高速铁路的隧道特点

高速铁路隧道的特点高速铁路隧道设计是根据极限、结构尺寸、使用空间和缓和以及减少高速列车进入隧道引发的气动效应的要求确定的。研究表明，以上两项要求中，后者发挥控制作用。 列车一进入隧道，原本占据空间的空气就被排出。 空气的粘性和气流作用于隧道壁面和列车表面的摩擦阻力，排出的空气不能像隧道外那样顺畅地流过列车的两侧和上部，列车前方的空气被压缩，随之产生特定的压力变化过程，引起相应的空气力学效应，随着行驶速度的提高1 .瞬变压力降低乘员舒适性，危害车辆2 .微压波引起爆炸噪音，威胁开口处的建筑物3 .行驶阻力变大4 .气动噪音5、列车的风变大。高铁进入隧道产生的气动效应取决于各种因素。 行驶速度、车头和车尾的形状、列车横截面、列车长度、列车外表面的形状和粗糙度、车辆的密封性等。 隧道缝隙截面积，双线单孔或单线双孔，隧道墙面粗糙度，洞口和辅助结构的形状，竖井、斜井和横孔，道床类型等。 在火车隧道交往等。列车进入隧道引起的压力变化是两部分的重叠列车移动时压出空气，从排出到留下真空的过程引起的压力变化列车头车进入隧道产生的压缩波和车尾进入隧道产生的膨胀波在隧道的两开口部之间反射产生的压力变化(Mach波)。双线隧道中同时不同方向的列车相对行驶时，叠加造成的情况更加复杂。 列车在隧道运行时(无对面行驶列车)测得的最大压力变动是在最初的反射波到达列车时发生的。 Mach波以音速传播，在长隧道往复反射周期长。 同时，在反射过程中能量衰减。 另一方面，在短隧道中，Mach波的反射周期大幅缩短。 同时，反射过程中的能量损失也较少，压力变动程度加剧。 实验表明，压力波动的绝对值不随隧道长度的减小而减小。 因此，高速铁路的隧道不长(例如长度为1km左右)，但由此引起的行驶时的压力变动有时不能忽视。 但是，隧道的长度短到列车首尾不能同时行驶的程度。 没有Math波的叠加，并且自然减轻了压力波动的程度。 隧道长度为1km时，压力变动明显，但隧道长度再增加3km时，压力变动不明显，反而有缓和的倾向。 列车交叉的双线隧道，最不利的情况是在列车交叉的隧道中间时发生。研究表明，隧道截面积对压力波动的影响最大。 隧道缝隙截面积或隧道堵塞比是最重要的因素。 计算分析表明，压力波动与隧道堵塞比之间存在以下关系。3 N kv P 2 max？ 单列车运行隧道时，N=1.3？ O.25。 考虑列车交通时，N=2.16？ 0.06。 式中： max P 3秒间压力变化的最大值v-行驶速度是什么-堵塞比面积隧道内轨道上面以上的间隔列车横截面积=？ 选择什么。 竖井(斜井、横洞)的存在是缓和压力变动的程度。 轴的位置对减压效果的影响很大，不管处于哪个位置的轴都不会有好的效果。 竖井的截面积为5lOm 2即可，即使增大竖井的截面积也不能得到好的效果。 根据Mach波的叠加情况理论上可以得到竖井的最佳位置：1 (2 M M L X？ 式中x-竖井距隧道的进口距离l-隧道长度M Mach数。双线隧道列车在隧道中交叉引起压力波动叠加，情况十分复杂。 列车交错时，压力变动的最大值是单列车运行情况的2.8倍。 实际上，列车交错时发生的压力波动与列车长、隧道长、会车位置、车速等诸多因素有关。 在车辆密封情况下，如果假定车外压力a P恒定，则车内压力的时间变化能够表示如下计算结果表明，车辆密封对车内压力波动的影响可归结为“缓和”和“滞后”两种效果。 值得注意的是，考虑到列车交通，在车外压力下，开口部会车可能会成为最不利的情况，但在列车密封的条件下，开口部会车不是最不利的情况。 由于“滞后”的效果，车内的压力没有“响应”的列车开了洞。高速铁路隧道设计应通过正确选择隧道设计参数，将压力波动控制在“允许”范围内。 评估压力波动程度的一般参数如下：峰值对峰值的最大值。 即，最大压力变化绝对值压力变化率的最大值。单独使用这两个指标也不能合理同人的生理反应与乘员的舒适度相结合。 例如，在变化缓慢的压力过程中，即使变化幅度大，也能主动(吞咽动作等)或被动(外部降压时中耳通路自动打开)地调节耳室的压力，所以没有大的不协调感。 当然，急剧变化的情况下，尽管变化率大，但变化幅度不大的话，就没什么问题。 因此，当前常见的评估参数对应于特定短时间内的压力变化值，例如3S下的最大压力变化值或4S下的最大压力变化值。 3S或4S大致相当于完成耳室压力调节所需的时间。 行驶阻力由机械阻力和空气阻力两部分组成。机械阻力一般与同行车速度成正比：W bV a D M )式中的a、b-常数v-车速w-列车质量。空气阻力与同行车速度的平方成正比。 在隧道中，空气阻力问题更加突出。 根据现场试验资料，T.HARA、N.NISHIOKA等(1967 )提出了行驶阻力的以下经验公式8.9)()()(2？V dl c W bV a D公式中的w-列车质量(t) v-车速(km/h) l-列车长度(m) d-电阻(n )。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，但增加率越来越小，最后保持不变。 交通堵塞比？ 什么越小，常量化所需的隧道长度越短。 0.15=？ 什么时候，隧道长度超过3km后，空气阻力没怎么变化的0.42呢？ 什么隧道长度超过10km也有很大变化。堵车比？ 对空气阻力的影响空气阻力是什么？ 什么增加单调增加，斜率越来越大。 以V=250km/h为例？ 从0.15增加到0.20，空气阻力增加13%。 那个时候？ 从O.4增加到0.45时，空气阻力增加16%。列车在隧道交叉的影响是S=1OOm 2？ 以=0.1为例，两列车车身重叠时，空气阻力系数增加23% (车长360m，隧道长3000m )。 一般来说，会车阻力仅在确定机车最大牵引能力时有意义。竖井影响竖井的存在，可以降低行驶阻力。 然而，这种影响并不是很大。 以隧道中断面积为5m 2的竖井为例？=0.42时，空气阻力减少7 %？=o.15时，空气阻力只降低1.2%。微压波是隧道出口微压波的简称，是高速铁路隧道运营中发生的气动力学问题之一。 微压波使列车高速进入隧道时，对面出口突然发出爆炸声，危害隧道出口附近的环境。 在欧洲国家，这项研究很少，但在日本，由于隧道的断面很小，微波问题特别突出。 针对这一现象，日本铁路技术研究所等在现场测试、模型实验、理论分析和工程措施等方面进行了全面研究，并取得了成功。隧道出口的爆炸声可能是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，从出口向外部放射脉冲状的压力波的原因。 微压波的大小与列车的进入速度、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如下：采用特殊的隧道入口形式(称为开口部缓冲结构)采用压载道床，或采用具有相同效果的带吸音材料的孔壁连接相邻隧道，在连接部分适当开口，可在相对于单一隧道较深的地方开设窗口利用斜井、竖井、平行导向坑等辅助坑道。1973年，Ham mitt通过对列车隧道空气动力学问题的理论研究，提出了微波问题的预见. 1975年，在日本新干线冈山以西段的试运营中首次观察到。 之后，随着新干线的运行和列车速度的提高，日本其他地方也相继发生微波引起的开口部气压噪音。产生微波隧道微压波是列车以高速进入隧道产生的压缩波在隧道内以音速传播，到达隧道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的形态密切相关，在低频附近与压缩波前的压力梯度成比例。微波波形典型的开口部微波波形如图1所示。 其中，u为列车进入速度，r为从测量点到开口部中心的距离。 隧道较短时，有可能出现多个峰，但在较长的隧道中，压缩波的反射波(也称为稀疏波、膨胀波)的波面模糊，因此最初的峰最为显着。微波大小与道床种类与列车进入速度的关系图1在微压波波形(r=20m )隧道短(例如小于1km )的情况下，镇流道床和板道床几乎没有差别，微压波的大小基本上与U 3(列车进入速度)成比例，Pmax=KU 3 /r。 其中k为隧道出口地形影响系数。 在长隧道中，压载道床隧道的微压波较短的隧道较小，基本符合U 3的关系。微波与隧道长度的关系图2是微波的最大值与隧道长度的关系。 较短隧道(小于1km )的微波大小不受隧道长度的影响。 长道床隧道的微压波最大值随隧道长度的增加而减小，而板式道床隧道的微压波最大值随隧道长度的增加而增加，达到某隧道长度时达到最大值，然后随隧道长度的增加而减小。微压波最大值的距离衰减取决于日本南乡山隧道东口的测量结果。 微压波的最大值与到隧道出口中心的距离r大致成反比。 微压波谱分析日本实际测量分析米神、大仓山、南乡山、加登、尾道、备后、新门户等隧道，图3为加登隧道东口微压波谱分析结果(隧道长482m，板式道床)。微波振幅随频率值的增加而降低，下降梯度与列车速度u大致成正比. 在短隧道中，压载道床与板式道床的差异不大，微波振幅随频率的增加而线性减小。 在板式道床隧道中，U=200km/h时的微压振幅值在013Hz的范围内线性减少，在13Hz急剧减少，隧道越长减少的梯度越小。 该13Hz频率与微波主脉冲后产生的压力变动的频率一致图2微波最大值与隧道长度的关系图3加登隧道东口微压波谱分析结果在短隧道中，可以忽略在该隧道中传播的压缩波的变形，并忽略开口以外的微波的方向性。由上式可知，微压波的最大值Pmax与到达隧道出口的压缩波的压力时间微分的最大值成比例。 因此，通过减小到达隧道出口的压缩波之前的压力梯度，能够减小隧道出口的微压波的大小。 实际上，在长度为510Km的板式道床隧道中，列车以200Km/h进洞时，其微波很大，也会产生气压噪音。 但是，列车速度下降到某一速度时，其微压波的压力会变小(比同速度下的短隧道微压波稍大)，气压噪音也不会变小。 隧道洞口缓冲结构的目的是在传播的最初阶段降低高速列车进入隧道产生的压缩波前的压力梯度，产生与降低列车进入速度相同的效果。日本对后备隧道(长8900m，板式道床，截面积60.4m2)进行了一系列比较完整的全封闭缓冲结构不同截面和不同长度的模型试验，研究了不同条件下的微压波降低效果。微波最大值与缓冲结构长度的关系仅限于全闭缓冲结构，如果长度大于隧道水力直径，其效果基本一定。微波最大值与缓冲结构截面积的关系；从图4可以看出，当缓冲结构的截面积约为隧道的1.55倍时，微波的第一波和第二波都为较小的值。 因此，在没有开口的全封闭缓冲构造中，只要将其截面积设为隧道截面积的l.55倍，长度比隧道直径大即可。 开口部设在缓冲结构的侧面，长方形。 在全长开口处，随着开口面积的增加，微波的第一波减少，第二波增加。 比较不同开口长度条件下的微波最大值，其截面比=1.62时，几乎没有差别，但截面比=1.04时，1/2长开口比全长开口小，微波降低效果良好。 在某个试验条件下，微波最大值比在缓冲构造的开口率为0的情况下约为0.5，在开口面积/隧道截面积=0.2且1/2长的情况下约为0.30.35。 缓冲结构截面积/隧道截面积直线型和曲线型多少有些不同，但有共同的倾向。 在圆形截面条件下，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时微波的最大值为没有缓冲结构时的0.20.3倍.该缓冲构造形式也用于支撑隧道(板式道床，890 m )、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、东北、上越新干线用的几个开口部缓冲构造形式。 大部分采用耐久性好的混凝土结构(或钢结构)，其截面积比为1.4。 图7所示的缓冲构造长度15m、侧面开口面积约15m 2(大部分为左右各7.5m 2) 8所示的缓冲构造为长度12m，侧面开口的面积约为10m 2(大部分为左右各5 m2)。 在试验测量中，长度为15m的缓冲构造的开口面积稍大，最好改为1112m 2。这2个缓冲构造的效果与山阳新干线的标准开口部形式的效果相同。 图9为采用与隧道相同截面的开口部缓冲构造形式(截面比=1)、长度2 0m、上部开口、隧道长度750m、开口位置任意。 微波最大值约为0.45，相当于列车进入速度降低0.77(0.45 1/3 )倍的效果。图7隧道标准开口部缓冲机构之一图10是一个隧道北口开口部的缓冲构造的概况，隧道长9700m，缓冲构造与隧道的截面比=1.4，缓冲构造长15m，侧面开口面积l5m2。