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高速铁路的隧道特点

高速铁路的隧道的特点

高速铁路的隧道设计是由限界、构造尺寸、使用空间和缓解及消减高速列车进入隧道诱发的空气动力学效应两方面的要求确定的。

研究表明,以上两方面要求中,后者起控制作用。

当列车进入隧道时,原来占据着空

间的空气被排开。

空气的粘性以及气流对隧道壁面和列车表面的摩阻作用使得被排开的空气不能象在隧道外那样及时、顺畅地沿列车两侧和上部流动,列车前方的空气受压缩,随之产

生特定的压力变化过程,引起相应的空气动力学效应并随着行车速度的提高而加剧。

1由于瞬变压力造成乘员舒适度降低,并对车辆产生危害;

2、微压波引起爆破噪声并危及洞口建筑物;

3、行车阻力加大;

4、空气动力学噪声;

5、列车风加剧。

高速铁路进入隧道产生的空气动力学效应是由多种因素所确定的。

行车速度,车头和

车尾形状,列车横断面,列车长度,列车外表面形状和粗糙度,车辆的密封性等。

隧道净

空断面面积,双线单洞还是单线双洞,隧道壁面的粗糙度,洞口及辅助结构物形式,竖井、斜井和横洞,道床类型等。

列车在隧道中的交会等。

列车进入隧道引起的压力变化是两部分的叠加:

1列车移动时从挤压、排开空气到留下真空整个过程引起的压力变化;

2列车车头进入隧道产生的压缩波以及车尾进入隧道产生的膨胀波在隧道两洞口之间来回反射产生的压力变化(Mach波)。

当双线隧道中同时有不同方向列车相向行驶时,叠加所产生的情况则更为复杂。

列车

在隧道中运行时(无相向行驶列车)车上测得的最大压力波动发生在第一个反射波到达列车时。

Mach波以声速传播,对于长隧道,来回反射的周期相应较长。

同时,在反射的过程中能量有所衰减。

而对于短隧道,Mach波反射的周期大为缩短。

同时,在反射过程中能量损失也较少,致使压力波动程度加剧。

试验表明,压力波动绝对值,并不随隧道长度的减小而减小。

因此,对高速铁路中的隧道,有的虽然不长(例如长度在1km左右),其可能引起

的行车时的压力波动仍然不能忽视。

但是,当隧道长度短到使列车首尾不能同时在其中时。

则Math波的叠加不可能发生,压力波动程度当然随之缓解。

当隧道长度为1km时,压力

波动明显加剧,而当隧道长度进一步增大到3km时,压力波动则并无显著加剧,反而有缓

解趋向。

列车交会的双线隧道,最不利情况发生在列车交会在隧道中点时。

研究表明:

对于压力波动,诸因素中隧道横截面积的影响是最大的。

隧道净空断面面积,

或者说,隧道阻塞比是最主要的因素。

根据计算分析,提出压力波动与隧道阻塞比之间有下列关系。

3N3kvP2max?

?

单一列车在隧道中运行时,N=1.3?

?

O.25。

考虑列车交会时,N

=2.16?

?

C06。

式中:

maxP—3秒钟内压力变化的最大值;v—行车速度;?

?

—阻塞比;

面积隧道内轨顶面以上净空列车横截面积=?

?

竖井(斜井、横洞)的存在会缓解压

力波动的程度。

竖井位置对减压效果的影响很大,并不是处于任何位置的竖井都能有较好的

效果。

竖井断面积5〜10m2即可,加大竖井的横断面积,并不能收到好的效果。

根据Mach波叠加情况可以理论地得到竖井的最佳位置:

)1(2MMLX?

?

?

?

式中X—竖井距隧道进

口距离;L—隧道长度;M—Mach数。

双线隧道列车在隧道中交会引起压力波动的叠加,情况十分复杂。

列车交会时,压力波动最大值是单一列车运行情况的2.8倍。

实际上,列车交会时所产生的压力波动同列车长

度、隧道长度、会车位置、车速等多种因素有关。

在车辆密封的情况下,假定车外压力aP

为常数,车内压力随时间的变化可以表为:

(A)列车密封簽件对车内压力诜动的举咱

金车辆帘割的情况K假定车外風力巴为戦车内压力船时闻的变址可以表

式巾r称为11赠料拥釘用于衞量布辆的潯封稗甌

“牛常封车"r=br4S-0.85—Hi収丁二化7s

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内卄fR差:

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而力別同tn:

速应一出方成it比・右儘世巾,空ma力甸權璧为娈出・粗齬理塢试1&賢料,T.HARAt乩MISHIHK止等(1967)藍岀了行午阴力的下列经弱

D■Kd1bVW1(i-Idl)\^|m9.H

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(二〉隧道条件对空气阻丿J的影响

1隧逍保女的聽响

研呃表测*空气胆力融隧道氏戍的噌切向甲汹增加.怛比堀加牢越束越小*Jft肺着J一弟£u田塞比#越小・超丁常救所而的医逍长段越短°当小>.序刖・应道氏废超过3km/质・空气阻力已变化平大】而对于禺赃的陡道在氏度塑过10kn以洁仍侑较大的喪化.

2阻以比pxj沁C阻力的影响

空气限力翩/?

的壇加而单调增加,列冃初屮越来碰大.当以丫-250ktub为例*fi从o,I5fflinfijr\^otf-r.乍气I迥力務増加T,I3«,而卉#从仇沖增加到6佃时.空气阻力将增加116%o

3列忙右隧道1交金的爲响

HS=HKMiil,/?

=D”|两例.Y两列平车怵审命时.空气組力廉数枸增加宝性(弔K;J6thirk;ihK:

HKX>rn)=

一娅说*仝収Hl力J1刖嫡連机菲鹹人牵引隧丿」时fj盘义-

©懂井的影响

牴月旳存在・可障祗厅节阳力.也这丹彫呦井不浪大.臥设在陡道咿斯面积为

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“缓解”和“滞后”两种

效应。

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,洞口会车有时会成

为最不利情况,然而在列车密封的条件下,洞口会车并非最不利情况。

由于“滞后”效应,车内压力来不及“响应”列车就出洞了。

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“允许”范围内。

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?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

VdlcWbVa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

微压波波形(T=20ta)

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例车进洞速度)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

曲吃枚压波竝尢悄和隧道荒度的黄系

图[2]微压波最大值和隧道长度的关系

图[》】加登隧道东口微压波频请分析结果

图[3]加登隧道东口微压波频谱分析结果

〔三)龍道洞口缓冲结构的研究

1*理论研究

H本的研究人閃对世迸圧波进齐丁埋论分折*并給合紆脸得出了压缩波、微气

列年进洞时产生的爪缩彼尼大波前梯皿(-)£wmftX=-p^丄*

由2ui(l-A/XW+

出口微爪波爪力仃刎达隧道出口的11飾液的X系&AZ-—(兽戢样Gb曲

MP-

rrm-MM

洞外点徵并皴爪丿"j到达醴逍出口的压堀波的关岳卩“=菩

'LmML-diCZf

武中;尚一空气标准密厦:

q—标准咅婕,U—列车进洞速段;斤--阻塞比:

6一BB道的术力直矗=M—马赫数;Q-SW出口地宠条件的字闻立惮幷:

¥一到陡道洞」的更飢『一时间:

r-反隔乐力上畀时间的参数;FL-隧道平轻;再一隧道的有歿面积.

剤于粗隧道,可惣视在隧道内传播的尿缩波的变形「并町忽略洞【1外徽张波的指向th

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155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

 

图[4]微压液和缱冲结构断面积关系

刃唁式帆冲络构蹇摘斷面打陡

逍新面相同km沿令怏设賈

-定覓赋的开口(w>,

幵槪式遥冲鉛构的开口率丰堆

折曲积比■血足疳屮辰检和绘神惦

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时*屈燃存在塔与之相应iwjftitnu

中.犠爪浊罐大苗比童竜雀开口率和绩冲給购长度的貨草见罔[叮.罔中的锹找为站

MuMBI*北时的幢爪船如大愷比用白■裘示.山團可劭看出・集冲结料也艮”

姣笊觀U・H怔度L和陡道直ftD±ttl/DXfL5左麻时*徹爪放凰大值Lt約为血,而

片["沟fiV/tirf,皑〔滥毎丸ftImVI4,

4、鷹叽口型堰冲蜡构

厲丄的缱冲蚪构均是在丄$噩爼堆础」的附加络恂・丙喇軌口里的竣冲站构划

绘申汉尝11休陡道的入【I形貨来11植降feW®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。

工4tm谨制口缓冲结构便列半进涧时压绑f波波诚的爪力拂废降为腺淤的0:

5依/右、相巧于岬[诜洞速农谏低为敕連映OX(^0.5,r)侶丘右的册果

该种缓冲结构形式还用于备后隧道(板式道床,890Om)、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卜图[8卜图[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5m2)。

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2Om,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(-0.451/3)倍的效果。

图⑺隧道标准洞口緩冲构之

图[7]隧道标准洞口缓冲构之一

图[Hl除道标冰洞LJ謳冲购之1用凶1圈谄标术河U缀冲构2'

 

圏[IQ]陡i口M•淮洵U纓冲构之国〔M]隆加杯11:

洞口缰种构之

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

=14,缓冲结构长15m,侧面开口面积为15m2。

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042,

相当于列车进洞速度降为0.75(~0.421/3)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。

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。

单仇双线

找计U施工

糾期运虽

隧逍工程速皮

铺轨•蚩装电缆貶艮它

鬧岩处理

苛叨力

;A「咸木

刿布込柑与維修

空代肌力及啣变压力

较水(因阻塞出小}

如设右横迹道可减少列车飢力(11

效杲不如谊好.且压力变化烦繁

压力波形式

没冇不同

没右不間

偵旳列车反向交会

较大

逋风甦热成木

较小

雉修阳IT

较奸

丁忤人M的食全

狡好(就现仃隧道而论〕

不可能

延泯运行

械少纷修{腕轨櫛少)

救援

没仃不同

没仃不同

火灾

如有槿期道校安全

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。

卜表给出了儿个国家庚速恢州隧道的-些参数.

表2

国家

TGV—A

ICE

n

曲班才

列车垠岛

速度(kn/h)

300

250

250

新线

300

220

240

300

列弔横断

面积(B3)

10

10.3

约9.7

12.6

12.6

约10

隧道仃效

净空面枳(『)

71

82

53.X

76

60.5

63.4

75

阻塞比

0.13-

0.15

0.13

0.1«

0.13

0.21-

0.22

0.20-

0.21

约()・13

线间距(m)

4.2

4.7

4.0

5.0

4.2

4.3

4.5—4.7

备注

长琏道洞口设带孔的混凝十明洞

长隧近洞口设缓冲结构

从表巾慚制阻塞i上的数据・“I将KifijJi纳为萌売:

-为阻塞比b

丛)、徳ItilCET辆橫断面枳为10.3m\法国TGV木辆橫斷而枳为10m’隧迫仃效净仝

面枳郴対牧人:

划一曼R1塞比B>0.Lfi(H.j&J.和尉来说隧迪仃效挣字面枳要小,

而在&随迢洞II必须增戏緩冲給构「以减轻隧逍的空气动力效应剧意尢利是欣洲最早修崔高速铁略的国家.也曾在化隧道刪口来用过緩冲结构,出祀新线建设中已将隧道冇效净空面积由疥飞m扩大为恥匙日本是在离速铁路试运抒中发現了隆道出口的微乐破问題,凶而只得采出增设洞II媛冲结构耒解抉比危害.由十新干続已聃咸「丸整的体系.现金仍采用此种拈施.

1耳从近『I来冷U发袞的£速诙辞辻设规

划中的技术捋标来分析*法国已制宦岂列千

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