高速鐵路的隧道特點(diǎn)

1、高速鐵路的隧道的特點(diǎn)高速鐵路的隧道設(shè)計(jì)是由限界、構(gòu)造尺寸、使用空間和緩解及消減高速列車進(jìn)入隧道誘發(fā)的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)兩方面的要求確定的。研究表明，以上兩方面要求中，后者起控制作用。 當(dāng)列車進(jìn)入隧道時(shí)，原來占據(jù)著空間的空氣被排開?？諝獾恼承砸约皻饬鲗?duì)隧道壁面和列車表面的摩阻作用使得被排開的空氣不能象在隧道外那樣及時(shí)、順暢地沿列車兩側(cè)和上部流動(dòng)，列車前方的空氣受壓縮，隨之產(chǎn)生特定的壓力變化過程, 引起相應(yīng)的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)并隨著行車速度的提高而加劇。 1、由于瞬變壓力造成乘員舒適度降低，并對(duì)車輛產(chǎn)生危害；2、微壓波引起爆破噪聲并危及洞口建筑物； 3、行車阻力加大；4、空氣動(dòng)力學(xué)噪聲； 5、列車風(fēng)加劇。

2、 高速鐵路進(jìn)入隧道產(chǎn)生的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)是由多種因素所確定的。 行車速度，車頭和車尾形狀，列車橫斷面，列車長(zhǎng)度，列車外表面形狀和粗糙度，車輛的密封性等。 隧道凈空斷面面積，雙線單洞還是單線雙洞，隧道壁面的粗糙度，洞口及輔助結(jié)構(gòu)物形式，豎井、斜井和橫洞，道床類型等。 列車在隧道中的交會(huì)等。 列車進(jìn)入隧道引起的壓力變化是兩部分的疊加： 列車移動(dòng)時(shí)從擠壓、排開空氣到留下真空整個(gè)過程引起的壓力變化； 列車車頭進(jìn)入隧道產(chǎn)生的壓縮波以及車尾進(jìn)入隧道產(chǎn)生的膨脹波在隧道兩洞口之間來回反射產(chǎn)生的壓力變化(Mach波)。 當(dāng)雙線隧道中同時(shí)有不同方向列車相向行駛時(shí)，疊加所產(chǎn)生的情況則更為復(fù)雜。 列車在隧道中運(yùn)行時(shí)(無

3、相向行駛列車)車上測(cè)得的最大壓力波動(dòng)發(fā)生在第一個(gè)反射波到達(dá)列車時(shí)。 Mach波以聲速傳播，對(duì)于長(zhǎng)隧道，來回反射的周期相應(yīng)較長(zhǎng)。同時(shí)，在反射的過程中能量有所衰減。 而對(duì)于短隧道，Mach波反射的周期大為縮短。同時(shí)，在反射過程中能量損失也較少，致使壓力波動(dòng)程度加劇。試驗(yàn)表明，壓力波動(dòng)絕對(duì)值，并不隨隧道長(zhǎng)度的減小而減小。 因此，對(duì)高速鐵路中的隧道，有的雖然不長(zhǎng)（例如長(zhǎng)度在1km左右），其可能引起的行車時(shí)的壓力波動(dòng)仍然不能忽視。但是，當(dāng)隧道長(zhǎng)度短到使列車首尾不能同時(shí)在其中時(shí)。則Math波的疊加不可能發(fā)生，壓力波動(dòng)程度當(dāng)然隨之緩解。 當(dāng)隧道長(zhǎng)度為1km時(shí)，壓力波動(dòng)明顯加劇，而當(dāng)隧道長(zhǎng)度進(jìn)一步增大到3km

4、時(shí)，壓力波動(dòng)則并無顯著加劇，反而有緩解趨向。 列車交會(huì)的雙線隧道，最不利情況發(fā)生在列車交會(huì)在隧道中點(diǎn)時(shí)。研究表明：對(duì)于壓力波動(dòng)，諸因素中隧道橫截面積的影響是最大的。隧道凈空斷面面積，或者說，隧道阻塞比是最主要的因素。根據(jù)計(jì)算分析，提出壓力波動(dòng)與隧道阻塞比之間有下列關(guān)系。 3 N kv P 2 max ? 單一列車在隧道中運(yùn)行時(shí)，N =1.3 ? O.25?？紤]列車交會(huì)時(shí)，N =2.16 ? 0.06。 式中： max P 3秒鐘內(nèi)壓力變化的最大值； v 行車速度； ? 阻塞比； 面積 隧道內(nèi)軌頂面以上凈空 列車橫截面積 ? 。 豎井（斜井、橫洞）的存在會(huì)緩解壓力波動(dòng)的程度。豎井位置對(duì)減壓效果的

5、影響很大，并不是處于任何位置的豎井都能有較好的效果。豎井?dāng)嗝娣e5lOm 2 即可，加大豎井的橫斷面積，并不能收到好的效果。 根據(jù)Mach波疊加情況可以理論地得到豎井的最佳位置： ) 1 ( 2 M M L X ? ? 式中 X 豎井距隧道進(jìn)口距離； L 隧道長(zhǎng)度；M Mach數(shù)。 雙線隧道列車在隧道中交會(huì)引起壓力波動(dòng)的疊加，情況十分復(fù)雜。列車交會(huì)時(shí)，壓力波動(dòng)最大值是單一列車運(yùn)行情況的2.8倍。 實(shí)際上，列車交會(huì)時(shí)所產(chǎn)生的壓力波動(dòng)同列車長(zhǎng)度、隧道長(zhǎng)度、會(huì)車位置、車速等多種因素有關(guān)。 在車輛密封的情況下，假定車外壓力 a P 為常數(shù)，車內(nèi)壓力隨時(shí)間的變化可以表為：計(jì)算結(jié)果表明，車輛的密封對(duì)車內(nèi)壓力

6、波動(dòng)的影響可以歸結(jié)為“緩解”和“滯后”兩種效應(yīng)。 值得指出的是，在考慮到列車交會(huì)的情況下，就車外壓力而言，洞口會(huì)車有時(shí)會(huì)成為最不利情況，然而在列車密封的條件下，洞口會(huì)車并非最不利情況。由于“滯后”效應(yīng)，車內(nèi)壓力來不及“響應(yīng)”列車就出洞了。 高速鐵路隧道設(shè)計(jì)應(yīng)通過正確地選擇隧道設(shè)計(jì)參數(shù)，將壓力波動(dòng)控制到“允許” 范圍內(nèi)。 評(píng)定壓力波動(dòng)程度一般采用的參數(shù)有： “峰對(duì)峰”最大值。即最大壓力變化的絕對(duì)值； 壓力變化率的最大值。 將這兩種指標(biāo)單獨(dú)使用均不能合理地同人的生理反應(yīng)和乘員的舒適度相聯(lián)系。例如，對(duì)于變化緩慢的壓力過程，即使變化幅度較大，但由于來得及對(duì)耳腔壓力進(jìn)行主動(dòng)(如做吞咽動(dòng)作)或被動(dòng)(外界降

7、壓時(shí)中耳通道將自動(dòng)開啟)調(diào)節(jié)，不會(huì)造成很大不適。當(dāng)然，對(duì)于變化急劇的情況，盡管變化率較大，但只要變化幅度不大，也不會(huì)有多大問題。 因此，目前較通用的評(píng)估參數(shù)是相應(yīng)于某一指定短時(shí)間內(nèi)的壓力變化值，例如 3S內(nèi)最大壓力變化值或4S內(nèi)最大壓力變化值。 所謂3S或4S大致相當(dāng)于完成耳腔壓力調(diào)節(jié)所需的時(shí)間。 行車阻力由機(jī)械阻力和空氣阻力兩部分組成。 機(jī)械阻力一般同行車速度成正比： W bV a D M ) ( ? ? 式中 a ，b 常數(shù)；V 車速；W 列車質(zhì)量。 而空氣阻力則同行車速度二次方成正比。在隧道中，空氣阻力問題更為突出。 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)資料，T.HARA，N.NISHIOKA等(1967)提出

8、了行車阻力的下列經(jīng)驗(yàn)公式： 8 . 9 ) ( ) ( 2 ? ? ? ? ? V dl c W bV a D 式中 W 列車質(zhì)量(t)；V 車速(km/h)；l 列車長(zhǎng)度(m)；D 阻力(N)。 隧道長(zhǎng)度的影響 研究表明，空氣阻力隨隧道長(zhǎng)度的增加而單調(diào)增加，但其增加率越來越小，最后趨于一常數(shù)。阻塞比? 越小，趨于常數(shù)所需的隧道長(zhǎng)度越短。當(dāng) 0.15 ? 時(shí)，隧道長(zhǎng)度超過3km以后，空氣阻力已變化不大；而對(duì)于 0.42 ? ? 的隧道在長(zhǎng)度超過10km以后仍有較大的變化。 阻塞比? 對(duì)空氣阻力的影響 空氣阻力隨? 的增加而單調(diào)增加，并且斜率越來越大。當(dāng)以V=250km/h為例，? 從0.15增

9、加到0.20時(shí)，空氣阻力將增加工13%。而當(dāng)? 從O.4增加到0.45時(shí)，空氣阻力將增加16%。 列車在隧道中交會(huì)的影響 以S=1OOm 2 、? =0.1為例，當(dāng)兩列車車體重合時(shí)，空氣阻力系數(shù)將增加23% (車長(zhǎng)360m，隧道長(zhǎng)3000m)。 一般說來會(huì)車阻力只對(duì)確定機(jī)車最大牽引能力時(shí)有意義。 豎井的影響 豎井的存在，可降低行車阻力。但這種影響并不很大。以設(shè)在隧道中斷面積為 5m 2 的豎井為例，當(dāng)? =0.42時(shí)，空氣阻力減小7%，當(dāng)? =O.15時(shí)，空氣阻力僅降低1.2%。 微壓波是隧道出口微氣壓波的簡(jiǎn)稱，是高速鐵路隧道運(yùn)營(yíng)過程中產(chǎn)生的空氣動(dòng)力學(xué)問題之一。 微壓波使得列車高速進(jìn)入隧道時(shí)，

10、在另一側(cè)出口產(chǎn)生突然爆炸聲響，對(duì)隧道出口附近的環(huán)境構(gòu)成危害。 歐洲國家對(duì)此研究較少，而日本由于采用的隧道斷面較小，微壓波問題特別突出。針對(duì)這一現(xiàn)象，日本鐵道技術(shù)研究所等在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、模型實(shí)驗(yàn)、理論分析及工程措施等方面進(jìn)行了全面地研究，并取得了成功的應(yīng)用。 研究認(rèn)為，隧道出口的爆炸聲響是由列車高速進(jìn)入隧道產(chǎn)生的壓縮波在隧道內(nèi)傳播到達(dá)出口時(shí)，由出口向外部放射脈沖狀壓力波而引起的。 微壓波的大小與列車進(jìn)洞速度、隧道長(zhǎng)度、道床類型及隧道入口形式等有關(guān)。 降低隧道微壓波的工程措施有以下幾種： 采用特殊隧道入口形式(稱為洞口緩沖結(jié)構(gòu))； 采用道碴道床或具有相同效果的貼附有吸音材料的洞壁； 連接相鄰隧道并在連

11、接部分適當(dāng)開口，對(duì)單一隧道可在埋深淺的地方設(shè)窗孔； 利用斜井、豎井、平行導(dǎo)坑等輔助坑道。 1973年，Ham mitt通過對(duì)有關(guān)列車隧道空氣動(dòng)力學(xué)問題的理論研究，提出了微壓波問題的預(yù)見。1975年，在日本新干線岡山以西段的試運(yùn)營(yíng)過程中首次觀察到。 此后，隨著新干線投入運(yùn)營(yíng)和列車速度的提高，在日本的其它地方也相繼出現(xiàn)了由微壓波產(chǎn)生的洞口氣壓噪聲現(xiàn)象。 微壓波的產(chǎn)生 隧道微壓波是列車高速進(jìn)入隧道產(chǎn)生的壓縮波在隧道內(nèi)以音速傳播，當(dāng)?shù)竭_(dá)隧道的出口時(shí)，向外放射的脈沖狀壓力波。其大小與到達(dá)出口的壓縮波形態(tài)密切相關(guān)，在靠近低頻段與壓縮波波前的壓力梯度成正比。 微壓波波形 典型的洞口微壓波波形見圖1。其中U為

12、列車的進(jìn)洞速度，r為測(cè)點(diǎn)到洞口中心的距離。隧道短時(shí)，可能出現(xiàn)多個(gè)波峰，而對(duì)于長(zhǎng)隧道來說，由于壓縮波的反射波（即稀疏波，亦稱膨脹波）波前較為模糊，使得第一個(gè)波峰最為顯著。 微壓波的大小和道床種類及列車進(jìn)洞速度的關(guān)系 圖1 微壓波波形（r=20m） 當(dāng)隧道較短（如小于1km）時(shí)，道碴道床和板式道床幾乎沒什么差別，微壓波的大小基本上與U 3 (列車進(jìn)洞速度)成正比，即 Pmax=KU 3 /r。其中， K為隧道出口地形影響系數(shù)。對(duì)于長(zhǎng)隧道來說，道碴道床隧道的微壓波較短隧道要小，基本上也符合 U 3 關(guān)系。 微壓波和隧道長(zhǎng)度的關(guān)系 圖2為微壓波最大值和隧道長(zhǎng)度的關(guān)系。比較短的隧道（小于1km）微壓波的

13、大小不受隧道長(zhǎng)度的影響。較長(zhǎng)的道碴道床隧道的微壓波最大值隨隧道長(zhǎng)度的增加減少；相反，板式道床隧道的微壓波最大值隨隧道長(zhǎng)度的增加而增加，到某一隧道長(zhǎng)度時(shí)達(dá)最大值，其后隨隧道長(zhǎng)度的增加而減小。 微壓波最大值的距離衰減 根據(jù)日本南鄉(xiāng)山隧道東口的測(cè)量結(jié)果。微壓波最大值大體上與到隧道出口中心的距離r成反比。 微壓波頻譜分析 日本對(duì)米神、大倉山、南鄉(xiāng)山、加登、尾道、備后、新關(guān)門等隧道進(jìn)行了實(shí)際量測(cè)分析，圖3為加登隧道東口微壓波的頻譜分析結(jié)果（隧道長(zhǎng)482m，板式道床）。 分析認(rèn)為，微壓波的幅值隨頻率值的增加而下降，下降梯度大體上與列車速度U成正比。 對(duì)于短隧道來說，道碴道床和板式道床的差別不大，微壓波的幅

14、值隨頻率的增加而呈線性減小。 對(duì)于板式道床隧道，U=200km/h時(shí)的微壓波幅值在013Hz范圍圖內(nèi)呈線性減小，并在13Hz處驟減，且隧道越長(zhǎng)，其減小的梯度越小。這一13Hz的頻率與微壓波主脈沖后產(chǎn)生的壓力變動(dòng)頻率是一致的 圖2 微壓波最大值和隧道長(zhǎng)度的關(guān)系 圖3 加登隧道東口微壓波頻譜分析結(jié)果 對(duì)于短隧道，可忽視在隧道內(nèi)傳播的壓縮波的變形，并可忽略洞口外微壓波的指向性。 由上式可知，微壓波最大值Pmax與到達(dá)隧道出口的壓縮波壓力對(duì)時(shí)間微分的最大值成正比。 因此，通過減小到達(dá)隧道出口的壓縮波波前的壓力梯度可以降低隧道出口微壓波大小。 實(shí)際上，在長(zhǎng)510Km的板式道床隧道中，列車以200Km/h

15、速度進(jìn)洞的情況下，其微壓波是很大的，也會(huì)產(chǎn)生氣壓噪聲。但列車速度若降低到某一速度時(shí)，其微壓波壓力將變小（較同速度下的短隧道微壓波略大），氣壓噪聲也很小或沒有。 隧道洞口緩沖結(jié)構(gòu)的目的就是將高速列車進(jìn)入隧道而產(chǎn)生的壓縮波波前的壓力梯度在傳播的最初階段就降低下來，以產(chǎn)生與降低列車進(jìn)洞速度相同的效果。 日本針對(duì)備后隧道（長(zhǎng)8900m，板式道床，斷面面積60.4m2）進(jìn)行了一系列較為完善的全封閉緩沖結(jié)構(gòu)不同截面和不同長(zhǎng)度的模型試驗(yàn)，研究了各種條件下的微壓波降低效果。 微壓波最大值與緩沖結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度的關(guān)系 僅就全封閉緩沖結(jié)構(gòu)來說，若長(zhǎng)度大于隧道水力直徑，其效果基本上為一定值。 微壓波最大值與緩沖結(jié)構(gòu)斷面積的

16、關(guān)系 見圖4，由圖可知，緩沖結(jié)構(gòu)的截面積約為隧道的1.55倍時(shí)，便可使微壓波的第一波和第二波均呈較小值。 因此，對(duì)于沒有開口的全封閉緩沖結(jié)構(gòu)，取其截面積為隧道截面積的l.55 倍，長(zhǎng)度大于隧道直徑即可。 開口部分設(shè)在緩沖結(jié)構(gòu)的側(cè)面，為長(zhǎng)方形。對(duì)于全長(zhǎng)開口，隨著開口面積的增加，微壓波第一波減小而第二波增加。 如果對(duì)不同開口長(zhǎng)度條件下的微壓波最大值進(jìn)行比較，則當(dāng)其斷面比=1.62時(shí)，幾乎沒什么差別，但當(dāng)斷面比=1.04 時(shí)，1/2長(zhǎng)開口較全長(zhǎng)開口為小，顯示出其具有良好的降低微壓波效果。 在某一試驗(yàn)條件下，微壓波最大值比在緩沖結(jié)構(gòu)開口率為0時(shí)約為0.5，而在開口面積/隧道斷面積=0.2且1/2長(zhǎng)開口

17、時(shí)為0.30.35左右。 緩沖結(jié)構(gòu)斷面積/隧道斷面積 直線型和曲線型多少有些差別，但具有共同的趨勢(shì)。圓形斷面條件下，緩沖結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度/隧道直徑=3.33、緩沖結(jié)構(gòu)開口直徑/隧道直徑=2.5時(shí)的微壓波最大值為無緩沖結(jié)構(gòu)時(shí)的0.20.3倍。 該種緩沖結(jié)構(gòu)形式還用于備后隧道（板式道床，8 9 0 0m）、第二高山隧道（板式道床，3207m）、大野隧道（長(zhǎng) 5389m，板式道床）等隧道。 圖7、圖8、圖9、圖10、圖11、為東北、上越新干線使用的幾種洞口緩沖結(jié)構(gòu)形式。 大部分采用耐久性良好的混凝土結(jié)構(gòu)（或鋼結(jié)構(gòu)），其斷面積比為1.4。 圖7所示的緩沖結(jié)構(gòu)長(zhǎng)15m，側(cè)面開口面積約15m 2 （大部分為左右各

18、7.5m 2 ）；圖8所示的緩沖結(jié)構(gòu)長(zhǎng)12m，側(cè)面開口的面積約10m 2 （大部分為左右各5m 2 ）。通過試驗(yàn)量測(cè)認(rèn)為，長(zhǎng)15m的緩沖結(jié)構(gòu)開口面積稍稍過大，改為1112m 2 為好。上述兩種緩沖結(jié)構(gòu)的效果與山陽新干線標(biāo)準(zhǔn)洞口形式的效果相同。 圖9為采用與隧道同一斷面的洞口 緩沖結(jié)構(gòu)形式（斷面比1），長(zhǎng)2 0m，頂部開口，隧道長(zhǎng)750m，開口位置任選。微壓波最大值比約為0.45，相當(dāng)于列車進(jìn)洞速度降為0.77（0.45 1/3 ）倍的效果。 圖7隧道標(biāo)準(zhǔn)洞口緩沖構(gòu)之一 圖10為一關(guān)隧道北口的洞口緩沖結(jié)構(gòu)概況，隧道長(zhǎng)9700m，緩沖結(jié)構(gòu)與隧道的斷面比=1.4，緩沖結(jié)構(gòu)長(zhǎng)15m，側(cè)面開口面積為l5

19、m2 。 圖11為長(zhǎng)17m的標(biāo)準(zhǔn)洞口緩沖結(jié)構(gòu)形式，圖示為第二芹澤隧道的洞口緩沖結(jié)構(gòu)，隧道長(zhǎng)775m，斷面比1.4。微壓波最大值比約為0.42，相當(dāng)于列車進(jìn)洞速度降為 0.75（0.42 1/3 ）倍的效果。 隧道洞口緩沖結(jié)構(gòu)并不能解決列車在隧道內(nèi)高速行走產(chǎn)生的壓力變化給乘員帶來的不適和壓力過大而帶來的耳鳴問題。但卻可以通過降低列車進(jìn)洞后第一階段壓縮波的波前梯度而有效地降低出口微壓波的大小，消除洞口的爆炸聲響，減少微壓波給洞口帶來的環(huán)境危害。 緩沖結(jié)構(gòu)的應(yīng)用應(yīng)將微壓波的大小、隧道的具體長(zhǎng)度、斷面尺寸、道床類型、輔助坑道的設(shè)置、洞口附近房屋等建筑物的性質(zhì)及其它環(huán)境要求、地質(zhì)地形地貌條件、工程難易程

20、度、造價(jià)等進(jìn)行綜合考慮。在有條件的隧道，還應(yīng)考慮利用其它降低微壓波的措施。如采用貼有吸音材料的洞壁等措施。 1964年10月，世界上首條高速鐵路日本東海道新干線投入了運(yùn)營(yíng)。三十多年來全世界已有10多個(gè)國家修建了高速鐵路。歐洲的一些國家發(fā)展較快，正在形成歐洲高速鐵路網(wǎng)。日本也已修建了東海道、山陽、東北及上越等新干線。高速鐵路的修建技術(shù)日益成熟。 高速鐵路線上的隧道不同于一般的鐵路隧道，當(dāng)高速列車在隧道中運(yùn)行時(shí)要遇到空氣動(dòng)力學(xué)問題，主要表現(xiàn)為空氣動(dòng)力效應(yīng)所產(chǎn)生的新特點(diǎn)及現(xiàn)象。為了降低及緩解空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，除了采用密封車輛及減小車輛橫斷面積外，必須采取有力的結(jié)構(gòu)工程措施，增大隧道有效凈空面積及在洞口

21、增設(shè)緩沖結(jié)構(gòu)；另外還有其它輔助措施，如在復(fù)線上雙孔單線隧道設(shè)置一系列橫通道；以及在隧道內(nèi)適當(dāng)位置修建通風(fēng)豎井、斜井或橫洞。 增大隧道有效凈空面積其效果顯著。但因增加工程數(shù)量，從而提高了造價(jià)；在洞口增設(shè)緩沖結(jié)構(gòu)、將隧道出入口作成喇叭型、增設(shè)混凝土明洞或鋼結(jié)構(gòu)的棚洞等，并且在其洞壁上開設(shè)通氣孔洞或窗口，既可降低洞內(nèi)瞬變壓力，又可減弱微壓波產(chǎn)生洞口附近的“爆炸”聲。 在復(fù)線線路上還要確定是修建成單孔雙線隧道，還是修建雙孔單線隧道。下面給出單孔雙線及雙孔單線隧道優(yōu)缺點(diǎn)的比較。 理論及試驗(yàn)研究表明，影響隧道中壓力變化的因素有：列車的速度、頭部及尾部形式、橫斷面面積、長(zhǎng)度；車輛外表型式及粗糙度；隧道的有效

22、凈空面積大小及突變、長(zhǎng)度及洞壁的粗糙度等。而在這些影響因素中列車的速度和阻塞比二者是至關(guān)重要的。研究還表明，隧道中最大壓力變化與列車速度的平方成正比，同時(shí)也與阻塞比的N次方成正比。因此列車速度確定之后，阻塞比就成為關(guān)鍵的因素。而當(dāng)列車車型選定以后（列車橫斷面面積已確定），隧道有效凈空面積就又成為決定性因素。出于安全考慮，新規(guī)范已將跨度改為12.9m。盡管日本采用洞口增設(shè)緩沖結(jié)構(gòu)及密封車輛措施來降低空氣動(dòng)力效應(yīng)，但當(dāng)列車速度為300km/h時(shí)，也產(chǎn)生了擴(kuò)大隧道有效凈空面積為85m2 的設(shè)想。再從其正在開發(fā)的磁懸浮高速鐵路，已將阻塞比降低為 =0.12，有效凈空面積為74m2。這就表明車輛橫斷面積

23、相對(duì)減小，也就是取得增大有效凈空斷面的效果。 通過以上分析可以認(rèn)為：為了降低隧道的空氣動(dòng)力效應(yīng)，增大隧道有效凈空面積是較好的結(jié)構(gòu)工程措施，也是當(dāng)前世界各國高速鐵路發(fā)展的總趨勢(shì)。在確定隧道橫斷面有效凈空尺寸之前，首先要正確地選擇隧道設(shè)計(jì)參數(shù)。高速列車進(jìn)入隧道時(shí)產(chǎn)生的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，與人的生理反應(yīng)和乘客的舒適度相聯(lián)系。這就要制定壓力波動(dòng)程度的評(píng)估辦法及確定相應(yīng)的閾值，目前較通用的評(píng)估參數(shù)是相應(yīng)于某一指定短時(shí)間內(nèi)的壓力變化值，如3S或4S內(nèi)最大壓力變化值。我國擬采用 圖12 列車速度為300km/h 時(shí)，西班 牙采用的100m2 隧道橫斷面圖壓力波動(dòng)的臨界值(控制標(biāo)準(zhǔn))為3.0KPa/3S。 根據(jù)壓

24、力波動(dòng)與隧道阻塞比關(guān)系公式： N kv P 2 max ? 式中N =2.160.06(列車交會(huì)時(shí))；K =實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反分析系數(shù)。可以推算出滿足舒適度要求時(shí)，阻塞比 宜取為 當(dāng) v 250km/h時(shí) 0.14 v 350km/h時(shí) =0.11 隧道橫斷面形式一般為園形(部分或全部)、具有或沒有仰拱的馬蹄形斷面。而影響隧道橫斷面尺寸的因素有： 建筑限界； 電氣化鐵路接觸網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)限界及接觸網(wǎng)支承點(diǎn)和接觸網(wǎng)鏈形懸掛的安裝范圍； 線路數(shù)量：是雙線單洞還是單線雙洞； 線間距； 線路軌道橫斷面； 需要保留的空間如安全空間，施工作業(yè)工作空間等； 空氣動(dòng)力學(xué)影響； 與線路設(shè)備的結(jié)構(gòu)相適應(yīng)。 根據(jù)德國有關(guān)規(guī)范隧道

25、線路危險(xiǎn)區(qū)在列車速度為300km/h（160km/h）時(shí)，距線路中心線應(yīng)為3m。此時(shí)工作人員不能在隧道內(nèi)停留，在線路危險(xiǎn)區(qū)處要設(shè)立安全空間。多線隧道安全空間設(shè)于兩側(cè)。安全空間的尺寸至少為高2.2m，寬0.8m。這是為了鐵路員工而設(shè)計(jì)的。安全空間設(shè)在隧道側(cè)墻一側(cè)，容許寬度受以下因素的影響： 為保證乘客及工作人員安全，暫時(shí)或長(zhǎng)期安裝的設(shè)施防護(hù)通道，把手或防護(hù)欄桿； 專業(yè)部門安裝建筑設(shè)施； 無線電和信號(hào)系統(tǒng)配電柜和電氣開關(guān)操縱機(jī)構(gòu)。 安全空間地面應(yīng)在軌面規(guī)定高度上，必需平坦，只容許有較小的橫向坡度，安全空間的地面與接觸網(wǎng)設(shè)備的帶電部分之間的距離至少為3.95m。 在所有隧道內(nèi)，必須為每條線路設(shè)置直通

26、的救援道路。它設(shè)置在安全空間一側(cè)，距線路中心線至少2.2m。此空間高度至少為2.2m，寬度至少為1.6m，后者可保證滿足施工作業(yè)空間后，還有1.25m的最小寬度。根據(jù)安全方案規(guī)定配備救援列車時(shí)，救援道路的長(zhǎng)度為1000m。而無救援列車時(shí)其長(zhǎng)度不超過500m。 隧道中還應(yīng)設(shè)一個(gè)施工作業(yè)工作空間，在暗挖雙線隧道內(nèi)沿隧道環(huán)形襯砌的最小厚度為0.30m，此空間應(yīng)符合下列要求： 工程輔助設(shè)施； 隧道襯砌預(yù)留的補(bǔ)充加強(qiáng)設(shè)施； 根據(jù)要求可轉(zhuǎn)換為施工作業(yè)工作空間的建筑設(shè)施。 具體地說施工作業(yè)工作空間可用來安裝將來需要的設(shè)備或加強(qiáng)襯砌以及安裝降低噪聲的護(hù)墻板，也可用來滿足襯砌未預(yù)料的少量的靜態(tài)長(zhǎng)期變形。但不得利

27、用施工作業(yè)工作空間來滿足隧道建設(shè)的工程誤差。德國直線段隧道斷面圖見圖13。 法國高速列車的速度曾多次創(chuàng)造了世界最高紀(jì)錄，國內(nèi)已先后投入運(yùn)行的有多條高速線路如TGVPSE，TGV-A，TGVR及TGVN等，為了與歐洲大陸聯(lián)網(wǎng)而生產(chǎn)了 TGV歐洲之星，此列車適應(yīng)了英國列車車低而窄的特點(diǎn)。 法國已制定了TGVA大西洋沿岸高速線上的列車速度與隧道有效凈空面積的關(guān)系。 列車速度（km/h） 200 230 270 300及以上 隧道有效凈空面積（m 2 ） 46 55 71 100 法國高速鐵路雙線隧道阻塞比 0.130.15，現(xiàn)行的運(yùn)營(yíng)列車速度為 270km/h。隧道有效凈空面積為71m 2 ，列車橫

28、斷面積為10m 2 。車輛限界同UIC限界。 圖13 第二代新線直線段的隧道橫斷面 日本東海道新干線是世界上最早建成的高速鐵路線，其后又陸續(xù)修建了山陽、東北及上越等新干線。其單線隧道建筑限界寬為4400mm，高為6450mm。車輛限界寬 3400mm高6350mm。建筑限界中在每側(cè)留有500mm，這是為了考慮車體橫向搖動(dòng)偏移值。 影響偏移值的主要因素是：車軸橫向移動(dòng)、橫搖引起車體的傾斜、蛇形引起車端的偏移及軌道不平順增大偏移等。建筑限界比車輛限界高100mm。 東海道新干線建筑限界與隧道內(nèi)輪廓間的最小富余量為50mm?；跂|海道新干線的經(jīng)驗(yàn)，考慮施工誤差及養(yǎng)護(hù)等原因，山陽新干線的最小富余量采用

29、了l00mm。于 70年代開通的山陽新干線等雙線隧道。線間距由4.2m改為4.3m；隧道有效凈空面積由60.5m2 加到63.4m2 。 高速鐵路條件下的隧道災(zāi)害，主要表現(xiàn)為火災(zāi)、水災(zāi)、空氣動(dòng)力學(xué)問題、隧道內(nèi)掉塊、侵限和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。其中隧道內(nèi)掉塊、侵限和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)問題是鐵路隧道的共有問題，即隧道病害問題，在非特大災(zāi)害條件下(如爆炸、地震、山體滑坡等)一般來說發(fā)展較為緩慢，有一定的時(shí)間發(fā)現(xiàn)和整治，且可通過提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和施工工程質(zhì)量來相應(yīng)提高其抗災(zāi)能力，有關(guān)隧道病害的監(jiān)測(cè)、檢測(cè)、狀態(tài)評(píng)估和整治能夠獨(dú)立進(jìn)行操作；空氣動(dòng)力學(xué)問題可以通過對(duì)隧道斷面和隧道洞口形式等采取一系列構(gòu)造技術(shù)措施來解決；水災(zāi)問題在水底

30、隧道中最為突出，危害也大；火災(zāi)具有突發(fā)性，常常造成災(zāi)難性后果。 國內(nèi)外運(yùn)營(yíng)隧道中，洞內(nèi)火災(zāi)事故時(shí)有發(fā)生，其中相當(dāng)一部分火災(zāi)造成了嚴(yán)重的后果，如：日本北陸隧道、日本坂隧道、大清水隧道等，其中北陸隧道列車火災(zāi)事故死傷七百多人；德國的Billweder隧道、荷蘭的Velsen隧道、西班牙的Guadarrama 隧道及英國倫敦地鐵維多利亞車站隧道等。近年來我國也發(fā)生過幾起嚴(yán)重的隧道火災(zāi)事故。這些隧道內(nèi)的災(zāi)害不僅直接造成生命財(cái)產(chǎn)的巨大損失，還造成了停運(yùn)、恢復(fù)整治和善后處理等更大的間接損失。 列車火災(zāi)可能在線路的任何地方發(fā)生，但以隧道內(nèi)火災(zāi)最難處理，主要表現(xiàn)為以下幾方面： 1、著火列車停在隧道內(nèi)時(shí)，乘客避

31、難和救援困難。 鐵路隧道為長(zhǎng)條形，空間狹小，火災(zāi)蔓延速度快，排煙困難，洞內(nèi)可視性差、路面不平，且救援設(shè)備和人員難以接近著火點(diǎn)。2、固定滅火設(shè)備和排煙設(shè)備綜合配置難度大。 3、列車在隧道內(nèi)行車時(shí)，車廂內(nèi)換氣量比非隧道區(qū)段大數(shù)倍，因此一旦著火，其火勢(shì)也比非隧道區(qū)段發(fā)展迅猛。4、隧道內(nèi)火災(zāi)發(fā)生后，滅火、恢復(fù)整治時(shí)間長(zhǎng)。間接損失遠(yuǎn)大于洞外火災(zāi)。 5、隧道內(nèi)環(huán)境差，固定的火災(zāi)監(jiān)控和自動(dòng)化消防設(shè)施維護(hù)困難，很難保證火災(zāi)發(fā)生時(shí)能完好工作。 6、隧道內(nèi)火災(zāi)發(fā)生的概率小，且具有位置上的不確定性，在隧道短且較分散的情況下，在全線隧道上維持有效的全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和消防設(shè)施投入大、難度高。7、客運(yùn)列車火災(zāi)規(guī)模小于貨運(yùn)列車

32、。 8、整個(gè)安全系統(tǒng)從發(fā)現(xiàn)、通報(bào)、判斷確認(rèn)、停車到啟動(dòng)消防及救援系統(tǒng)的時(shí)間較長(zhǎng)。 根據(jù)隧道內(nèi)列車火災(zāi)特點(diǎn)，綜合分析國外高速鐵路隧道列車火災(zāi)發(fā)生條件及防治措施，高速鐵路的隧道安全系統(tǒng)的火災(zāi)防治問題應(yīng)與線路、機(jī)車車輛、運(yùn)輸組織、供電及通信信號(hào)、車站安全監(jiān)測(cè)、列車工作人員素質(zhì)等幾方面共同解決，最大限度地防止列車在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)和火災(zāi)列車進(jìn)入隧道，并建立起完善的火災(zāi)防止和火災(zāi)處置程序和行之有效的管理體制。 1、輔助洞室 避車洞主要用于長(zhǎng)隧道維修養(yǎng)護(hù)人員避車，放置維修養(yǎng)護(hù)材料及設(shè)備，滅火設(shè)備等。 不論高速鐵路采用何種維修養(yǎng)護(hù)體制，都不能完全避開運(yùn)營(yíng)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行一些必要的維修養(yǎng)護(hù)作業(yè)，而避車洞是永久性建筑物

33、，是作業(yè)人員和設(shè)備的安全待避所，可以為作業(yè)人員和行車提供可靠的安全保障。 2、給排水設(shè)施 給水主要用于消火栓用水,可照有關(guān)消防法設(shè)置,排水應(yīng)綜合考慮隧道滲漏排水和消防排水的要求設(shè)計(jì)。洞口應(yīng)考慮有能滿足消防用水要求的水源或?qū)Ｓ眯钏鼗蛩?。并保持有足夠的水量?3、通訊聯(lián)絡(luò)設(shè)備 為保證養(yǎng)護(hù)維修人員的聯(lián)絡(luò),或與最近車站及控制中心等的聯(lián)絡(luò)應(yīng)沿全線分布設(shè)置,并應(yīng)充分利用車載無線通訊設(shè)備。 4、照明設(shè)施 5、滅火設(shè)施 6、標(biāo)志牌及報(bào)警裝置 對(duì)于列車上的火災(zāi)檢知,可以通過列車工作人員及乘客發(fā)現(xiàn)并報(bào)告。但對(duì)車廂外的火災(zāi)卻難以發(fā)現(xiàn)。高速鐵路隧道消防措施應(yīng)以火災(zāi)（包括隱患）列車不進(jìn)入隧道為首要目標(biāo)，應(yīng)在隧道集中

34、區(qū)段的相臨車站設(shè)置主要由紅外攝象機(jī)、高速工業(yè)電視、輛數(shù)檢測(cè)器等構(gòu)成的固定式單向列車火災(zāi)檢知設(shè)備。 通過紅外線攝象機(jī)實(shí)時(shí)檢測(cè)列車廂體外表溫度，配合輛數(shù)檢測(cè)等確定溫度異常點(diǎn)，并通過高速工業(yè)電視進(jìn)行目視確認(rèn)。 所有檢測(cè)數(shù)據(jù)傳送到通訊檢測(cè)室，進(jìn)行車次、部位、基準(zhǔn)溫度及發(fā)熱范圍等處理，以判斷火災(zāi)是否發(fā)生。 一旦檢測(cè)出火災(zāi)，通過判定處理裝置確定火災(zāi)列車車次、車廂號(hào)等并傳送到指揮中心，并顯示在指揮中心的顯示屏上。此外，高速攝象結(jié)果也以靜止畫面?zhèn)鞯街笓]中心，以目視進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn)。 為了盡早地發(fā)現(xiàn)火情,必須準(zhǔn)確地掌握通常條件下的列車溫度,并以此為基準(zhǔn)盡可能低地設(shè)定火災(zāi)判定基準(zhǔn)溫度。 緊急警報(bào) “緊急警報(bào)”與車次

35、及發(fā)熱異常位置無關(guān),當(dāng)檢測(cè)出列車表面溫度有異常升高時(shí)立即發(fā)出警報(bào)。列車在通過火災(zāi)檢測(cè)點(diǎn)時(shí)，當(dāng)檢測(cè)裝置連續(xù)三次掃描都檢測(cè)出列車前進(jìn)方向上連續(xù)三個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都超過基準(zhǔn)溫度，即時(shí)發(fā)出警報(bào)。 判定警報(bào) “判定警報(bào)”是低于“緊急警報(bào)”的基準(zhǔn)溫度的警報(bào)。盡可能在列車表面溫度在加熱狀態(tài)處于較低溫度時(shí)而且早期地判定出火災(zāi)是非常重要的。 為此，應(yīng)確定出列車在常規(guī)狀態(tài)下的發(fā)熱部位（如車下電阻器，閘瓦等位置）和非發(fā)熱部位各自的溫度管理限界。經(jīng)綜合分析后在低于緊急警報(bào)溫度下進(jìn)行火災(zāi)判定。 在一般可能的發(fā)熱部位內(nèi),儲(chǔ)存其預(yù)定的發(fā)熱點(diǎn),發(fā)熱范圍及最高溫度值等,將之與檢測(cè)出的溫度分布進(jìn)行比較,一旦超出此范圍,即判定為異常并發(fā)

36、出警報(bào)。 此外，檢測(cè)出通常發(fā)熱點(diǎn)最高溫度以上的發(fā)熱超過一定面積或者是檢測(cè)出雖然低于最高溫度的某一溫度值超過某一程度的面積值時(shí)，都應(yīng)判斷為火災(zāi)。 對(duì)于一般情況下不發(fā)熱的部位，超過其基準(zhǔn)溫度部分的面積超過基準(zhǔn)面積時(shí)，應(yīng)判斷為火災(zāi)。 在隧道群的相鄰車站配備救援列車及專用場(chǎng)地和設(shè)備，并能保證救援列車經(jīng)常處于待動(dòng)狀態(tài)。 車場(chǎng)設(shè)施 救援列車的編組場(chǎng)以及信號(hào)設(shè)施；入庫線；加油站；動(dòng)力和照明電源；車場(chǎng)照明設(shè)備；通訊設(shè)施；其他設(shè)施。 救援列車裝備 足夠的牽引動(dòng)力（內(nèi)燃）；起吊設(shè)備；消防設(shè)備；醫(yī)療救護(hù)設(shè)備；通信及指揮系統(tǒng)；自身防護(hù)設(shè)備；其他設(shè)備。 機(jī)車車輛本身的高熱設(shè)備器件不接觸可燃物； 電氣設(shè)備可靠； 可燃物盡

37、可能采用耐燃材料或經(jīng)過耐燃處理； 車輛間連接采用隔燃措施，以阻止火災(zāi)向相鄰車輛蔓延； 隧道用材料難燃化：如采用難燃電纜、埋入式電纜等； 對(duì)乘客攜帶易燃品采用更嚴(yán)格的控制。 早期發(fā)現(xiàn)及時(shí)報(bào)警 a. 建立特殊點(diǎn)（如洗漱室、廁所、吸煙點(diǎn)、無人房間、電氣設(shè)備間等巡視制度； b. 對(duì)隱蔽空間設(shè)置自動(dòng)化檢測(cè)和報(bào)警裝置，并建立判別標(biāo)準(zhǔn)； c. 加強(qiáng)車站火災(zāi)自動(dòng)化檢測(cè)。 初期滅火 從火災(zāi)發(fā)展過程來看，初期滅火開始越早效果越好，原則上初期滅火應(yīng)和疏導(dǎo)旅客避難同時(shí)進(jìn)行。 a. 初期滅火的物質(zhì)條件：包括滅火器材的合理配置，照明設(shè)施的安全可靠，對(duì)無法直接滅火的地點(diǎn)應(yīng)有與自動(dòng)檢測(cè)裝置形成聯(lián)動(dòng)的滅火系統(tǒng)；b. 建立初期滅火程序并加強(qiáng)日常演練。 當(dāng)判定火勢(shì)已擴(kuò)大，無法實(shí)施初期滅火時(shí)，應(yīng)盡快撤離火災(zāi)車輛，為下一步防止火災(zāi)擴(kuò)大措施做準(zhǔn)備。 日本所采用的列車上火災(zāi)處置程序及初期滅火界限見表4。 防止火災(zāi)擴(kuò)大措施 在無法進(jìn)行初期滅火時(shí)，人員撤退前應(yīng)將窗、通風(fēng)道、門等車輛開口部位關(guān)閉，阻斷空氣向燃燒車輛內(nèi)補(bǔ)充，防止火、煙、毒氣等向相鄰車輛蔓延，確保在相鄰車內(nèi)避難人員的安全。 列車在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，確保乘客安全是頭等大事 列車措施 發(fā)生火災(zāi)的列車不得在隧道內(nèi)停車，應(yīng)將列