06高速铁路的隧道.docx

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06高速铁路的隧道

6高速铁路的隧道

6.1概述

伴随着高速铁路的发展，必然出现大量的隧道工程，这主要是与线路的标准有关，如高速铁路最小曲线半径在多数情况下都大于4000m等。

日本是个多山的国家，新干线隧道比例较大。

山阳新干线隧道延长占线路总长度的50%，北陆新干线更达63%，日本营业新干线中隧道总长度达635km（不包括秋田、山形小型新干线），约占新干线线路总长33%。

世界上最长的海底隧道——青函隧道（图6-1）位于本州到北海道的津轻海峡，全长53.6km，跨越海峡全长23.3km，隧道最深处离海平面240m，离海底面100m。

青函隧道于1988年建成，使青森—函馆所需时间从以前渡船运输3h50min缩短到2h。

青函隧道是按新干线规格设计的，铺设三轨，为北海道新干线预留了运行条件。

将来北海道新干线建成后将利用青函隧道通过津轻海峡，东京—函馆只需3h50min即可到达。

日本正在建设中的新干线大部分位于山区，因此更多地采用隧道结构。

如九州新干线新八代—西鹿儿岛区段，全长127.6km，隧道全长达88km，占69%。

东北新干线盛冈—八户区段，全长96.6km，隧道全长达69.2km，占73%，其间的岩手一户隧道（图6-2），全长25.8km，2002年8月开通运营，是目前世界上最长的陆地隧道。

东北新干线八户—新青森区段81.8km，隧道全长达49.9km，占61%。

其中的八甲田隧道，全长26.455km，建成后将超过岩手一户隧道的长度。

图6-1日本青函隧道图6-2日本岩手一户隧道

再如，德国于20世纪80年代初期动工修建的，从汉诺威至维尔茨堡高速铁路，长327km，隧道总长118km，占线路总长的37%，包括长达10.747km的兰德吕肯隧道。

另一条从曼海姆到斯图加特线路总长100km，隧道约占30%（30km）。

2002年开通的运行速度为300km/h的科隆—法兰克福高速铁路，隧道占线路总长21.3%。

我国台湾正在修建的台北到高雄的高速铁路，全长333km，共有总延长39km的50座隧道，最长的隧道约8.4km，隧道比重为11.7%。

高速铁路隧道的勘测、设计、施工与维修养护管理与一般铁路隧道有许多共同点，对高速铁路隧道设计参数的特殊要求主要是由于高速列车进入隧道诱发的空气动力学效应，本章将主要介绍空气动力学对隧道设计的影响。

6.2高速铁路的隧道-列车空气动力学效应

6.2.1空气动力学效应

当列车进入隧道时，原来占据着空间的空气被排开。

空气的粘性以及隧道壁面和列车表面的摩阻作用使得被排开的空气不能像隧道外那样及时、顺畅地沿列车两侧和上部形成绕流。

于是，列车前方的空气受压缩，列车后方则形成一定的负压。

这就产生一个压力波动过程，这种压力波动又以声速传播至隧道口，形成反射波——Mach波，回传，叠加，诱发对运营产生一系列负面影响的空气动力学效应。

主要是：

由于瞬变压力，造成旅客不适，并对铁路员工和车辆产生危害；高速列车进入隧道时，会在隧道出口产生微压波，引起爆破噪声并危及洞口建筑物；行车阻力加大，引起对列车动力和能耗的特殊要求；列车风加剧，影响在隧道中待避的作业人员；其它，如隧道内热量的积聚，空气动力学噪声等。

高速铁路进入隧道的空气动力学效应受多种因素影响，包括：

1．机车车辆方面。

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。

2．隧道方面。

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。

3．其它方面。

列车在隧道中的交会等。

6.2.2列车进入隧道引起的瞬变压力

高速列车进入隧道引起的压力变化由两部分叠加，一是列车移动时从挤压、排开空气到留下真空整个过程引起的压力变化；二是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。

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。

1．瞬变压力的阈值和舒适性准则

高速列车运行时的舒适度与高速列车通过隧道时产生的压力波动有关，这也是高速列车通过隧道时产生的主要效应。

当这种压力波动，特别是在极短时间内的压力突变（称为瞬变压力）传到人体时，会产生生理上的不适——即耳膜压感不适，从而大大降低乘车的舒适度。

然而人们对这种瞬变压力的舒适感是有值域区分的，超过一定值时，会明显不适。

因此，控制压力波动的阀值是以乘客乘车舒适度为基准的。

评定压力波动程度一般采用的参数有：

①“峰对峰”最大值△Pmax，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，即便变化幅度较大，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大致相当于人完成耳腔压力调节所需的时间。

日本新干线提出了很“严厉”的阈值：

△Pmax=1kPa，

=0.3kPa/s，相应地，车辆采用了特殊密封装置和自动控制的通风和压力调节系统。

近年来，国外的一些高速铁路对瞬变压力的阈值的要求倾向于严格。

例如，德国联邦铁路《铁路隧道的设计、施工和养护》标准DS853（1993）规定在高速铁路隧道设计时要考虑的舒适度准则是：

在很少通过的隧道为1.25kPa/3s，在经常通过的隧道为0.80kPa/3s。

我国拟建的京沪高速铁路从经济、技术的合理性出发，采用了较为宽容的舒适性准则3.0kPa/3s（英国BritishRailwayBoard，1976年标准），以降低对车辆密封性的要求。

同时，根据国外高速铁路隧道设计参数的发展趋势，采用了相对比较富裕的净空断面，预留了远期通过车辆密封进一步提高乘车舒适度的余地。

对于高速铁路的一般情况，则应根据隧道分布密度，最不利瞬变压力显现的概率和具体的运输环境来确定舒适度标准。

英国BritishRailwayBoard（R.G.Gawthorpe）根据铁路运营种类提出了相应的舒适度准则，如表6-1所示。

表6-1英国BritishRailwayBoard（R.G.Gawthorpe）提出的舒适度准则

铁路运营类型

隧道长度

（占线路比例）

瞬变压力（kPa/4s）

车辆

不舒适度

极端场合

正常场合

A常规型

＜10%

4.0

2.5

不密封

4.5

B常规型

＞25%

3.0

2.0

不密封

3.5

C高舒适型

＞25%

1.25

0.8

密封

2.5

D地铁及城市轨道交通

＞50%

1.0

0.7

不密封

2.0

注：

表中“密封”车辆的密封指数τ=3.0～8.0s；不舒适度是按7级给出的。

2．车辆密封性

从人员乘车的舒适度出发，旅客关心的是车内压力的瞬变情况。

车辆的密封使车内外压力波动情况产生差异。

可以认为，当车外压力Pa不变时，车内压力随时间的变化可以用指数规律来描述：

（6-1）

其中，具有时间量纲的参数τ用以描述车辆的密封程度，称为“密封指数”。

按上述定义，可从文献中得出关于密封指数的参考值：

“不密封”的标准车辆，τ=0.7s；密封“好”的标准车辆，τ=5.0s，密封空调车，τ=7.0s以上。

考虑车外压力为时间的函数，则有

（6-2）

3．压力瞬变程度主要影响因素

（1）隧道断面阻塞比β

对于压力波动，诸因素中隧道断面阻塞比β（列车横截面积与隧道内轨顶面以上净空面积之比）是最重要因素。

（2）车速

压力瞬变现象是随着车速的提高而加剧的，ORE的研究报告曾提出压力波动同列车速度平方成正比的经验公式：

（6-3）

式中k——实测数据反分析系数；

N——系数，其中单一列车在隧道内运行时N=1.3±0.25，考虑列车交会时N=2.16±0.06；

——3s内压力变化的最大值；

v——行车速度；

β——阻塞比。

（3）隧道长度

研究表明，隧道长度对压力瞬变特征有明显的影响。

值得指出的是，压力波动的程度并不随隧道长度的减小而缓解。

对于长隧道，以声速传播的Mach波来回反射的周期较长，同时，在反射过程中能量有所衰减。

当隧道长度增大到一定值时，压力波动反而有缓解的趋势。

而对于短隧道，Mach波反射的周期较短，在反射中能量损失也较少，致使压力波动程度加剧。

根据法国高速铁路资料，当列车长度为360m时，考虑在隧道中点会车时瞬变压力最不利情况下，隧道最不利长度如下：

速度300km/h时为299m，485m，1254m；速度350km/h时为257m、415m、1075m。

（4）车辆密封性

计算结果表明，车辆对压力波动的影响可以归结为车内压力波动相应于车外压力的“缓解”和“滞后”。

德国在Einmalberg隧道实测的结果证实了这一点（图6-3）

图6-3德国Einmalberg隧道的实测结果

（5）辅助坑道的影响

辅助坑道可以减缓隧道内的空气动力学效应，其效果与坑道的个数、断面面积有关。

有关研究表明，当坑道的断面面积为隧道断面面积的1/2时，可使最大压力波动减少40%左右。

根据有关研究报告，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。

根据Mach波叠加情况，可在理论上得到竖井的最佳位置：

（6-4）

式中X——竖井距隧道进口的距离；

L——隧道长度；

M——Mach数，即M=v/C（v为车速，C为声速）。

从减压效果方面，竖井断面积5～10m2较合适，竖井断面面积过大，减压效果并不会显著提高。

从技术经济综合考虑，辅助坑道应以满足施工需要为主，在满足施工的前提下，施工辅助坑道的位置应尽量靠近最佳位置。

（6）列车交会的影响

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。

根据ORE的研究报告，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。

6.2.3列车进入隧道引起的微压波

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另一个空气动力学问题。

微压波是列车进入隧道时产生的压缩波在另一端释放时产生爆破声，影响周围环境，严重的可使建筑物的玻璃破碎，对环境造成声音污染，其发生的实际状态如图6-4所示。

图6-4隧道微气压波的产生过程

1973年，Hammitt通过对有关隧道空气动力学问题的理论研究，提出微压波问题的预见。

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。

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，为了全面地研究此现象，日本从现场测试、模型实验及数值模拟等多方面进行了大量的研究，取得了重要的成果。

研究表明，微压波的影响因素主要有列车进入隧道的速度、列车头部形状、列车头部的长细比、隧道的阻塞比、隧道长度、隧道内部条件（如轨道结构，有无竖井、斜井和横通道等）和隧道出口的地形等。

其中，列车进入隧道的速度、隧道的阻塞比是最为重要的两个影响因素。

日本从新干线运营以来，为研究隧道的微压波的问题，曾在数座隧道中进行了微压波的测试，分别测试了微压波的波形、隧道内的压力波形、微压波的最大值等。

微压波的波形是一个中央具有峰值的、呈山形的压力脉冲。

图6-5是日本大仓隧道测试实例。

图中的v是列车的入洞速度，测点距离是指距隧道出口的距离。

由图可知，列车入洞速度越大，压力最大值也在增加，压力脉冲的时间间隔变小。

比较山阳（碎石道床）和东海道（板式道床）新干线的微压波可以看出：

东海道的微压波是单一的脉冲波，而山阳的微压波有一个约12Hz的后波。

东海道微压波的时间幅较大，山阳的微压波的时间幅较小。

图6-5大仓隧道微压波测试实例（测点距离：

18m）

根据日本测试资料，把微压波最大值换算为列车入洞速度200km/h的值和距出口距离的衰减的情况示于图6-6。

由图可知，微压波最大值与距出口距离r成反比。

图6-6微压波最大值的距离衰减图

图6-7对列车运行速度为180km/h和200km/h两种情况下，轨道结构分别为板式道床和碎石道床时，隧道出口微压波峰值（在距离隧道出口20m处的实测值）与隧道的长度的关系进行了描述。

从图中可以看到，从隧道长度的影响来说，当采用板式道床时，长度在1.5km以下和13km以上的隧道出口受到微压波的影响较小。

当采用碎石道床时，当长度在1km以下时，隧道长度对微压波的影响不明显，当隧道长度超出这一值时，由于碎石道床的吸音效果，其出口微压波的峰值将会随着隧道长度的增长而单调减小，从而可能比短隧道中的微压波峰值还要小得多。

因而，当隧道比较长时（5～13km），采用碎石道床将能很有效地降低隧道出口的微压波效果。

图6-7微压波最大值和隧道长度的关系

从测试结果看，在短隧道中微压波最大值与列车入洞速度v的3次方成比例，与r成反比。

考虑隧道洞口地形的影响，可近似用下式求出微压波最大值：

（6-5）

式中，K是考虑地形影响的系数。

根据东海道的短隧道的测试结果：

v=210km/h，r=20m时，P=40Pa，可得下式：

（6-6）

式中P——微压波最大值（10Pa）；

r——微压波距隧道出口中心的距离（m）；

v——列车入洞速度（km/h）。

由此可知，列车速度为200km/h时，距隧道出口20m处的微压波最大值约为35Pa。

在比较长的隧道中，微压波最大值与壁面状态有很大关系。

例如，板式道床的大野（5.4km）、备后（8.9km）两隧道的微压波最大值，在列车速度为200km/h，测点距离为20m时，是100Pa～150Pa。

而同样条件的南乡山隧道（5.2km），因是碎石道床，微压波最大值仅是10Pa，比短隧道的35Pa还小。

6.2.4列车进入隧道引起的行车阻力

当车速超过200km/h时，空气阻力成为行车总阻力的主要组分。

在隧道中，这种阻力又将比在明线运行时有明显的增加，这是在线路设计时要考虑的。

隧道内空气阻力的大小同车速、车头形状、隧道长度和断面大小有关。

此外，由于气流的非恒定性，列车在隧道中运行的过程中，空气阻力并不是常数。

计算表明，空气阻力随隧道长度的增加而单调地增加，但增长率越来越小。

例如，当阻塞比β=0.1时，隧道长度超过3000m后，空气阻力趋于常数。

解决行车阻力问题主要是加大隧道断面面积，根据铁道科学研究院的研究报告，在隧道净空面积为100m2时，最大行车阻力只比明线增大15%～30%，会车时的空气阻力比明线的增大值也不超过30%。

6.3高速铁路的隧道横断面

6.3.1高速铁路隧道基本参数与实态

高速铁路隧道的设计特点主要体现在隧道横断面的设计上。

隧道的横断面面积通常是根据隧道建筑限界和列车运营的要求决定的，但在高速铁路的条件下，还必须考虑满足列车—隧道空气动力学的要求。

从世界高速铁路修建史看，为了消减空气动力学效应所采用的措施大致可分为两类。

1．“小断面”方式

以日本早期修建的新干线为代表，为了节省投资，采用了相对较小的内净空面积。

相应地，阻塞比用得较大。

主要通过提高车辆的密封程度和修建洞口缓冲结构来消减瞬变压力和洞口微压波。

例如，东海道新干线隧道净空面积为60.5m2，阻塞比为0.22；山阳新干线隧道净空面积为63.4m2，阻塞比为0.20～0.21（图6-8）。

在车辆密封系统上则大下功夫，要求不仅有很好的密封程度，而且能提供新鲜空气。

高密封性能的车辆的制造和维护不但技术上有难度，而且会加大费用，缓冲结构的修建当然也会增加造价。

因此，在日本仍然有人提出“还是把截面加大些好”的议论。

尽管日本采用洞口增设缓冲结构及密封车辆措施来降低空气动力效应，但当列车速度为300km/h时，也产生了扩大隧道有效净空面积为85m2的设想。

图6-8日本东海道新干线及山阳新干线隧道断面图（单位：

m）

2．“大断面”方式

以德国为代表，主要通过放大截面来解决问题。

被称为“第一代高速铁路”的曼海姆-斯图加特（隧道占线路30%）和汉诺威-维尔茨堡（隧道占线路37%）行车速度为250km/h，采用隧道净空面积82m2（曲线地段94m2），阻塞比0.13，其直线区段及曲线区段的隧道断面见图6-9，出于安全考虑，最近的新规范又将跨度从11.9m改为12.9m。

对于运行速度300km/h的“第二代高速铁路”则采用隧道净空面积100m2，尽可能使有效净空面积加大，有利于克服空气动力学效应，增加旅客舒适度，其隧道断面图见图6-10。

图6-9德国第一代高速铁路直线区段及曲线区段的隧道断面图（单位：

m）

图6-10德国第二代高速铁路隧道断面图（单位：

m）

由于增加隧道横断面面积对空气动力学效应有整体减缓作用，“大断面”方式已成为国外高速铁路隧道设计的一种倾向性做法。

例如：

韩国汉城-釜山高速铁路隧道总长136.6km，占线路长的38%，初定隧道净空面积100m2，最后改为107m2；我国台湾从台北到高雄的线路上隧道净空面积采用90m2；意大利第二期高速铁路上的隧道断面是2个不同圆心和半径的圆弧组成的，一个弧的半径是5.75m，另一个弧的半径是7.7m，由于运行速度提高到300km/h，隧道的内断面有效面积约95m2（图6-11）；西班牙高速铁路在列车速度为300km/h时采用100m2（图6-12）。

图6-11意大利第二期高速铁路的隧道断面图（单位：

m）

图6-12西班牙高速铁路的隧道断面图（单位：

m）

法国已制定当列车速度为300km/h及以上时，隧道有效净空面积为100m2，图6-13为北方线上的隧道断面图。

法国现行的运营列车速度为270km/h的高速铁路上，双线隧道阻塞比β=0.13～0.15，隧道有效净空面积为71m2，列车横断面面积为10m2，车辆限界同UIC限界。

图6-13法国北方线上的隧道断面图（单位：

m）

表6-2列出了一些国家高速铁路隧道采用的基本参数。

表6-2一些国家高速铁路隧道采用的基本参数

我国《京沪高速铁路设计暂行规定》中规定“单洞双线隧道断面有效面积不宜小于100m2；单线隧道断面有效面积不宜小于70m2。

限速地段当检算行车速度小于或等于200km/h时，可采用较小的隧道断面有效面积，但双线隧道断面有效面积不应小于80m2；单线隧道断面有效面积不应小于50m2”。

6.3.2隧道横断面的构成

隧道断面不仅要满足空气动力学特性的要求，还要满足在隧道列车高速运行安全的要求，以及救援通道、工程技术作业及通风、照明、通讯等设施的空间要求。

一般来讲，隧道的横断面由下列空间构成：

1．隧道建筑界限；

2．线路轨道横断面；

3．线间距；

4．隧道内的使用空间，如安全空间，救援通道、工程技术作业空间等；

5．考虑空气动力学影响所需的空间；

6．设备安装空间等。

我国《京沪高速铁路设计暂行规定》中关于隧道内使用空间的规定如下。

1．安全空间（图6-14）

隧道内安全空间应在距线路中心线3.0m以外，一般单线隧道在电缆槽一侧，多线隧道设于两侧。

安全区间的尺寸高度不应小于2.2m，宽度不小于0.8m。

安全空间地面应在轨面规定高度上，必须平整，只容许有3‰的横向坡度。

安全空间的地面与接触网设备的带电部分的距离不小于3.95m。

图6-14隧道的安全空间（单位：

m）

2．救援通道（图6-15）

在所有隧道内，必须为每条线路设置直通到隧道外的救援道路，用于自救或外部救援。

救援隧道应设置在安全空间的一侧，并距线路中心线不应小于2.3m。

救援通道走行面应不低于轨面高程。

救援通道宽度不应小于1.5m，在装设救援设施处，宽度可减少0.25m；净高不应小于2.2m。

图6-15隧道的救援通道（单位：

m）

3．工程技术作业空间

工程技术作业空间用来预留设备安装或加强衬砌以及安装降噪声护墙板。

工程技术作业空间在安全空间和救援通道之外，其宽度应为0.30m。

不得用工程技术作业空间来满足隧道建设的施工误差。

6.3.3单洞双线和双洞单线断面的比选

在通常情况下，高速铁路隧道考虑空气动力学的特性，都采用单洞双线断面，较少采用双洞单线断面。

但在某些情况下，如隧道很长，同时考虑维修养护条件及防灾的需求时，有时也采用双线单洞断面。

一般说，在满足空气动力学要求的前提下，双线断面要比单线断面更有利。

两个单线隧道断面积总和要比一个双线隧道断面积大。

法国的比较结果是：

在列车速度为300km/h的情况下，两座单线隧道的总面积是140m2，一座双线隧道的断面积是100m2；在列车速度为250km/h的情况下，相应的断面积分别是l00m2和72m2。

断面积差异造成工程成本的差异，因此在目前的情况下，高速铁路隧道以采用双线断面为宜。

6.4降低微压波的技术措施

为降低微压波的影响，在列车进洞速度超过160km/h时，都要采用相应措施。

一种措施是扩大隧道横断面到一定程度，如我国台湾、韩国等，分别采用90m2和107m2的隧道横断面积，另一种方法是不增大隧道断面积，而在隧道入口设置相应的缓冲段。

例如，日本因新干线隧道的断面积只有64m2，因此当列车速度提高后，就不得不采取在入口段设置不同类型的缓冲段的措施。

入口缓冲段的结构形式主要有：

断面积不变，具有一定长度的缓冲段；断面积扩大，具有一定长度及侧面开口的缓冲段等，主要视洞口地形、洞内设施安装条件等而定。

例如，日本在山阳、上越、东北等新干线上采用的入口缓冲段主要是断面积不变、侧面开口、混凝土结构的缓冲段，缓冲段的长度视隧道长度而变化，在11～16m之间。

日本备后隧道的两洞口设置的入口缓冲段概貌如图6-16所示，东口的缓冲段是上部长，为18m；横断面积是一定的，为10lm2（隧道断面积的1.57倍，隧道断面积是64.3m2）。

西口的缓冲段也是上部长，为13.87m，横断面积（入口宽）是114m2，是隧道断面积的1.77倍；沿线路方向断面积是变化的。

因备后隧道两洞口缓冲段效果很好，故日本在山阳新干线的其他隧道中也都采用了入口缓冲段。

因隧道数量多，有必要将其标准化。

现在该线采用的缓冲段都是用钢骨作骨架，侧面铺上薄钢板的构造。

而当时正在建设的东北、上越新干线缓冲段因无任何限制几乎都采用耐久性好的混凝土结构。

根据缓冲段的气密性和施工便利的要求，采用沿线路方向断面不变的形状作为标准形式。

图6-16日本备后隧道缓冲段结构图（单位：

mm）

日本山阳新干线大野隧道，长5.4km，其西口的微压波比较大，也发生了空气压声。

洞门是斜的，因此缓冲段的形式也有所不同，其缓冲段结构如图6-17所示，在此缓冲段上，短边的开口面积是8.2m2。

意大利初期的隧道断面积只有53.8m2，断面偏小。

为了降低微压波的影响，在一座隧道中设置了洞口缓冲段，如图6-18所示。

德国采用的隧道横断面积虽然较大，但在行车速度300km/h的科隆-法兰克福高速铁路线上，仍采用了洞口设置扩散段的措施以消减洞口微压波（图6-19）。

从国外高速铁路的工程实例看，洞口缓冲段主要有以下几种形式：

（1）无侧面开口或开槽的扩大断面型。

试验表明，全封闭、不开口的洞口缓冲结构若其长度大于隧道直径，其效果基本为定值，不会因长度的增加而明显改善。

图6-17日本大野隧道洞口缓冲段结构图（