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 β kv 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 ?? 0.06。

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～lOm 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：
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“缓解”和“滞后”两种效应。

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，洞口会车有时会成为最不利情况，然而在列车密封的条件下，洞口会车并非最不利情况。

由于“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 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。

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O.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?? =O.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。

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。

①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显著。

③微压波的大小和道床种类及列车进洞速度的关系
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 (列车进洞速度)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。

⑥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0～13Hz范围图内呈线性减小，并在13Hz处骤减，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
图[2] 微压波最大值和隧道长度的关系图[3] 加登隧道东口微压波频谱分析结果
对于短隧道，可忽视在隧道内传播的压缩波的变形，并可忽略洞口外微压波的指向性。

由上式可知，微压波最大值Pmax与到达隧道出口的压缩波压力对时间微分的最大值成正比。

因此，通过减小到达隧道出口的压缩波波前的压力梯度可以降低隧道出口微压波大小。

实际上，在长5～10Km的板式道床隧道中，列车以200Km/h速度进洞的情况下，其微压波是很大的，也会产生气压噪声。

但列车速度若降低到某一速度时，其微压波压力将变小（较同速度下的短隧道微压波略大），气压噪声也很小或没有。

隧道洞口缓冲结构的目的就是将高速列车进入隧道而产生的压缩波波前的压力梯度在传播的最初阶段就降低下来，以产生与降低列车进洞速度相同的效果。

日本针对备后隧道（长8900m，板式道床，断面面积60.4m2）进行了一系列较为完善的全封闭缓冲结构不同截面和不同长度的模型试验，研究了各种条件下的微压波降低效果。

①微压波最大值与缓冲结构长度的关系仅就全封闭缓冲结构来说，若长度大于隧道水力直径，其效果基本上为一定值。

②微压波最大值与缓冲结构断面积的关系
见图[4]，由图可知，缓冲结构的截面积约为隧道的1.55倍时，便可使微压波的第一波和第二波均呈较小值。

因此，对于没有开口的全封闭缓冲结构，取其截面积为隧道截面积的l.55 倍，长度大于隧道直径即可。

开口部分设在缓冲结构的侧面，为长方形。

对于全长开口，随着开口面积的增加，微压波第一波减小而第二波增加。

如果对不同开口长度条件下的微压波最大值进行比较，则当其断面比=1.62时，几乎没什么差别，但当断面比=1.04 时，1/2长开口较全长开口为小，显示出其具有良好的降低微压波效果。

在某一试验条件下，微压波最大值比在缓冲结构开口率为0时约为0.5，而在开口面积/隧道断面积=0.2且1/2长开
口时为0.3～0.35左右。

缓冲结构断面积/隧道断面积
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0.2～0.3倍。

该种缓冲结构形式还用于备后隧道（板式道床，8 9 0 0m）、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]、图[8]、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10m2（大部分为左右各5m 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11～12m 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 0m，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[7]隧道标准洞口缓冲构之一
图[10]为一关隧道北口的洞口缓冲结构概况，隧道长9700m，缓冲结构与隧道的断面比=1.4，缓冲结构长15m，侧面开口面积为l5m2。

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0.42，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、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。

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。

出于安全考虑，新规范已将跨度改为12.9m。

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。

再从其正在开发的磁悬浮高速铁路，已将阻塞比降低为β =0.12，有效净空面积为74m2。

这就表明车辆横断面积相对减小，也就是取得增大有效净空断面的效果。

通过以上分析可以认为：为了降低隧道的空气动力效应，增大隧道有效净空面积是较好的结构工程措施，也是当前世界各国高速铁路发展的总趋势。

在确定隧道横断面有效净空尺寸之前，首先要正确地选择隧道设计参数。

高速列车进入隧道时产生的空气动力学效应，与人的生理反应和乘客的舒适度相联系。

这就要制定压力波动程度的评估办法及确定相应的阈值，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，如3S或4S内最大压力变化值。

我国拟采用图[12] 列车速度为300km/h 时，西班牙采用的100m2隧道横断面图压力波动的临界值(控制标准)为3.0KPa/3S。

根据压力波动与隧道阻塞比关系公式：
N β kv P 2 max ??
式中N =2.16±0.06(列车交会时)；
K =实测数据反分析系数。

可以推算出满足舒适度要求时，阻塞比β 宜取为当v ＝250km/h时β ＝0.14 v ＝350km/h时β =0.11 隧道横断面形式一般为园形(部分或全部)、具有或没有仰拱的马蹄形断面。

而影响隧道横断面尺寸的因素有：建筑限界；电气化铁路接触网的标准限界及接触网支承点和接触网链形悬挂的安装范围；线路数量：是双线单洞还是单线双洞；线间距；线路轨道横断面；需要保留的空间如安全空间，施工作业工作空间等；空气动力学影响；与线路设备的结构相适应。

根据德国有关规范隧道线路危险区在列车速度为300km/h（＞160km/h）时，距线路中心线应为3m。

此时工作人员不能在隧道内停留，在线路危险区处要设立安全空间。

多线隧道安全空间设于两侧。

安全空间的尺寸至少为高2.2m，宽0.8m。

这是为了铁路员工而设计的。

安全空间设在隧道侧墙一侧，容许宽度受以下因素的影响：
①为保证乘客及工作人员安全，暂时或长期安装的设施—防护通道，把手或防护栏杆；
②专业部门安装建筑设施；
③无线电和信号系统配电柜和电气开关操纵机构。

安全空间地面应在轨面规定高度上，必需平坦，只容许有较小的横向坡度，安全空间的地面与接触网设备的带电部分之间的距离至少为3.95m。

在所有隧道内，必须为每条线路设置直通的救援道路。

它设置在安全空间一侧，距线路中心线至少2.2m。

此空间高度至少为2.2m，宽度至少为1.6m，后者可保证满足施工作业空间后，还有1.25m的最小宽度。

根据安全方案规定配备救援列车时，救援道路的长度为1000m。

而无救援列车时其长度不超过500m。

隧道中还应设一个施工作业工作空间，在暗挖双线隧道内沿隧道环形衬砌的最小厚度为
0.30m，此空间应符合下列要求：
①工程辅助设施；
②隧道衬砌预留的补充加强设施；
③根据要求可转换为施工作业工作空间的建筑设施。

具体地说施工作业工作空间可用来安装将来需要的设备或加强衬砌以及安装降低噪声的护墙板，也可用来满足衬砌未预料的少量的静态长期变形。

但不得利用施工作业工作空间来满足隧道建设的工程误差。

德国直线段隧道断面图见图[13]。

法国高速列车的速度曾多次创造了世界最高纪录，国内已先后投入运行的有多条高速线路如TGV—PSE，TGV-A，TGV—R及TGV—N等，为了与欧洲大陆联网而生产了TGV欧洲之星，此列车适应了英国列车车低而窄的特点。

法国已制定了TGV—A大西洋沿岸高速线上的列车速度与隧道有效净空面积的关系。

列车速度（km/h）200 230 270 300及以上隧道有效净空面积（m 2 ）46 55 71 100 法国高速铁路双线隧道阻塞比β ＝0.13～0.15，现行的运营列车速度为270km/h。

隧道有效净空面积为71m 2 ，列车横断面积为10m 2 。

车辆限界同UIC限界。

图[13] 第二代新线直线段的隧道横断面
日本东海道新干线是世界上最早建成的高速铁路线，其后又陆续修建了山阳、东北及上越等新干线。

其单线隧道建筑限界宽为4400mm，高为6450mm。

车辆限界宽3400mm高6350mm。

建筑限界中在每侧留有500mm，这是为了考虑车体横向摇动偏移值。

影响偏移值的主要因素是：车轴横向移动、横摇引起车体的倾斜、蛇形引起车端的偏移及轨道不平顺增大偏移等。

建筑限界比车辆限界高100mm。

东海道新干线建筑限界与隧道内轮廓间的最小富余量为50mm。

基于东海道新干线的经验，考虑施工误差及养护等原因，山阳新干线的最小富余量采用了l00mm。

于70年代开通的山阳新干线等双线隧道。

线间距由4.2m改为4.3m；隧道有效净空面积由60.5m2加到63.4m2。

高速铁路条件下的隧道灾害，主要表现为火灾、水灾、空气动力学问题、隧道内掉块、侵限和结构失稳。

其中隧道内掉块、侵限和结构失稳问题是铁路隧道的共有问题，即隧道病害问题，在非特大灾害条件下(如爆炸、地震、山体滑坡等)一般来说发展较为缓慢，有一定的时间发现和整治，且可通过提高设计标准和施工工程质量来相应提高其抗灾能力，有关隧道病害的监测、检测、状态评估和整治能够独立进行操作；空气动力学问题可以通过对隧道断面和隧道洞口形式等采取一系列构造技术措施来解决；水灾问题在水底隧道中最为突出，危害也大；火灾具有突发性，常常造成灾难性后果。

国内外运营隧道中，洞内火灾事故时有发生，其中相当一部分火灾造成了严重的后果，如：日本北陆隧道、日本坂隧道、大清水隧道等，其中北陆隧道列车火灾事故死伤七百多人；德国的Billweder隧道、荷兰的Velsen 隧道、西班牙的Guadarrama 隧道及英国伦敦地铁维多利亚车站隧道等。

近年来我国也发生过几起严重的隧道火灾事故。

这些隧道内的灾害不仅直接造成生命财产的巨大损失，还造成了停运、恢复整治和善后处理等更大的间接损失。

列车火灾可能在线路的任何地方发生，但以隧道内火灾最难处理，主要表现为以下几方面：
1、着火列车停在隧道内时，乘客避难和救援困难。

铁路隧道为长条形，空间狭小，火。