“新一代搐封巾”r=3.0-8.OS
考虑耳汕时间的函数.呱有.R=「丄
Jor
内外压差：
Pa-Fi=Fo-「丄PaC^^dl
Jor
机械阻力一般同彳i<1琏堆成i「.l匕琳=杠+肿”
式中arb—常敷：
V—车翅；ffP—列牟质母■=■
而空气阴力则同行平速厘.：
按方成正比°在隧道中.茫吒阻力问題山为吏出.
相抵现畅试验资料.TJIAKA,N.NISHinKA^{]9&7）il出了行勺：
阴力的F列经轻公式匸
D=[（«+bVW+（c+dI）V2]x9.8
式中疔一列千质ffi（t）:
V—K速（如/h〉；J—列?
F*麻5"P—組力他几
（:
二）隧道条件对空气阻力的影响
1隧垣长仪的燼响
研究表明.空气I阻力馳蟹逍氏度的增加而锻岡增加.但艮增加昭越*越小，皿后眉丁一常数.限窒比"越小.雄于常:
数所需的陡道长度越綁*甞小M时.隧道尺股超过：
弧皿％后.空气阻力己变化不大：
而対于^-0.42的隧道在长陶赧过W丽以后仍仃较大的变化，
2阻塞比用对帘气阻力的畀响
空气訊力師打的席加而单调噌加.廿貝斜率越来越大口当哄vpbOkm/H対例.再尿A1厉壇加到0一20时，空气肌力将増加TI：
璃〒而屮[卅从0勺惱加至血一心时*空气阻力将増?
jii16%,
3列7r在隧逍叩交会的影响
WS=10Ohi,//=0.1/j例*当曲列下千体巫令时・空气組力条數将壇加23%（T长:
帘Um陡道长：
i（KXJm）<,
—般兌來会不阻力貝对确宜机车量大奉引能力时右意义。
4整井的磁响
竖井的存召“可降低疔车阻力.但这种恋响并不很大*以设在陡道中断面积力
缓解”和滞后”两种效应。
洞口会车有时会成为最不利滞后”效应，车内压力来
计算结果表明，车辆的密封对车内压力波动的影响可以归结为值得指出的是，在考虑到列车交会的情况下，就车外压力而言,情况，然而在列车密封的条件下，洞口会车并非最不利情况。
由于不及响应"列车就出洞了。
允许”范围
高速铁路隧道设计应通过正确地选择隧道设计参数，将压力波动控制到内。
评定压力波动程度一般采用的参数有：
1峰对峰”最大值。
即最大压力变化的绝对值;
2压力变化率的最大值。
将这两种指标单独使用均不能合理地同人的生理反应和乘员的舒适度相联系。
例如，对
于变化缓慢的压力过程，即使变化幅度较大，但由于来得及对耳腔压力进行主动（如做吞咽
动作）或被动（外界降压时中耳通道将自动开启）调节，不会造成很大不适。
当然，对于变化急剧的情况，尽管变化率较大，但只要变化幅度不大，也不会有多大问题。
因此，目前较通
用的评估参数是相应于某一指定短时间内的压力变化值，例如3S内最大压力变化值或4S
内最大压力变化值。
所谓3S或4S大致相当于完成耳腔压力调节所需的时间。
行车阻力
由机械阻力和空气阻力两部分组成。
机械阻力一般同行车速度成正比：
WbVaDM）（?
?
?
?
式中a，b—常数；V—车速；W—列车质量。
而空气阻力则同行车速度二次方成正比。
在隧道中，空气阻力问题更为突出。
根据现
场试验资料，T.HARA，N.NISHIOKA等（1967）提出了行车阻力的下列经验公式：
8.9]）（）[（2?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
VdieWbVaD式中W—列车质量（t）;V—车速（km/h）;l—列车长度（m）；D—阻力
（N
）。
1隧道长度的影响
研究表明，空气阻力随隧道长度的增加而单调增加，但其增加率越来越小，最后趋于一
常数。
阻塞比？
？
越小，趋于常数所需的隧道长度越短。
当0.15=?
?
时，隧道长度超过
3km以后，空气阻力已变化不大；而对于0.42?
?
?
?
的隧道在长度超过10km以后仍有较大的变化。
2阻塞比？
？
对空气阻力的影响空气阻力随？
？
的增加而单调增加，并且斜率越来越
大。
当以V=250km/h为例，？
？
从0.15增加到0.20时，空气阻力将增加工13%。
而当?
?
从0.4增加到0.45时，空气阻力将增加16%。
3列车在隧道中交会的影响以S=1OOm2、?
?
=0.1为例，当两列车车体重合时，空气阻力系数将增加23%（车长360m,隧道长3000m）。
一般说来会车阻力只对确定机车最大牵引能力时有意义。
4竖井的影响竖井的存在，可降低行车阻力。
但这种影响并不很大。
以设在隧道中
断面积为5m2的竖井为例，当?
?
=0.42时，空气阻力减小7%，当?
?
=0.15时，空气阻力仅降低1.2%。
微压波是隧道出口微气压波的简称，是高速铁路隧道运营过程中产生的空气动力学问
题之一。
微压波使得列车高速进入隧道时，在另一侧出口产生突然爆炸声响，对隧道出口
附近的环境构成危害。
欧洲国家对此研究较少，而日本由于采用的隧道断面较小，微压波
问题特别突出。
针对这一现象，日本铁道技术研究所等在现场测试、模型实验、理论分析及工程措施等方面进行了全面地研究，并取得了成功的应用。
研究认为，隧道出口的爆炸声响是由列车高速进入隧道产生的压缩波在隧道内传播到达出口时，由出口向外部放射脉冲状压力波而引起的。
微压波的大小与列车进洞速度、隧
道长度、道床类型及隧道入口形式等有关。
降低隧道微压波的工程措施有以下几种：
1采用特殊隧道入口形式（称为洞口缓冲结构）；
2采用道碴道床或具有相同效果的贴附有吸音材料的洞壁；
3连接相邻隧道并在连接部分适当开口，对单一隧道可在埋深浅的地方设窗孔；
4利用斜井、竖井、平行导坑等辅助坑道。
1973年，Hammitt通过对有关列车隧道空气动力学问题的理论研究，提出了微压波问题
的预见。
1975年，在日本新干线冈山以西段的试运营过程中首次观察到。
此后，随着新干
线投入运营和列车速度的提高，在日本的其它地方也相继出现了由微压波产生的洞口气压噪声现象。
①微压波的产生
隧道微压波是列车高速进入隧道产生的压缩波在隧道内以音速传播，当到达隧道的出口
时，向外放射的脉冲状压力波。
其大小与到达出口的压缩波形态密切相关，在靠近低频段与压缩波波前的压力梯度成正比。
②微压波波形
典型的洞口微压波波形见图［1］。
其中U为列车的进洞速度，r为测点到洞口中心的距离。
隧道短时，可能出现多个波峰，而对于长隧道来说，由于压缩波的反射波（即稀疏波，亦称膨胀波）波前较为模糊，使得第一个波峰最为显著。
3
微压波的大小和道床种类及列车进洞速度的关系
图［1］微压波波形（r=20m）当隧道较短（如小于1km）时，道碴道床和板式道床几乎没什么差别，微压波的大小基本上与U3（列车进洞速度）成正比，即Pmax=KU3/r。
其中，
K为隧道出口地形影响系数。
对于长隧道来说，道碴道床隧道的微压波较短隧道要小，基本
上也符合U3关系。
4微压波和隧道长度的关系图［2］为微压波最大值和隧道长度的关系。
比较短的隧道
（小于1km）微压波的大小不受隧道长度的影响。
较长的道碴道床隧道的微压波最大值随隧
道长度的增加减少；相反，板式道床隧道的微压波最大值随隧道长度的增加而增加，到某一
隧道长度时达最大值，其后随隧道长度的增加而减小。
5微压波最大值的距离衰减根据日本南乡山隧道东口的测量结果。
微压波最大值大
体上与到隧道出口中心的距离r成反比。
⑥微压波频谱分析日本对米神、大仓山、南乡山、加登、尾道、备后、新关门等隧道进行了实际量测分析，图［3］为加登隧道东口微压波
的频谱分析结果（隧道长482m，板式道床）。
分析认为，微压波的幅值随频率值的增加而下降，下降梯度大体上与列车速度U成正比。
对于短隧道来说，道碴道床和板式道床的差别不大，微压波的幅值随频率的增加而呈线性减
小。
对于板式道床隧道，U=200km/h时的微压波幅值在0〜13Hz范围图内呈线性减小，并在13Hz处骤减，且隧道越长，其减小的梯度越小。
这一13Hz的频率与微压波主脉冲后产
生的压力变动频率是一致的
图［2］微压波最大值和隧道长度的关系
图［2］微压波最大值和隧道长度的关系
0）41040S«
曰为制皿施
图［扪加野隧道东口微压波频谱分析结果
图［3］加登隧道东口微压波频谱分析结果
（三）隧道洞口缓冲结构的研究
K理论研究
11本的研究人员对微T压波进行了理论分析，并结合经验得出了压缩液、微气
压波的计算公式
洞外点微压液压力与到达隧道出口的压缩波的吴系）FAmttxJirCoat
扎中，珂一寄气标准謝度；q—标准音速*U—列车进洞速度；用一阻塞比；d
-隧道的水力也從：
M—马赫数；。
一辰映出门地形条仲的宇闾立休角：
7—到隧道洞口的距离；t—时间；r—反应压力上升时问的参数；B—隧道半栓；A—隧道的有效而积B
讨于短隧道，可忽视在隧道内传播的爪编波的变形’并可忽昭洞口外微压波的
指囱性。
对于短隧道，可忽视在隧道内传播的压缩波的变形，并可忽略洞口外微压波的指向性。
由上式可知，微压波最大值Pmax与到达隧道出口的压缩波压力对时间微分的最大值成正比。
因此，通过减小到达隧道出口的压缩波波前的压力梯度可以降低隧道出口微压波大小。
实际上，在长5〜10Km的板式道床隧道中，列车以200Km/h速度进洞的情况下，其微压波是很大的，也会产生气压噪声。
但列车速度若降低到某一速度时，其微压波压力将变
小（较同速度下的短隧道微压波略大），气压噪声也很小或没有。
隧道洞口缓冲结构的目的
就是将高速列车进入隧道而产生的压缩波波前的压力梯度在传播的最初阶段就降低下来，以
产生与降低列车进洞速度相同的效果。
日本针对备后隧道（长8900m，板式道床，断面面积60.4m2）进行了一系列较为完善的全封闭缓冲结构不同截面和不同长度的模型试验，研究了各种条件下的微压波降低效果。
①微压波最大值与缓冲结构长度的关系仅就全封闭缓冲结构来说，若长度大于隧道水
力直径，其效果基本上为一定值。
②微压波最大值与缓冲结构断面积的关系
见图［4］，由图可知，缓冲结构的截面积约为隧道的1.55倍时，便可使微压波的第一波
和第二波均呈较小值。
因此，对于没有开口的全封闭缓冲结构，取其截面积为隧道截面积
的1.55倍，长度大于隧道直径即可。
开口部分设在缓冲结构的侧面，为长方形。
对于全长
开口，随着开口面积的增加，微压波第一波减小而第二波增加。
如果对不同开口长度条件
下的微压波最大值进行比较，则当其断面比=1.62时，几乎没什么差别，但当断面比=1.04时，
1/2长开口较全长开口为小，显示出其具有良好的降低微压波效果。
在某一试验条件下，微
压波最大值比在缓冲结构开口率为0时约为0.5，而在开口面积/隧道断面积=0.2且1/2长开
口时为0.3〜0.35左右。
缓冲结构断面积/隧道断面积
緩冲结构断面稅/隧遣断面歆
图口］微压波和缓冲览构断酿积关系
lainJJ【相戎缓沖州构的故果
开椚式缓冲皓购是播删血U砸览断面相同而在其値面沿全长设世「定宽圧的开口〔邯.
M梢式缓冲绅枸的开口率不是描血枳比.而赴指:
JTLI弧谊和缓冲结构周长之比.缓冲鉢构的长度一电时.必然存抚廿□之相应的堆桂开口
轧曲JK波晟大值［匕及堆佳丿FI」率和缓冲給构氏皿的擔聚见图［5］,中的纵竝为最
flJIll率范围-此时的微爪波衆大伉比用门圈表示"山图可以石出.缓冲給构越长.
效果越如战长反L和隧道自廉1比比L/DZH.5右右时，微压薇疑大fjUt釣为1,氛Hi］
当L/U为庭在有时.微压波最大伉出釣为口4・
4、喇叭口型缓冲结构
以上的缚冲站构均楚在丄休磯道萍础上的附加结陶，而喇叭口型的缓冲站构則
是荒茂变主体隧道前入口形式来出攬帰f氐徴用波的大小°
/
0.2〜
直线型和曲线型多少有些差别，但具有共同的趋势。
圆形断面条件下，缓冲结构长度隧道直径=3.33、缓冲结构开口直径/隧道直径=2.5时的微压波最大值为无缓冲结构时的0.3倍。
图［6］为山阳新干线隧道标准洞IJ缓冲結构之一-•谏图为五「I市隧逍东口的缓沖结构.整牛框架.为钢结构…耳上女装孟板，断面积叱为】活乳长11"IR1*介沿纵|-rjrfl^部忡-的侧面设丸窗口.&券近进洞列车鶴窗L」宽><局=4mX1,Km!
7J—侧窗口宽xifij=4mX
2.4m.该洞口缓冲结构便列平进洞时爪缩波波前的小力梯段降为原来的&5倍左右.
相当于列平进洞速磨降低为原速/.IO.®曙左右的救果.
该种缓冲结构形式还用于备后隧道（板式道床，8900m）、第二高山隧道（板式道床，
3207m）、大野隧道（长5389m，板式道床）等隧道。
图［7］、图［8］、图［9］、图［10］、图［11］、为东北、上越新干线使用的几种洞口缓冲结构形式。
大部分采用耐久性良好的混凝土结构
（或钢结构），其断面积比为1.4。
图［7］所示的缓冲结构长15m，侧面开口面积约15m2（大部分为左右各7.5m2）；图［8］所示的缓冲结构长12m，侧面开口的面积约10m2（大部分为左右各5m）。
通过试验量测认为，长15m的缓冲结构开口面积稍稍过大，改为11〜12m2为好。
上述两种缓冲结构的效果与山阳新干线标准洞口形式的效果相同。
图［9］为采用与隧道
同一断面的洞口缓冲结构形式（断面比=1）,长20m，顶部开口，隧道长750m,开口位置任选。
微压波最大值比约为0.45，相当于列车进洞速度降为0.77（-Q451/3）倍的效果。
图［叮隧道标准iB口缓冲构之
图［7］隧道标准洞口缓冲构之一
图［10］为一关隧道北口的洞口缓冲结构概况，隧道长9700m，缓冲结构与隧道的断面比
2
=1.4,缓冲结构长15m，侧面开口面积为15m。
图［11］为长17m的标准洞口缓冲结构形式，图示为第二芹泽隧道的洞口缓冲结构，隧道长775m，断面比1.4。
微压波最大值比约为0.42,
相当于列车进洞速度降为0.75（~0421/3）倍的效果。
隧道洞口缓冲结构并不能解决列车在隧道内高速行走产生的压力变化给乘员带来的不适和压力过大而带来的耳鸣问题。
但却可以通过降低列车进洞后第一阶段压缩波的波前梯度而有效地降低出口微压波的大小，消除洞口的爆炸声响，减少微压波给洞口带来的环境危害。
缓冲结构的应用应将微压波的大小、隧道的具体长度、断面尺寸、道床类型、辅助坑道的设
置、洞口附近房屋等建筑物的性质及其它环境要求、地质地形地貌条件、工程难易程度、造价等进行综合考虑。
在有条件的隧道，还应考虑利用其它降低微压波的措施。
如采用贴有吸
音材料的洞壁等措施。
1964年10月，世界上首条高速铁路日本东海道新干线投入了运营。
三十多年来全世界已有10多个国家修建了高速铁路。
欧洲的一些国家发展较快，正在形成欧洲高速铁路网。
日本也已修建了东海道、山阳、东北及上越等新干线。
高速铁路的修建技术日益成熟。
高
速铁路线上的隧道不同于一般的铁路隧道，当高速列车在隧道中运行时要遇到空气动力学问
题，主要表现为空气动力效应所产生的新特点及现象。
为了降低及缓解空气动力学效应，除
了采用密封车辆及减小车辆横断面积外，必须采取有力的结构工程措施，增大隧道有效净空
面积及在洞口增设缓冲结构；另外还有其它辅助措施，如在复线上双孔单线隧道设置一系列
横通道；以及在隧道内适当位置修建通风竖井、斜井或横洞。
增大隧道有效净空面积其效果显著。
但因增加工程数量，从而提高了造价；在洞口增设缓冲结构、将隧道出入口作成喇叭型、增设混凝土明洞或钢结构的棚洞等，并且在其洞壁上
开设通气孔洞或窗口，既可降低洞内瞬变压力，又可减弱微压波产生洞口附近的爆炸”声。
在复线线路上还要确定是修建成单孔双线隧道，还是修建双孔单线隧道。
下面给出单孔双线
及双孔单线隧道优缺点的比较。
单孔取线及双孔单线隧道的比较表1
单孔双线
双孔单线
设计与施T.
初期运量
大
小（可分期施TJ
荻杂
隧逍工程速度
铺轨、安裝电缆及它
较快
仅掘进快
设备等
较经济
闱岩处理
较少
劳动力
约减少药坯
施工成本
（JH.L联邦铁路局估
计｝
列丰运行与维修
辛气阻力及瞬变甩力
较小（因阻塞比小）
如设仃槪通道可减少列军阴力但效果不如询好’目•压力变化频曙
压力波形式
没总不同
没有不同
ft!
悶列车反向交会
较大
不可能
通风散热应木
较小
维修附件
较好
工作人员的安全
较好（就现幵隧逍而论）
脱轨
发生撞卒
不可能
延悝运行
减少维修（脱轨稀少）
救援
没有不同
没的不同
火灾
如有糙通道较宾全
理论及试验研究表明，影响隧道中压力变化的因素有：
列车的速度、头部及尾部形式、横断面面积、长度；车辆外表型式及粗糙度；隧道的有效净空面积大小及突变、长度及洞壁的粗糙度等。
而在这些影响因素中列车的速度和阻塞比二者是至关重要的。
研究还表明，隧
道中最大压力变化与列车速度的平方成正比，同时也与阻塞比的N次方成正比。
因此列车
速度确定之后，阻塞比就成为关键的因素。
而当列车车型选定以后（列车横断面面积已确定），隧道有效净空面积就又成为决定性因素。
卜一表给出了儿个鬧家高速铁路陡道的一旳参数。
表2
1*1案
法
TGV—A
Til.*
ICE
意
H
的班牙
列车最高
速度（km/h）
300
250
250
新线
300
220
240
300
列车横断
面积（na）
10
10.3
约97
吃.6
12,6
釣10
隧道仃效
净空面积Cm）
71
K2
53.8
76
60.5
63.4
75
阻塞比
0.13
0+15
0.13
0.18
约
0+13
0.21-
622
（）.20
0.21
约（X13
线间距（1B）
4.2
4.7
生0
5.0
4.2
4.3
4.5^-4.7
备注
长隧道洞「设带孔的混凝土明洞
长隧道洞11设缓冲结构
从表中所列阻塞比的数据，可将隧道归纳为两类：
一为阻塞比P<0.15（徳、
法h徳国ICE车辆横断面积为10.3m\法国TGY车辆横断面积*10m\隧道有效挣空
曲枳相对较大，另一类阻塞比0>0-18（口、恿h相对来说隧道有效邯牢血枳芟小，
而在长隧道洞口必筑增设缓冲结构.以减轻隧道的空吒动力效应°意大利圧欧洲卑早修建為速诜略的国家F也牌庞长隧道洞口采用过缓冲结构，但在新线建设中己将隧道仃效挣空面积由瓯Hm'扩大为丁6亿口本是在高速铁路试运行中发现了隧道出丨【的微压波问题+闵而只得采出増设洞口缓冲结构来解决苴危言.山F新干线>2形成了完整的体系，现在仍采用此种措撅
再从近年来齐国发表的高速拱蹄楚设规
划中的技术指杯耒分析，法倒己制定当列1
速度为:
用Okm/h及以上时.隧道右效净字面积西别牙咼速钱路住列年速度
^300km
升级会员 