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。

3 N 3 kv P 2 max ??单一列车在隧道中运行时，N =1 .3 ?? 0.25。

考虑列车交会时，N =2.16 ?? 0.06。

式中：max P —3秒钟内压力变化的最大值；v —行车速度；？？一阻塞比；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〜IOm 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：£六)列车密封条件对车肉压力彼动的誓响在旳辆借对的怙况下.假定年外乐力巴为常独，年内用力曲时间的哽化可以表Pi = p 川』U式申r 称为乂密封指数”用于衡量叩辆的曹封和惟・亠不犠封帝，‘ r=0. ■IS -fl. 8S -般lf<r=n. 7S“新一代搐封巾” r =3.0-8. OS考虑耳汕时间的函数.呱有.R=「丄Jo r内外压差：P a -Fi = F o -「丄PaC^^dlJo r 机械阻力一般同彳i <1琏堆成i 「.l 匕琳=杠+肿”式中 a rb —常敷：V —车翅；ff P —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)V 2 ] x 9.8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A 1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?JII 16%,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。

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; 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，车内压力来允许”范围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： 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 die W bV a D 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。

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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。