高速铁路的断面比选

1、高速铁路隧道断面方案比选1 问题的提出高速列车通过隧道时会产生一系列的空气动力学效应，如压力波动、出口处微压波、洞内行车阻力增大等，这将影响旅客乘车舒适度、引起爆破噪声并危及洞口建筑物等。为了消减空气动力学效应，目前高速铁路隧道断面所采取的方案大致可以分为两类：（1）“小断面”方案：以日本早期修建的新干线为代表，为了节省投资，采用了相对较小的净空面积。相应地，阻塞比用得很大。主要通过提高车辆密封程度和修建洞口缓冲棚来消减瞬变压力和洞口微压波。但是，高密封性能的车辆的制造和维护不仅在技术上有难度，而且会加大费用；缓冲棚的修建当然也会增加造价。因此，其他国家则更加倾向于采用“大断面”方案。（2）“

2、大断面”方案：以德国DB为代表，主要通过扩大断面来消减空气动力学效应。空气动力学效应对高速铁路隧道断面方案的确定起着决定性作用。因此，高速铁路隧道断面方案除了考虑经济性、安全性和运营维修等方面的因素之外，还必须重点考虑乘车舒适性和洞口的环境效应（如图1所示）。压力波动程度车辆密封程度经济性断面优化舒适性洞口造价断面大小运营及维修检修空间安全性密封车辆洞口构造洞口微压波环境效应人防安全施工安全行车阻力图1 断面优化权衡树显然过高的舒适性和安全性势必要投入较大的资金；而较小的投入则会降低乘车舒适性。为了能在舒适性、经济性、安全性、环境效应以及运营维修等五个方面获取一个最低的平衡点，本文对以上五个方

3、面进行高速铁路隧道断面的权衡分析。考虑到高速铁路隧道设计参数较多，本文是在设计时速为350km/h，微压波的最大值为10kpa，最大瞬变压力临界值控制标准为3kpa/3s的约束条件下结合黄晶岭隧道的工程背景用权衡分析中的加权评分法对隧道进行断面形式的优化。2 工程背景黄晶岭隧道进口位于福建省长乐市玉田乡西埔村，穿过黄晶岭，于福清市作坊占坝村附近出洞，隧道全长5706m。隧址属低山剥蚀地貌，海拔40530米，相对高差约50400米。自然坡度多为2050°,山脊及山顶呈缓坡状起伏绵延，沟谷地带坡陡沟深。进口植被发育,出口附近较发育，生态环境保护良好。进、出口前均有公路经过，交通方便。2.

4、1 工程地质条件隧道进口及洞身通过地段覆盖层、风化层较薄，洞身发育两条断层，其规模大小不一，断层影响带宽度分别为5080m，其余地段岩层完整性较好；进口段风化层较薄，出口段洞身浅埋段长约225米，断层影响带岩层破碎。无不良地质现象与特殊岩土及有害气体，放射性测试结果对人体无害;地表水及地下水较发育，具弱硫酸型酸性侵蚀及中等溶出型侵蚀；水库对隧道的影响较小，工程地质条件一般。2.2 水文地质条件地表水主要为水库水，其次为沟水。由于测区内植被发育且保存完好，测区又属于亚热带海洋性别气候，降水补给充分，故地表山涧常年流水，流量随季节波动。对隧道影响较大的水库主要有：龙庆水库、占坝水库以及隧道进口大溪

5、河上游约1KM左右的在建设中的水库。龙庆水库位于DK36+550 左约1200m，断层F04-6 经过水库后与线路相交；占坝水库位于隧道出口段右侧约600700m，汇水面积约5.5Km2 ,坝顶高程为47.3m,正常库容(274万m3)相应水位为43.5m，总库容(344万m3)相应高程为46.22m, 隧道出口高程为50.13，高于正常库容水位。尽管占坝水库附近发育多条走向北北东向和北东东向的规模大小不一的断层，但水库水对线路影响较小。2.3 环境工程地质隧道通过地段人烟稀少，不会造成大的噪音污染；隧道弃渣多，应妥善处置，充分利用，防止造成环境破坏、引发地质灾害；隧道虽然距水库较远，但由于洞

6、身发育有数条断层，可能对地下水径流条件造成影响, 导致地下水大量渗漏。隧道进口无古树名木及查明文物，隧道施工也不会对山区的林木造成大量破坏。隧道出口与营融公路海拔较近，导致改移公路。2.4 工程措施建议1注意环境保护，避免破坏山区植被。隧道弃渣宜作为路基填料或另设专用场所堆放，避免挤占农田或林区，并做好弃渣堆积体拦护，以免破坏生态环境、造成水土流失或渣层滑坡。2.设计良好的排水系统，采取必要措施防止隧道开挖造成地下水大量渗漏，及时开挖及时支护截堵，并备好必要的排水、通风设备。3.全隧应采用防侵蚀性混凝土。4进出口各种构筑物将基础置于基岩内一定深度。5隧道进口地段植被发育，风化层厚度变化较大，应

7、加强隧道进口边坡、仰坡支护、衬砌，开挖时注意及时衬砌、支撑，防止掉块。出口端有长225米的隧道浅埋，覆盖层及风化层较厚，开挖时注意及时衬砌、支撑，防止掉块、塌顶，必要时可作明洞。6由于隧道长度、埋深均较大，高处有水库，且有两条断层经过，应注意防止隧道开挖对测区地下水产生较大的不利影响,施工时要加强对地表水、特别是地表水库的监测，以便调整工程措施，减小施工对环境的破坏。同时预防隧道突水、突泥。7经过断层破碎带及岩层破碎地段应采取必要的防渗措施,及时支护，加强衬砌及支撑，防止突水突泥、掉块、坍塌。开挖时控制爆破作业药量。8.沿不整合接触带地下水较发育，凝灰熔岩易风化，应加强衬砌与防护，采取必要的防

8、渗措施,备好排水、通风及通讯设备，预防突水、突泥、掉块、坍塌。3 设计参数的确定3.1 压力波动高速列车运行时的舒适度与高速列车通过隧道时产生的压力波动有关，这也是高速列车通过隧道时产生的主要效应。而微气压波正是这种压力波向外产生的辐射，因此所有效应及危害的根源在于压力波动。当这种压力波动，特别是在极短时间内的压力突变（称为瞬变压力）传到人体时，会产生生理上的不适即耳膜压感不适，从而大大降低乘车的舒适度。然而人们对这种瞬变压力的舒适感是有值域区分的，超过一定值时，会明显不适。因此，控制压力波动程度是以乘客乘车舒适度为基准的。评价压力波动程度一般采用的参数有：“峰对峰”最大值，即最大压力变化的绝

9、对值。压力变化率的最大值。在研究中发现将这两种指标单独使用都不能合理地同人的生理反应和乘客舒适度相联系。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或被动调节，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。本文中最大瞬变压力临界值控制标准取为3kpa/3s。压力波动程度主要主要与以下因素有关：阻塞比阻塞比是影响压力波动程度的最主要因素。根据计算分析，压力波动与阻塞比之间有下列关系：单一列车在隧道中运行时N1.3±0.25考虑列车交会时N2.

10、16±0.06式中 3s内压力变化的最大值V列车速度阻塞比其中 列车断面积隧道断面积列车速度压力瞬变程度是随着列车速度的提高而加剧的。有研究报告曾提出压力波动与列车速度平方成正比的经验公式。隧道长度隧道长度对压力瞬变有明显的影响。但压力瞬变程度并不随着隧道长度的减小而减小。对于长隧道，以声速传播的压力波来回反射的周期较长。同时，在反射过程中能量有所衰减。而对于短隧道，压力波反射的周期较短，在反射过程中能量损失也较大，致使压力波动程度加剧。车辆密封性车辆的密封使车内外压力波动情况产生差异。可以认为，当车外压力不变时，车内压力随时间的变化可以用指数规律来描述：其中，具有时间量纲的参数用以

11、描述车辆的密封程度，称为“密封指数”。可从有关文献中得出密封指数的参考值：“不密封”的标准车辆 0.7s密封好的车辆 5.0s密封空调车 7.0s以上应该指出：高密封性能的车辆不但在技术上有难度，而且会加大费用。竖井的影响竖井的存在会缓解压力波动程度。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有较好的效果。同时，无端增加竖井的数量及加大竖井的横断面积，也并不能收到良好的效果。根据Mach波叠加情况可以得到竖井的最佳位置式中 X竖井距隧道进口距离L隧道长度MMach数，即其中 V车速C声速3.2 微压波和洞口缓冲结构物微压波是压力波动向外产生的辐射。一般采用微压波峰值的大小来确定是

12、否需要设置缓冲结构物。微压波峰值主要与下列因素有关：行车速度对于短隧道，不论何种道床，压缩波在传输过程中几乎不变形，因此，微压波峰值基本上与行车速度的三次方成正比。对于长隧道，采用板式道床和采用碎石道床的情况则不同。隧道长度比较短的隧道，微压波的大小可近似认为不受隧道长度的影响。较长的隧道如采用板式道床和采用碎石道床的情况则不同。隧道净空断面面积及阻塞比在行车速度和隧道长度一定的条件下，净空断面积及阻塞比是最主要的因素。事实上，微压波问题主要发生在日本新干线隧道中，而隧道断面用的比较大、阻塞比相应较小的一些欧洲高速铁路隧道微压波问题不是很明显。分析其原因是日本新干线隧道的断面普遍较小，相应的阻

13、塞比大于0.2。缓冲结构设计参数所以缓冲棚在日本广为修建。缓冲结构物设置基准（如表1）是根据洞口微压波峰值的大小来决定的。表1 缓冲结构物设置基准条件微压波峰值 1.洞口有建筑物建筑物无特殊环境要求建筑物处20kpa建筑物有特殊环境要求建筑物处按要求2.洞口无建筑物距洞口20m50kpa缓冲棚是设置在隧道进口，与隧道衬砌结构相连接的棚状结构物，其净空断面要比隧道断面大，可用混凝土或钢结构。日本曾研究过多种形式的缓冲棚，例如：封闭式、开口式和喇叭形等。封闭式缓冲棚试验表明，全封闭，不开口的缓冲棚若其长度大约隧道直径，其效果基本为定值，不会因为长度的加大而明显改善。开口式缓冲棚在缓冲棚侧边开口（开

14、窗）可以显著降低微压波，进一步改善缓冲棚的效果。开口面积可为隧道净空断面积的0.20.3倍左右，开口长度（沿隧道轴线）可为缓冲棚长度的1/2。喇叭形缓冲棚这种缓冲棚具有较好的功能。缓冲棚的净空截面尺寸从逐渐过渡到，纵断面形式可为直线型或曲线型。但因其结构较复杂，施工有所不便。参照日本的试验研究资料和经验，本文采用开口式缓冲棚，其设计参数如下：缓冲棚净空截面积 开口面积 开口长度 缓冲棚长度 式中，为列车视在速度，即相应于距洞口20m处微压波峰值50kpa的列车速度。3.3 高速列车在隧道中运行时的空气阻力当车速超过200km/h时，空气阻力成为行车阻力的主要部分。在隧道中，这种阻力又将比在明线

15、运行时有明显增加。隧道内空气阻力的大小主要与下列因素有关：隧道长度空气阻力随隧道长度的增加而增加，但其增加率越来越小，最后趋于一常数。阻塞比空气阻力随阻塞比的增加而增加，并且增加率越来越大。列车在隧道中交会列车在隧道中交会时的空气阻力比单列列车下的空气阻力增加28左右。竖井的影响竖井的存在，可降低行车阻力。但这种影响并不是很大。4 高速铁路隧道断面方案设计高速铁路隧道断面形状除应满足净空断面的要求外，还应满足下述条件：1.高速铁路线间距和建筑限界的要求；2.高速列车进入隧道所产生的列车风不危及在隧道内待避的作业人员；3.留有安全空间、设备安装空间、施工作业空间以及必要的救援通道；4.1 建筑限

16、界的要求我国高速铁路建筑限界的限界宽度为4.6mm。双线隧道的线间距为5m。则双线隧道的最小宽度54.69.6m。4.2 安全空间、维修作业空间及救援空间 安全空间安全空间：在隧道侧边位置设置尺寸为 0.8m（宽）×2.20m（高）的安全空间，当车速为350km/h时，规范要求该空间距线路中心线3m以上。安全空间内包括安放施工设施（0.3m宽）或开关柜（0.4m宽，1.3m长）的空间。安全空间的地面与接触导线及支撑部件间的距离至少为3.95m。如果不设安全区，就必须设避车洞。 维修作业空间沿隧道衬砌预留宽为0.3m环形空间，用于安放施工辅助设施（如立脚手架），作为预留的加强衬砌或安装

17、建筑材料的空间。但不能利用预留空间来满足隧道建设的工程误差。 综合以上两项，52×（3.0+0.8+0.3）13.2m 救援通道在隧道侧边位置设置贯通的救援通道，用于自救或外部救援，尺寸为1.60m（宽） ×2.20m（高），要求距中心线至少 2.2m。在救援通道位置内包括宽度0.3m的安放设施空间或0.4m的安放开关柜空间。52×（2.2+1.6+0.3）13.2m综合、，隧道最小宽度为9.6m；考虑安全空间及救援空间时，隧道最小宽度为13.2m。4.3 断面方案设计在隧道宽度确定后，即可进行断面设计。断面设计的主要原则是：1.减小高度方向上的富余空间，加大宽度

18、，以增加安全所需的两侧辅助空间；2.形状要有利于结构受力，有利于减少行车阻力。参照德国高速铁路隧道断面设计经验，具体提出九种断面方案（见表2）。表2 断面主要参数方案隧道净空断 面积（）单线断面主要参数救援通道设置阻塞比或双线线间距（m）半径（m）底宽（m）高度（m）11100.094 双 线57.1614.18.83双侧设置21000.1036.8713.28.78双侧设置3900.1146.5912.88.46单侧设置4800.1296.2012.07.79不能设5700.1475.5010.37.70不能设6700.147单 线无/10.07.8双侧设置7600.172/8.87.6双侧

19、设置8500.206/7.67.2单侧设置9400.258/5.67.2不能设考虑到高速铁路隧道设计参数较多，本文是在设计时速为350km/h，微压波的最大值为10kpa，最大瞬变压力临界值控制标准为3kpa/3s的约束条件下结合黄晶岭隧道的工程背景用权衡分析中的加权评分法对上述九种断面进行优化。其计算参数如下： 1. 压力变化最大值和密封指数计算（其结果见表3）表3 压力变化最大值和密封指数计算结果方案约束条件阻塞比密封指数（s）压力变化最大值（kpa/3s）1V350km/hL5kmP3kpa/3s0.09422.7620.10342.8830.1144.32.9240.1294.72.9

20、650.1475.22.9160.14732.8470.1723.32.8380.2064.22.7990.2584.82.83注：V为列车速度，L 为隧道长度, P为最大瞬变压力临界值控制标准。由表3可以看出，隧道净空断面越大，即相应的阻塞比越小，则较小的车辆密封指数即可满足最大瞬变压力临界值控制标准。而较小的净空断面则需要提高车辆密封指数来满足瞬变压力控制标准。但是，高密封性能的车辆的制造和维护不仅在技术上有难度，而且会加大费用。所以压力波动程度是由隧道净空断面和车辆密封指数综合决定的。2. 微压波和缓冲结构的计算（其结果见表4）表4 微压波和缓冲结构计算结果方案约束条件阻塞比微压波（pa

21、）缓冲棚长（m）1V350km/hL5kmQ10pa0.094116.515.320.103124.316.230.114133.817.140.129142.918.250.147156.219.560.147156.219.570.172161.320.680.206177.621.790.258194.223.1注：V为列车速度，L 为隧道长度, Q为微压波的压力最大值。 由表4可以看出，隧道净空断面越大，即相应的阻塞比越小，洞口处微压波就越小，对洞口环境的影响也就越小，则洞口段所需缓冲棚的长度也就越小。较小的微压波较小的环境效应较小的缓冲棚长度较小的缓冲棚造价，由此可以看出，影响断面优

22、化的几个因素是相互联系的。3. 洞内行车阻力的计算（其结果见表5）表5是在列车速度为350km/h，隧道长度为5km的条件下，空气阻力随隧道断面变化的近似计算结果。表5 空气阻力计算结果 方案阻力123456789164.55211.04185.4164.55217.18187.7164.55224.42190.6164.55233.87193.2164.55245.65197.48164.55245.65197.48164.55259.52202.61164.55275.45207.23164.55293.18213.121.281.131.311.141.361.161.421.171.4

23、91.21.491.21.581.231.671.261.781.29注：为列车在明线运行时的空气阻力，为列车在隧道中运行时的最大空气阻力，为列车在隧道中运行时的平均空气阻力。由表5可以看出，高速列车在隧道中运行时的空气阻力阻力比在明线运行时有明显增加，而且随阻塞比的增加而增加，并且增加率越来越大。5 高速铁路隧道断面方案比选结合以上的计算结果，下面从舒适性、经济性、安全性、环境效应以及运营维修等五个方面进行高速铁路隧道断面的权衡分析，采用加权评分法，加权系数的分配体系如图2。双线断面方案的权衡分析见表6，单线断面方案的权衡分析见表7。 0.12压力波动程度 0.18车辆密封程度 0.06 0

24、.15 0.29 经济性 0.08 断面优化舒适性洞口造价断面大小运营及维修行车阻力检修空间安全性密封车辆洞口构造洞口微压波环境效应人防安全施工安全 0.06 0.12 0.20 0.080.080.15 0.07 0.120.18 0.06图2 加权系数的分配体系表6 双线断面方案权衡分析表方案准则方案1方案2方案3方案4方案5加权系数评分评分评分评分评分压力波动程度0.12109.5750车辆密封指数0.08109.587.56断面大小0.154.56.57810洞口造价0.0867.58910密封车辆0.06101087.56施工安全0.104.57.588.510人防安全0.0810107.500洞口微压波0.08109.587.56洞口构造0.0757.58910行车阻力0.12109.587.56.5检修空间0.0610107.500总加权评分（名次）7.355（2）8.45（1）7.21（3）6.55（4）6.1（5） 中选方案（中选方案为方案2）的关键特性： ·压力波动