高铁桥梁墩台顶变形规律。结果表明：盾构开挖至桥梁近侧时,不同速度、轴重列车荷载冲击下,高铁桥梁墩台顶的变形规律基本一致,其沉降在一定时间达到峰值,其后迅速降低并稳定在某一波动范围内;随着列车速度与轴重的增加,墩台顶沉降峰值越大;盾构开挖时,列车时速低于200 km.h-1、轴重小于110kN时其墩台顶沉降峰值当满足高铁桥梁单墩顶竖向沉降控制标准,与列车速度相比,列车轴重对桥梁的动力响应影响更大;列车动荷载作用下,盾构隧道开挖对高铁桥梁墩顶变形的影响主要为盾构开挖至桥梁近侧的初开挖阶段,盾构开挖远离桥侧后墩顶变形基本处于稳定状态。     

复合交通荷载下叠合式公轨合建隧道动力响应

叠合式公轨合建隧道不同于其他公轨合建隧道,汽车-列车荷载作用下其动力响应也有所不同。为研究复合交通荷载下叠合式公轨合建隧道动力响应,用激振力法、元胞自动机、汽车动力模型模拟列车荷载、车流和汽车荷载,用有限元软件Plaxis3D分析了不同荷载及有无垫层工况下隧道的动力响应。结果表明：公路隧道、铁路隧道分别主要对汽车荷载、列车荷载产生加速度响应,铁路隧道的加速度响应要明显大于公路隧道,约为后者的20倍;隧道不同位置处,对两种交通荷载的应力响应情况不同,铁路隧道应力响应主要受列车荷载控制,但当公路隧道中有大型车辆通过时,会对铁路隧道应力响应产生较大影响,甚至起到主导作用;公路、铁路隧道之间设置垫层会增大公路隧道的动力响应,但同时会减小公路隧道下方土层的刚度差异进而减小其应力值,综合作用下,设置垫层后公路隧道的应力状态会有所改善。     

高架桥下方高铁地震信号频谱特征研究

使用北京大学架设的临时台阵中11个高铁高架桥下的短周期台站11天记录到的由951列高铁激发的共10461条地震记录, 利用K-Means聚类算法, 研究其频谱如何随列车的速度、模型、铁轨和路基变化而变化。近匀速运动的高铁所产生的高铁地震波的频谱主要由等间隔的峰组成, 其基频等于速度与车厢长度的比值。通过调整基频来降低列车速度的影响, 可使频谱模式更稳定, 便于比较。聚类结果表明, 高铁地震的频谱在相同车型、铁轨和路基条件下, 表现出稳定的模式; 这种稳定的频谱模式随车型、铁轨和路基条件的变化而显著变化。对这种稳定的频谱特征的监测, 可用于高速铁路的安全监控。     

隧道活塞风速计算方法及其影响因素分析

针对隧道内活塞风会对安全门和广告灯箱等引起破坏的问题,开展了地铁单线无风井和有风井两种形式的隧道空气动力学特性分析,建立了隧道各断面之间的一维伯努利方程和流体连续性方程,研究了不同形式隧道下活塞风速的理论计算模型. 并使用SES软件建立其仿真模型对计算模型的结果进行验证, 重点研究了对活塞风速影响的主要因素.结果表明:隧道内活塞风速与列车速度、列车长度和列车外表面光洁度等成正比例关系,而活塞风井高度、断面面积和风井位置等参数对活塞风速影响不大.所提出的计算模型可用于实际工程中活塞风速的简便计算.     

联通式内缓冲结构对隧道气动效应减缓效果

本文为解决地形受限而无法在隧道入口处设置缓冲结构的隧道气动效应问题,提出了一种新型的联通式内缓冲结构,基于三维、可压缩、非定常Navier-Stokes方程,采用 两方程湍流模型,通过滑移网格技术,对列车高速驶入隧道所引起的压力波动进行了计算。通过将不同缓冲结构形式对隧道气动效应的减缓效果进行对比,选定出了此缓冲结构的最优形式。研究结果表明：在隧道内部设置联通式内缓冲结构对于初始压缩波压力最大值 的降低效果并不显著,但可以大幅降低压力梯度最大值 。联通式内缓冲结构开口数量n、距隧道入口距离 、开口通道长度 、横向通道与轴向通道的水力直径之比 以及横向通道长度 等参数都会对隧道气动效应的减缓效果有一定程度的影响。当联通式内缓冲结构开口数量n为3,距隧道入口距离 为20 m,开口通道长度 为10 m,横向通道与轴向通道的水力直径之比 为1:1,横向通道长度 为2 m时,对隧道气动效应的缓冲效果最佳,可达37.68%。故设置联通式缓冲结构在一定程度上可以有效减缓隧道气动效应。