第12章 高速铁路隧道工程

第11章 高速铁路隧道工程－空气动力学问题
11.2.2 瞬变压力
我国高速铁路隧道瞬变压力的建议值
铁路类型 A（平原） B（平原） A（山丘） B（山丘）
隧道长度 （占线路长度的比例） 单线 双线 单线 双线 <10% <10% >25% >25% 而且 而且 或者 或者
隧道密集程度 （座/h） <4 <4 >4 >4
下式求出：
Kv 3 p r
在比较长的隧道中，微气压波最大值与壁面状态有很
大关系。板式道床较大，碎石道床较小。
第11章 高速铁路隧道工程－空气动力学问题
11.2.3 微气压波
我国高速铁路隧道洞口微气压波的控制基准
条件 建筑物无特 洞口有 殊环境要求 建筑物 建筑物有特 殊环境要求 微压波峰值pmax
1980年以后，法国、德国、意大利、西班牙、英国、比
利时、瑞士、俄罗斯等国都先后开始兴建高速铁路，其最高
时速已经达到300～350km/h。
目前，日本、法国正在研究和开发时速500km的超高速铁 路，预计21世纪初开通的日本中央新干线就是一例。
第11章 高速铁路隧道工程－概述
高速铁路的发展，必然伴随大量隧道工程的出现，这主 要是因为高速铁路的线路技术标准（平纵断面）要远远高于 普通铁路。
列车行车速度大于160km/h时考虑。
第11章 高速铁路隧道工程－高速铁路隧道横断面
11.3.1 隧道横断面实例
1、我国高速铁路横断面轮廓图（一）
隧道横断面积（轨面以上）约为100m2
第11章 高速铁路隧道工程－高速铁路隧道横断面
11.3.1 隧道横断面实例
2、我国高速铁路横断面轮廓图（二）
隧道横断面积（轨面以上）约为100m2
2．隧道建筑限界
我国高速铁路隧道建筑限界基本尺寸及轮廓图： 双线隧道建筑限界
高速铁路机车车辆限界 单线隧道建筑限界 高速铁路机 车车辆限界
线 路 中 线
线 路 中 线
隧 道 中 线
轨面
轨面
高速铁路的曲线半径均较大，故位于曲线上的隧道， 原则上不考虑曲线加宽。
图11－4 隧道建筑限界基本尺寸和轮廓(单位：mm)
第11章 高速铁路隧道工程－高速铁路隧道横断面
C.L
11.3.1 隧道横断面实例
F.L
（a) 无仰拱的隧道横断面标准图 6、日本中央新干线隧道横断面图（500km/h）
有仰拱的隧道标准图 隧道高度7.7m，宽度12.6m，堵塞比为0.12。 图11－10 日本中央新干线隧道横断面 (单位：m)
第11章 高速铁路隧道工程－高速铁路隧道横断面
第11章 高速铁路隧道工程－空气动力学问题
11.2.2 瞬变压力
隧道出口 3000 2500 2000 车中运行轨迹 车头运行迹线 车头压力曲线 车尾运行迹线 1500 1300 1100 900 700 500 1000 500 0 0 -500 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100-300 -500 时间(s) 300 100 -100
第11章 高速铁路隧道工程－高速铁路隧道横断面
11.3.1 隧道横断面实例
3、德国高速铁路隧道横断面图
加强导线 接触网导线 工作有效空间 信号
公路标
保护层空间
图11－6 德国第2代新线隧道横断面(单位：m 隧道横断面积（轨面以上）约为82m2 )
第11章 高速铁路隧道工程－高速铁路隧道横断面
11.3.1 隧道横断面实例
第11章 高速铁路隧道工程－高速铁路隧道横断面
3．线路数量
在通常情况下，高速铁路隧道考虑到空气动力学的特性，都 采用单洞双线断面，较少采用双线单线的断面。 长大隧道，考虑维修养护条件及防灾的需求等，有时也采用
双洞单线方案。
单洞双线方案土建工程成本更高。
4．线间距
一般情况下都应大于4.0m。我国高速铁路的线间距， 目前暂定为5.0m。
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，从而对运营产生一系列负面影响
的空气动力学效应。
第11章 高速铁路隧道工程－空气动力学问题
11.3.1 堵塞比
即列车横断面积与隧道横断面积的比值。这里的隧道横 断面积，通常是指轨道面以上的断面积。
一些国家高速铁路隧道的基本参数 国 家 列车最高速度 (km/h) 列车横断面积 (㎡) 隧道横断面积 (㎡) 堵塞比 线间距(m) 法国 270 10 71 0.13~0.15 4.2 德国 250 11-3 82 0.13 4.7 意大利 250 9.7 53.8 0.18 4.0 76 0.13 11-0 300 220 12.6 60.5 日 本 240 12.6 63.8 西班牙 300 10 75 0.13 4.5~4.7
第11章 高速铁路隧道工程－高速铁路隧道横断面
5．预留空间
安全空间：至少高为2.2m，宽为0.80m；
避难和救援空间：在线路两侧设置一个贯通的避难和救援 通道直通到隧道外 ； 建筑维修空间 架设接触网设备空间：指在电气化铁道上需预留架设接触
网等设备的空间。
6．考虑空气动力学影响所需空间
国外已建的大部分高速铁路隧道所占的比例均较大，如
日本山阳线隧道占线路总长的50％。 我国将于近几年兴建的高速铁路包括武广、京沪、郑西、 石太、京津、合宁、合武、温福、福厦、甬温和沪汉蓉大通 道等十余条线路。其中隧道占有相当大的比例。
第11章 高速铁路隧道工程－空气动力学问题
11.2 高速铁路隧道空气动力学问题
第11章 高速铁路隧道工程－减少隧道空气动力效应的对策
11.4.1 扩大隧道横断面（减小阻塞比）
根据国际铁路联盟试验报告：
A2 a1 V2 1.5 ( ) A1 a 2 V1
感觉，当行车速度在200km/h以上时，会有明显不适感觉。
对于地铁区间隧道，当列车速度在80km/h以下时，人体没有
明显感觉，当行车速度在120km/h以上时，会有明显不适感觉。
第11章 高速铁路隧道工程－空气动力学问题
11.2.2 瞬变压力
瞬变压力的描述：
1、“峰对峰”最大值(ΔP)max
2、最大变化率(dP/dt)max 目前通常采用某一指定时间（3s或4s）内压力变化的 “峰对峰”最大值来描述压力瞬变wenku.baidu.com程度。
第11章 高速铁路隧道工程－高速铁路隧道横断面
11.3.2 隧道横断面 1、横断面的内部空间
隧道建筑限界； 线路数量； 线间距； 应预留的空间，如安全空间、避难和救援空间、线路上 部建筑维修空间等；
考虑空气动力学影响所需的空间；
设备安装空间等。
第11章 高速铁路隧道工程－高速铁路隧道横断面
11.2.1 主要空气动力学效应
（1）由于瞬变压力，造成旅客耳膜不适，舒适度降低，并对铁 路员工和车辆产生危害； （2）行车阻力加大，引起对列车动力和能耗的特殊要求；
（3）列车风加剧，影响在隧道中待避的作业人员；
（4）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； （5）列车克服阻力所做的功转化为热量，隧道内温度升高； （6）产生空气动力学噪声问题（与车速的6～8次方成正比）。
1500
车尾压力变化情况
压力变化(Pa)
隧道长度(m)
第11章 高速铁路隧道工程－空气动力学问题
11.2.2 瞬变压力
目前研究表明：
列车在明线上行驶，车头压力约为300Pa，车中压力基本为0，
车尾压力为负值；
在进入隧道洞口过程中，车头压力急剧上升，车尾压力则出
现下降；
对于铁路隧道，当列车速度在160km/h以下时，人体没有明显
第11章
高速铁路隧道工程
本章基本要求： 1、了解高速铁路隧道的发展历史。 2、了解高速铁路隧道存在的主要空气动力学问 题及其影响因素。 3、掌握高速铁路隧道断面设计的一些基本要求。 4、掌握高速铁路隧道减小空气动力学效应的常 规措施。
第11章 高速铁路隧道工程－概述
11.1 概述 轮轨铁路：常用 高速铁路主要形式 磁悬浮：德国，我国上海 管道磁浮：处于研究阶段
第11章 高速铁路隧道工程－空气动力学问题
11.2.2 瞬变压力
瞬变压力：列车从开敞的线路刚进入隧道时，列车周围 的空气压力由于突然受到隧道有限空间的约束而在短时间内 产生巨大变化称为瞬变压力。 当瞬变压力由列车外部压力传播到列车内部，再传到人 体内时，会使旅客产生生理上的不适——即耳膜压感不适， 从而大大降低乘客的舒适度。瞬变压力在一定值范围内，人 体不会有明显感觉，超过一定值时，会明显不适。
1500
车头压力变化情况
压力变化(Pa)
隧道长度(m)
第11章 高速铁路隧道工程－空气动力学问题
11.2.2 瞬变压力
隧道出口 3000 2500 2000 车中运行轨迹 车头运行迹线 车尾压力曲线 车尾运行迹线 500 300 100 -100 -300 -500 1000 500 0 0 -500 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 时间(s) -700 -900 -1100 -1300 95 100 -1500
0.21~0.22 0.20~0.21 4.2 4.3
我国高速铁路隧道堵塞比暂定为0.10～0.12。
第11章 高速铁路隧道工程－高速铁路隧道横断面
11.3.2 隧道横断面
高速铁路隧道横断面设计除了通常要考虑的隧道建 筑限界和列车运营安全要求（如检查道、避难路及通风、 照明、通讯等设施的空间需求）外，还必须考虑满足列 车—隧道空气动力学的要求。
4、意大利高速铁路隧道横断面图
隧道横断面积（轨面以上）约为76m2 图11－7 意大利300km/h速度的隧道横断面(单位:m)
第11章 高速铁路隧道工程－高速铁路隧道横断面
11.3.1 隧道横断面实例
5、奥地利高速铁路隧道横断面图
FD5.30
隧道横断面积（轨面以上）约为66m2 图11－8 奥地利新建高速铁路隧道横断面(单位：m)
11.3.1 隧道横断面实例
7、西班牙高速铁路隧道横断面图
图11－11 西班牙高速铁路隧道横断面(单位：m 隧道横断面积（轨面以上）约为100m2 ) (v=300km/h)
第11章 高速铁路隧道工程－高速铁路隧道横断面
11.4 减少隧道空气动力效应的工程对策
隧道空气动力效应的影响因素 列车的速度 列车的横断面积 列车的长度 列车头部的形状 列车外表的形状和粗糙度 隧道的横断面积 隧道长度 隧道壁的粗糙度 隧道横断面的突变性 交会两列车进入隧道口的时间差
11.3 高速铁路隧道的横断面
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。其横断面面积除了通常要考虑的隧道建筑限界 和列车运营要求外，还必须考虑满足列车—隧道空气动
力学的要求。
根据我国高速铁路隧道的暂行规定，要满足最大瞬
变压力控制标准值3.0kPa/3s的要求。
第11章 高速铁路隧道工程－高速铁路隧道横断面
日本
建筑物处 pmax<20Pa
DB
京沪暂规
建筑物处 pmax<20Pa
按要求
洞口无建筑物 距洞口20m （或住宅距洞口大于 处pmax<50Pa 50m）
建筑物无特 殊环境要求 建筑物有特 距洞口20m 殊环境要求 处pmax<50Pa 建筑物无特 殊环境要求 不设
按要求
第11章 高速铁路隧道工程－高速铁路隧道横断面
高速铁路具有新颖、快速、经济、舒适的旅行环境， 优质的运输服务等特点，从而提高了铁路与其它运输方式 竞争的能力，成为世界铁路旅客运输发展的共同趋势，也
是铁路技术现代化的标志。
第11章 高速铁路隧道工程－概述
高速铁路的发展历史
1964年日本铁路新干线的运营（最高时速200km/h），标 志着铁路高速技术进入实用化阶段。
瞬变压力 （kPa/3s） 2.0 3.0 0.8 1.25
第11章 高速铁路隧道工程－空气动力学问题
11.2.3 微气压波
微气压波：是列车突入隧道时形成的压缩波，在隧道内 传播到达出口时向外放射脉冲状的压力波。
第11章 高速铁路隧道工程－空气动力学问题
11.2.3 微气压波
在短隧道中，微气压波最大值与速度的3次方成正比， 与出口距离成反比。考虑隧道洞口地形的影响，可近似用