高速铁路的隧道特点.docx

1、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

2、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。

3、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

4、，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。3 N 3kv P 2 max ?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：max P 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

5、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510m 2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 （ 2 M M L X ? ?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 a P为常数，车内压力随时间的变化可以表为:(A)列车密

6、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 =br 4S-0.85 Hi収丁二化 7s“前一代押钊牢 r-3.0-fl. OS占左巴如时间的雨範，UHli只丄叫卍叭出 Jri r内卄fR差： 片一环- lcir*机械粗力一JUhlfM：捷也谨ii：比：珈=(卄貯疔咒中 t bffiSi； r尬速：w 列*嵐单.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 Kd 1 bVW 1

7、(i- I dl) |m9.H工弋11：I W 刊”麻呈t) t t* 牛:迪 C km/ h) t l 夕L * ：崔 J_t(. (ffi) : 1 怪【丿J m(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p xj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-250ktu b为例* fi 从o, I5fflinfijr

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9、。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

10、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：W bV a D M ） （ ? ?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 ? ? ? ? ? V dl c W bV a 式中 W 列车质量（t） ； V 车速（km/h） ； l 列 车 长 度 （

11、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=1OOm 2、? =0.1为例，当两列车车体重合

12、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5m 2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

13、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，Ham mitt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

14、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。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

15、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 U 3例车进洞速度）成正比，即 Pmax=KU 3 /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U 3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

16、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。 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 013Hz范围图内呈线性减小，并 在13Hz处

17、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 2 ui （l- A/XW + ,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:1 :| :|沖T忖芒打恥fKZLt缚冲络櫛的检腹一宦时*屈燃存在塔与之相应iwjftitn u中.犠爪浊

18、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UH怔度L和陡道直ftDttl/DXfL5左麻时*徹爪放凰大值Lt約为血，而片沟fi V /t irf,皑滥毎丸ft I m VI 4,4、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

19、 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， 8 9 0 Om）、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15m 2 （大 部分为左右各7.5m 2）；图8所示的缓冲结构长12m，侧面开口的面积约 10m 2 （大部分为 左右各5m

20、2 ）。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 1112m 2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2 Om，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 （-0.45 1/3 ）倍的效果。图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

21、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 .42 1/3 )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

22、、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

23、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

24、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

25、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 家法TGVA徳ICEn曲班才列车垠岛速度(kn/h)300250250新线300220240300列弔横断面积(B3)1010.3约9. 712.612.6约10隧道仃效净空面枳()718253. X7660.563. 475阻塞比0. 13-0. 150. 130. 1约0. 130.21-0. 220. 20-0.21约()13线间距(m)4.24.74.05

26、.04. 24.34. 54. 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KifijJ i纳为萌売：-为阻塞比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*法国已制宦岂列千速度为3DS叫5及以丄时，磯道仃效浄牢血枳为iMinl西枇計為邃饿路血列那速度为北血佝比 隧道也采用1站的仃蝕芥空面积* 19丽年3月意大利i.L kJ中*给出了列车逮发为300km/h时* BKB有效挣空面Sft76-80ta