谈高速铁路隧道洞门设计

谈高速铁路隧道洞门设计
图１传统捎墙式洞门
Ｆｉｇ．１ｒｅｔａｉｎｉｎｇｗａｌｌｐｏｒｔａｌ２．２工程实例
图２正切式洞门
Ｆｉｇ．２ｒｅｇｕｌａｒ－ｃｕｔｔｉｎｇｐｏｒｔａｌ
Ｑ
图３帽檐切削式洞门
Ｆｉｇ．３ｒｃｇｕｌａⅢｔｔｉｎｇｐｏｒｔａｌｗｉｔｈ
ｔｈｅｂｒｉｍｏｆｈａｔａｄｄｅｄ
由于驾乘特点的差别，从景观意义上讲，铁路对景观的要求比公路低，我们主张铁路隧道洞口的设计应本着简洁大方，美观实用，保护洞口环境，体现自然美的原则，以不刷坡或少刷坡施作的洞身延出１２１部切削式洞门为主要建筑形式。

新型切削式隧道洞门能不用支挡的尽量不用支挡，洞口段全部采用天然植被或人工恢复植被（图４）。

然而有些地段由于稳定性的要求，需要护坡，则可以采取局部支挡措施，局部支挡的形式可以是下半部分混凝土支护，上半部分恢复植被（图５），还可以采用格栅或网格护坡，然后在网格中恢复植被，待到植被茂盛时，格栅或网格就被植被遮盖，达到比较好的效果（图６）。

如果局部支挡还达不到稳定要求，则需全部支挡，不过也没必要完全封闭洞口段仰坡，可以采取阶梯形支护，每一个阶梯侧面支挡，顶面恢复植被，支护植被交替出现，融为一体，待到植被茂盛时，上面的植被垂挂下来，支护就不会很明显，具有若隐若现之效（图７）。

图８所示公路隧道切削式洞门完全与周围环境融为一体，达到一种“有洞无门”的效果，值得铁路隧道借鉴。

针对具体地质地貌，在暗挖进洞成本耗费比较高的情况下，都是先开挖洞口段少部分，施工明洞，再回填土形成的。

这回填土也是有文章可作的，比较自然的回填可以使人感觉不到开挖过的痕迹（图９）。

图４不采取支挡的完全绿化洞口Ｆｉｇ，４ｅｎｔｉｒｅｌｙｇｒｅｅｎｉｎｇｗｉｔｈ
ｇｕａｒｄｂｏａｒｄ
图７阶梯形护坡的绿化洞口
Ｆｉｇ．７ｇｒｅｅｎｉｎｇｗｉｔｈｓｔｅｐｐｅｄ
ｓｌｏｐｅｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ
图５局部支挡的绿化漏口
Ｆｉｇ．５ｐａｒｔｉａｌｌｙｇｒｅｅｎｉｎｇｗｉｔｈ
ｌｏｃａｌｇｕａｒｄｅｄ
图８有洞无门的天然洞室效果
Ｆｉｇ．８ｐｏｒｔａｌｓａｐｐｅａｒｎａｔｕｒａｌ
图６局部支挡（网格）的绿化洞口
Ｆｉｇ．６ｐａｒｔｉａｌｌｙｇｒｅｅｎｉｎｇｗｉｔｈ
ｇｕａｒｄｇｒｉｄ
图９比较自然的回填地貌
Ｆｉｇ．９ｎａｔｕｒａｌｂａｃｋｆｉｌｌｉｎｇ
ｔ６４３鞠
◎２００６中国高速铁路隧道国际技术交流会论文集
随着经济的发展和社会的进步，开挖路堑已经越来越少被采用，取而代之的是修建明洞再回填恢复植被，往日的一连串路堑被今日的隧洞群取代，这也是环保日益受到重视的今后的一种发展趋势（图１０）。

尽管铁路对景观的要求比公路低，不过在靠近城市或景区的隧道洞口则需考虑进行一定的美化装饰。

图１１所示洞门虽然还未完全恢复植被，但软质景观和硬质景观构成了一张脸谱。

图１２所示为公路隧道洞门，园林装饰代替普通的恢复花草植被，经济成本上并不增加很多，美学效果上却提升不少，值得铁路隧道效仿。

上面提到的均为正切式洞门，主要适用于洞口山体坡度较缓，或距离城市较近，或有风景要求或桥隧相连的隧道。

考虑到中国大陆地形地质条件复杂，一种洞门形式不能包打天下。

根据切削方式的不同及一些功能上的要求，在洞口山体坡度较陡，或距离城市较近或有风景要求的情况下，可以通过接长明涧再直切的形式（图１３）来修建隧道洞门。

对于洞口岩石稳定，整体性好、洞口山体坡度很陡或峭壁岩体处的隧道涮门我们建议采用倒切式洞门（图１４）；如果洞口山体坡度很缓，且洞口外设有路堑边坡时可以考虑采用弧形挡墙式（图１５），让弧形挡墙与路堑边坡有机连接。

当然，我们除了用平面切削，还可以用曲面来切削。

图１０鸟瞰隧道群
Ｆｉｇ．１０ｏｖｅｒｌｏｏｋｉｎｇｔｕｎｎｅｌｓ图１３直切式洞门
Ｆｉｇ．１３ｖｅｒｔｉｃａ卜ｃｕｔｔｉｎｇｐｏｒｔａｌ图１１德国高速铁路隧道Ｆｉｇ，１１ｔｈｅｔｕｎｎｅｌｌｏｃａｔｅｄｈｉｇｈｓｐｅｅｄｒａｉｌｗａｙｉｎＧｅｒｍａｎｙ
图１４倒切式洞门Ｆｉｇ．１４ｉｎｖｅｒｔｅｄ—ｃｕｔｔｉｎｇｐｏｒｔａｌ３切削式洞门的空气动力学效应
３．１日本新干线的教训
图１２日本某隧道洞口Ｆｉｇ．１２ｔｈｅｔｕｎｎｅｌｉｎＪａｐａｎ
图１５弧形挡墙加切削式洞门Ｆｉｇ．１５ｒｅｇｕｌａｒ．ｃｕｔｔｉｎｇｐｏｒｔａｌ
ｗｉｔｈｇｕａｒｄｗａｌｌｏｆ
日本新干线由于修建的较早，没有充分认识到高速铁路隧道的空气动力学效应，隧道洞门按传统修建，隧道的横断面积只有６４ｍｚ。

当高速列车从开敞的线路进入隧道时，原来占据着隧道空间的空气被排开，空气的黏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、顺畅地沿列车周围形成绕流。

于是，在列车的前方产生压缩波，压缩波叉以声速通过隧道，并在隧道的出Ｉ＝１处发生反射，由正压变为负压，同样以声速沿列车运行相反的方向向回运动，遇到列车后空气阻力在大气压（１００ｋＰａ）附近发生波动。

这种波动引起的极短时间内压力突变（称为瞬变压力）传到人体时，会产生耳膜压感不适，从而大大降低乘车的舒适度。

同时列车突人隧道时形成的压缩波在传播至出口处时，除了发生反射外，还有一部分以脉冲波的形式向外辐射出去（即微压波），引起爆鸣声并可能危及洞口建筑物ｏ］［“。

为了缓冲这些空气动力学效应。

日本的做法
∥４口
谈高速铁路隧道洞门设计＠就只能是在原有洞口处加设缓冲棚（如图１６）。

这在现在看
来是不经济的，更无法顾及景观，是不得已而为之。

３．２以德国、韩国为代表的加帽檐切削式洞门
德国和韩国对隧道人口缓冲段的做法都是通过在正切洞
门的基础上加设帽檐形成类似喇叭口形人口（图３，图儿）。

为研究这种洞门形式对空气动力学效应的缓冲效果，根据图１６洞口处加设的缓冲棚
Ｈｏｗｅ基于空气动力声学原理提出的人口压缩波的理论分析Ｆｉｇ·１６ｂｕｆｆｅｒｂｏｏｔｈａｄｄｅｄｏｕｔｓｉｄｅｐｏｒｔａｌ
方法“］，利用自编程序对普通端墙式洞门和加帽檐正切式洞门分别进行了数值模拟分析。

为具有可比性，两者的隧道横断面净空面积均取为１００ｍ２（隧道断面采用半径Ｒ＝６．８７ｍ的单心圆形式），具体尺寸见图１７。

图１７端墙式洞门和加帽檐切削式洞门的尺寸
Ｆｉｇ．１７ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓｏｆｒｅｔａｉｎｉｎｇｗａｌｌｐｏｒｔａｌａｎｄｒｅｇｕｌａｒ－ｃｕｔｔｉｎｇｐｏｒｔａｌｗｉｔｈｂｒｉｍｏｆｈａｔａｄｄｅｄ本次模拟分析取隧道计算长度为１．３ｋｍ，并对洞口段某一定点（不考虑反射波与压缩波的叠加情况）进行
结果数据采集，再将这些数据处理成更为形象的曲线图形（图１８，图１９）。

从图中可以看出，相对于普通端墙式
洞门，帽檐正切式洞门压力开始增大的时问提前了，压力梯度明显降低，且速度越高，压力梯度降低的越多。

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图１８列车进洞时的压力随时间变化曲线（以列车车头经过膳道洞口拱顶里程为计时起点）
Ｆｉｇ．１８ｐｒｅｓｓｕｒｅ－ｔｉｍｅｃｕｒｖｅ（ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｈｅａｄｏｆｔｒａｉｎｌｏｃａｔｉｎｇａｔｃｒｏｗｎｏｆｐｏｒｔａｌｔｉｍｉｎｇｓｔａｒｔｉｎｇｐｏｉｎｔ）
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图１９列车进洞时的压力变化梯度Ｆｉｇ．１９ｐｒｅｓｓｕｒｅｇｒａｄｉｅｎｔ－ｓｐｅｅｄ
０２００６中国高速铁路隧道国际技术交流会论文集
借鉴结构力学影响线的思想，将图１８的横坐标换算为离隧道进口洞门的距离，示于图２０。

可以看出具体到隧道工程，正切洞门的正切斜率越小，则压力增大的时间
历程越长，从而压力梯度减小。

另～方面正切斜率减小，成本就
越高，占用土地越多，同时可能对隧道景观也产生负面影响。

因
此，综合考虑各方面因素，对帽檐正切式洞门的洞门正切斜率以
及帽檐斜率和帽檐长度等相关参数的优化设计是我们今后需要
深入研究的一个课题。

压缩波传播到隧道出口时，一部分辐射到洞外，形成微压波。

根据气动力声学原理可得到从隧道出口发射的微压波和隧道内的压缩波之间的关系。

根据Ｌｉｇｈｔｈｉｌｌ声波方程（日本学者山本也提出过类似公式），求得隧道出口ｒ处微压波的近似解为
Ａｐ（州净击（署）
距离
图２０列车进洞过程的压力随距离变化曲线Ｆｉｇ．２０ｐｒｅｓｓｕｒｅ－ｄｉｓｔａｎｃｅ
如果设隧道内的压缩波为ｐ。

，则可得
△ｐ（ｒ，ｔ，一鑫（箬）一
上式表明，隧道洞口外ｒ处的微压波与压缩波在洞口的时间变化率成正比，与到洞口的距离成反比。

故由前面的分析知，对于同一座隧道（长度一定），采用帽檐斜切式洞门产生的微压波较普通端墙式洞门有明显降低。

３．３中国台湾隧道缓冲式洞门
中国台湾对隧道洞口缓冲段采取有顶面开口的扩大断面正切形式（图２１）。

隧道横断面是影响隧道空气动力学效应的重要因素之一，可以想象当隧道横断面足够大时，就不会存在空气动力学效应，当然这样做的成本是令人无法接受的。

洞口扩大断面的设置使列车周围的空间实现阶梯形变化，增加了压缩波的时间和压力变化的时间历程，瞬变压力曲
线变得平缓，同时出口处的微压波也降低了。

另一方面，缓冲段开
天窗为列车进入隧道时形成的压缩空气提供了一条出逃通道，而且
还可以补给车尾进洞时所形成的负压，有效缓解了空气动力学效
应。

限于篇幅，不在此进行数值模拟分析。

３．４探讨更多形式的隧道洞口缓冲设计
由于中国地域辽阔，地形复杂，～两种洞门形式包打不了天下。

图２１台湾某隧道洞口的缓冲段结构
例如在陡壁条件下的桥隧相连，如果一味采用正切加帽檐或则接长“ｇ‘２１ｂｕｆｆｅｒｕｎｉｔｕｓｅｄ“Ｔａｉｗａｎ
明洞开天窗的形式，可能要考虑桥隧共建，将隧道的路基建到桥的墩台上。

其实可以考虑（直线或曲线）倒切喇叭口式洞门或则将隧道入口一定长度开挖成断面连续渐变或阶梯形变化形式。

为保证列车有足够的提速空间，结台中国的实际情况，对各种可能的减缓措施进行深入系统的研究，对相应减缓措施的特征参数进行优化，并提出高效经济的解决方案是非常必要的。

４结论与展望
切削式洞门不仅建筑形式简洁、美观、环保，符合生态和景观设计的潮流，而且同时也是一种缓冲结构，可有效降低进口处压力梯度峰值和出口处微压波峰值，尾一种有机的结合，可以说是达到了建筑学、景观学和力学的和谐统一。

虽然近年来在中国铁路新线的建设中也相继出现了一些新型切削式铁路隧道洞门，但
遗憾的是，新型结构和景观设计并没有纳入设计标准之中，我们呼吁有关单位和部门早日将其标准化。

同
谈高速铁路隧道洞门设计
作者：仇文革， 章慧健， 毕海权， 雷波
作者单位：仇文革,章慧健(西南交通大学土木工程学院,四川,成都,610031)， 毕海权,雷波(西南交通大学机械工程学院,四川,成都,610031)
1.会议论文Bradford F.Townsend.Colin Speers高速铁路隧道施工与设计监理——湖口高速铁路隧道案例2006 由最近数项大型设计-兴建项目基础建设的经验,借着一实际案史来审查在转移如此大型设计-兴建项目基础建设的过程中对承包商及业主所学习的教训.在此实际案例中详细说明为确保项目品质符合由初期设计阶段经施工的要求所采用的程序,并强调导引由设计-兴建程序至符合要求完工的策略.依设计-兴建项目为承包商及业主针对如何处理设计与施工提出建议.
2.会议论文金承烈.孙炳斗.金炳镐.李涓穆.朴致勉关于韩国高速铁路隧道支护系统及施工方法的考察2006
介绍韩国高速铁路隧道的支护系统和施工现况，以及相关的重点技术。

在设计标准和技术说明书内容等的具体化过程中,必要的各种调查和试验过程。

为确保隧道施工安全而适用的各种辅助工艺及其效率.韩国在高速铁路隧道工程的施工技术经验，有助于我国隧道工程技术的发展.
3.会议论文肖书安隧道测量技术的发展新方向——隧道扫描技术在德国纽伦堡-英戈施塔特高速铁路竣工测量中
的应用2006
伴随着德国高速铁路的建设,德国国铁对高速铁路隧道的建造和质量检测技术标准等提出了更高的要求.2006年5月建成投入运营的纽伦堡-英戈施塔特高速铁路线采用GRP5000激光扫描技术作为隧道竣工质量检测验收依据.介绍了项目背景和建立在无损检测技术基础上的GRP5000激光扫描技术，以及在该工程中的应用。

本文对中国高速铁路隧道的质量检测和了解隧道测量技术的发展有一定意义.
4.学位论文丁良平高速铁路长大隧道列车火灾安全疏散研究2008
高速铁路给人类带来高效、便捷的同时，铁路行车事故也造成了巨大的经济损失和社会影响。

作为高速铁路的关键节点，隧道内的行车安全问题一直是铁路运营管理的重点。

随着行车速度的不断提高和长大隧道的不断增多，隧道内发生列车火灾的可能性也将增加，而一旦发生火灾人员的疏散救援也会非常困难。

如何减小火灾发生的可能性和确保火灾发生后人员的安全疏散，已经成为高速铁路隧道迫切需要解决的课题。

本文采用事故调研、理论研究、数值模拟相结合的方法，系统讨论了高速铁路隧道发生列车火灾后的安全疏散问题。

本文的主要工作有： (1)统计国内外铁路隧道列车火灾事故，调查导致列车火灾发生的主要原因，分析火灾的起火位置和事故后果的严重性。

(2)讨论了列车发生火灾时的两种逃生模式：继续运行疏散模式和停车疏散模式，分析两种逃生模式下的最不利情形，并建立了两种疏散模式下人员的安全疏散判定准则。

(3)分析了隧道火灾三维数值计算模型的理论基础，找到比较合适的隧道列车火灾建模方法，并采用了“等效活塞风方法”以模拟继续运行疏散模式。

(4)在研究继续运行疏散模式时，分析了火灾规模、运行速度、隧道断面对火灾烟气流场的影响：并进行了实例分析，得到了适合采用继续运行疏散模式的条件，并分析了列车在隧道内不同地点发生火灾时的疏散方向，发现存在一个最不利疏散的位置Lcr，使得列车继续运行的疏散时间最长；最后分析了列车继续运行的合理疏散速度。

(5)在研究停车疏散模式时，采用经验公式和数值模拟的方法计算了狮子洋隧道控制烟气回流的临界风速，并得到了保证人员安全疏散的联络通道间距。

(6)通过对国内外高速铁路隧道设计规范和实例的调研，并结合前文的研究成果，为我国高速铁路长大隧道防灾救援体系提供建议和参考。

5.会议论文王春生.王树强.贺廷西.赵勇高速铁路隧道项目管理2006
伴随着新一轮铁路客运专线建设高潮的到来,客运专线对列车速度(一般为250km/h、300km/h、350km/h)要求的提高,使其线路的标准(高速铁路要求最小曲线半径在大多数情况下都大于4000m)也相应提高.中国地域辽阔、地形复杂,这就使新建客运专线的隧道占线路比例较大,对隧道项目管理提出了更高要求.以石太铁路客运专线Z5标太行山隧道7号、8号斜井的施工为例,重点介绍高速铁路隧道施工项目管理.
6.会议论文赵勇.唐国荣.倪光斌.武赞中国高速铁路隧道主要技术标准和关键技术2006
结合中国高速铁路隧道的特点,对目前采用的乘车舒适度和净空有效面积、断面形式、支护和衬砌设计参数、防排水标准、消防和防灾救援、洞口形式等主要技术标准,以及单洞双线和双洞单线方案选择、黄土隧道、施工方法、可维护防排水系统、衬砌结构耐久性等关键技术问题进行介绍,为中国高速铁路隧道建设提供参考.
7.会议论文Harald Wagner奥地利高速铁路隧道设计和施工经验2006
本文通过具体的工程实例，介绍了奥地利高速铁路隧道的设计和施工概括、施工方法、辅助工法以及设计标准等.
8.学位论文党明芳高速铁路隧道及地下车站设置屏蔽门空气动力学效应研究2008
作为新世纪的崭新交通方式，高速铁路的出现和发展绝非偶然，它是国民经济发展、科学技术进步以及铁路与其它运输方式激烈竞争的产物。

它的出现，使代表传统轮轨系统陆上运输工具的铁路进入了新的发展阶段。

1964年10月，日本修建了从东京到大阪全长515.4公里的东海道新干线，它以每小时210公里的速度运营成功，从此，世界铁路高速化揭开了序幕。

进入21世纪，我国的高速铁路建设也跨上了飞速发展的“高速列车”。

然而，随着列车行驶速度的提高，会引发一系列低速运行时不会产生的空气动力学问题。

当列车以较高速度通过隧道时，将会在隧道内产生明显的压力波动和洞口处的微压波现象，进而影响到旅客的乘车舒适性、候车安全性和隧道环境。

前期研究表明，增设隧道附属设施(如缓冲设施、减压竖井、辅助坑道等)能够显著降低压缩波首波峰值，进而降低压力波动、微压波强度等空气动力学指标，提高高速铁路运行安全度。

本文以某科研项目为依托，重点研究在高速铁路区间隧道设有地下车站时，站台屏蔽门系统的设置对隧道及站内压力传播规律的影响。

验证压缩波峰值、压力波动值等气动指标是否符合限值，并给出相应的结论，为后续设计、安全行车组织提供依据。

论文采用了数值模拟和模型实验相结合的科学的研究方法，达到了相互验证的目的，明确得出了设置屏蔽门系统的地下车站及相连隧道内的压力波传播规律，对以后有关方向的科研和生产具有一定参考价值。

9.会议论文Piergiorgio Grasso.Shulin Xu.Giampiero Carrieri.Vittorio Guglielmetti.Fabio Rizzo高速铁
路深埋长隧道最优施工方法的选择2006
由于存在一系列的不确定性,高速铁路深埋长隧道的设计和施工一般具有很高的风险性.这类隧道工程的成功很大程度上取决于正确选择施工技术.从风险管理的角度可以肯定地认为,正确选择一座隧道的施工方法是"首要的风险减轻措施",或者简单地说,是对所识别的主要风险的第一反应.因此关键的问题是,如何针对一座隧道做出正确的选择.为此建议在风险分析和多重标准分析原理的基础上采用一种稳健方法来确定大埋深、长隧道的最优施工方法(或者多种方法的组合).以里昂-都灵高速铁路连接线上的长隧道为例并连同其他经验来阐述所建议的方法.
10.会议论文Rudolf P(o)ttler高速铁路隧道:设计的复杂性、关键技术及其原因2006
在隧道设计中,当将地质、环境、土工技术、安全、交通、通风和经济及运营等各方面因素都考虑进去时,它将是一个很复杂的问题.可以理解为整体大于各部分之和,因此需要交叉学科的设计处理.本文首先介绍了交叉学科成功设计的必要因素及高速铁路隧道的布局.ILF利用其强大的内部设计能力,完成了复杂的隧道工程.还介绍了一些各方面彼此互相影响的实例,例如位于汉诺威与伍兹伯格、科隆-法兰克福、纽伦堡-幕尼黑之间的高速铁路隧道,这些隧道于2006年6月开通,爱本斯菲尔德-埃尔福特处于设计阶段.另外还介绍了一些目前正在进行施工的部分.
本文链接：/Conference_6285685.aspx
下载时间：2010年3月9日。