高速铁路的隧道特点.doc

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。

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；V —车速；l —列车长度；D —阻力。

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。