高速列车进入隧道后产生的空气动力学效应对隧道附属物影响是一个非常复杂的问题

隧道横断面设计一、铁路隧道横断面设计（一）直线隧道净空隧道净空是指隧道衬砌的内轮廓线所包围的空间，根据隧道建筑限界确定。

隧道建筑限界是为了保证隧道内各种交通的正常运行与安全，而规定在一定宽度和高度范围内不得有任何障碍物的空间范围。

1.机车车辆限界机车车辆限界指机车车辆最外轮廓的限界尺寸。

该限界要求所有在线路上行驶的机车车辆停在平坡直线上时，车体所有部分都必须容纳在此限界范围内而不得超越。

“机车车辆限界”能满足各种型号的机车和车辆在横断面尺寸上的最大需要。

2.基本建筑限界基本建筑限界指线路上各种建筑物和设备均不得侵入的轮廓线，用以保证机车车辆的安全运行以及建筑物和设备不受损害。

3.隧道建筑限界（1）常速铁路隧道建筑限界。

它是指包围“基本建筑限界”外部的轮廓线，即在“基本建筑限界”的基础上，留出少许空间，用于安装通信信号、照明、电力等设备。

对于速度120 km/h的新建和改建的内燃机车牵引的单线和双线铁路隧道，采用“隧限-1A”和“隧限-1B”，如图2-17所示。

新建和改建的电力机车牵引的单线和双线铁路隧道，采用“隧限-2A”和“隧限-2B”，如图2-18所示。

图2-17 蒸汽及内燃牵引的单线、双线隧道限界（单位：mm）图2-18 电力牵引的单线、双线隧道限界（单位：mm）（2）高速铁路隧道建筑限界。

我国高速铁路隧道建筑限界分为200 km/h客货共线、200 km/h及以上客运专线、200 km/h客货共线双层集装箱运输三种，如图2-19～图2-21所示。

图2-19 200 km/h客货共线电力牵引铁路KH-200桥隧建筑限界（单位：mm）图2-20 200 km/h及以上客运专线铁路建筑接近限界（单位：mm）图2-21 200 km/h客货共线电力牵引铁路双层集装箱运输隧道建筑限界（单位：mm）4.直线隧道净空（1）常速铁路隧道净空。

“直线隧道净空”要比“隧道建筑限界”稍大一些，它除了满足限界要求外，还考虑避让等安全空间、救援通道及技术作业空间，还考虑了在不同的围岩压力作用下，衬砌结构的合理受力形状（拱部采用三心圆，边墙采用直墙式或曲墙式）以及施工方便等因素。

1、隧道纵断面是隧道中心线展直后在垂直面上的投影。

纵断面设计主要包括隧道内线路的坡道形式、坡度大小和折减、坡段长度和坡段间的衔接等内容。

2、隧道处于岩层之中，除了地质有变化以外，线路走向不受任何限制，不必采用复杂多变的坡道形式。

隧道设计中一般采用的坡道形式有单面坡和人字坡。

3、铁路隧道对于行车来说线路的坡度以平坡为最好。

但是，天然地形是起伏不定的，为了能适应天然地形的形状以减少工程数量，只好随着地形的变化设置与之相适应的线路坡度。

请问隧道设计中允许采用的最大坡度与哪些因素有关，并给出计算公式。

答：与线路等级规定的限制最大坡度、曲线阻力折算的坡度当量、隧道内线路的坡度折减系数有关。

计算式为：曲限允i mi i -=式中：m 为隧道内线路的坡度折减系数；限i 为按照线路等级规定的限制最大坡度；曲i 为曲线阻力折算的坡度当量。

4、隧道纵断面的设计中，除了最大坡度的限制以外，还要限制最小坡度，因为隧道内的水全靠排水沟向外排出。

《铁路隧道设计规范》（TB10003-2005）规定，隧道内线路不得设置平坡，最小的允许坡度不宜小于3‰。

5、隧道净空是指隧道衬砌的内轮廓所包围的空间。

铁路隧道净空是根据“隧道建筑限界”确定的，而“隧道建筑限界”是根据“基本建筑限界”制定的，“基本建筑限界”又是根据“机车车辆限界”制定的。

6、高速铁路隧道净空有效面积，即隧道衬砌内轮廓内轨顶面以上的净空断面积，是综合考虑隧道建筑限界、线间距、隧道设备空间、列车空气动力学效应、运营养护需要等因素确定的。

7、公路隧道的净空除包括公路建筑限界以外，还包括通风管道、照明设备、防灾设备、监控设备、运行管理设备等附属设备所需要的空间以及富余量和施工允许误差等。

8、隧道的构造、形状和尺寸因其用途、地形、地质、施工和结构性能等条件的差异而不同。

根据构筑方式的不同，可以把隧道结构分成以下五种：喷锚衬砌、模筑混凝土衬砌、预制拼装衬砌、挤压混凝土衬砌和复合衬砌。

第1章隧道工程勘测设计1.隧道选址与线路选线有什么关系？2.确定洞口位置的原则是什么？请解释其工程含义。

3.在按地质条件选择隧道位置时，所需要的地质资料有哪些？如何考虑地形条件对隧道位置的影响？第2章隧道主体建筑结构1.某新建铁路非电化曲线隧道，已知圆曲线半径R＝1200m，缓和曲线长l=50m,远期行车速度V=160km/h，隧道里程为：进口DK150+310；出口DK150+810；ZH点DK150+320；YH点DK151+000。

试求：各段加宽值与隧道中线偏移值。

要求按教材P32图2-7所示，表示清楚，并注明不同加宽的分段里程。

( 注：超高值以0.5cm取整，最大采用15cm；加宽值取为10cm的整数倍；偏移值取至小数点后2位）2. 为什么说台阶式洞门能降低边仰坡开挖高度？第3章隧道附属建筑1.什么是避车洞？避车洞的设置间距是多少？在布置避车洞时应该避开哪些地方？2.营运隧道的通风方式有哪些？什么是风流中性点？它与通风方式的关系怎样？3.为什么公路隧道要设置不同的照明亮度段？它们各自的作用是什么？第4章隧道围岩分类与围岩压力1.影响围岩稳定性的主要因素有哪些？围岩分级主要考虑什么因素？围岩分级的基本要素是哪几种？我国铁路隧道围岩分级主要考虑哪些因素？已知某隧道所处围岩节理发育，Rb＝26MPa，试问这是属于哪一级围岩？2. 某隧道内空净宽6.4m，净高8m，Ⅳ级围岩。

已知：围岩容重γ＝20KN/m3，围岩似摩擦角φ＝530，摩擦角θ＝300，试求埋深为3m、7m，15m处的围岩压力。

第5章隧道衬砌结构计算1.已知作用在衬砌基底面上的轴力N=870KN，弯矩M=43.5KN.m,墙底厚度h=0.6m，围岩抗力系数为150MPa/m。

试求墙底中心的下沉量及墙底发生的转角。

2. 什么情况下将围岩抗力弹簧径向设置？试推导径向设置的围岩抗力单元刚度矩阵。

(注：抗力方向以挤压围岩为正)3.一对称等厚平拱，衬砌厚度为50 cm，已知内力如图示，墙底抗力系数Kd=350 MPa/m,请求出墙底中心水平位移、垂直位移以及墙底截面转角(注：图中1、2、3为截面编号)。

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）“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）。

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40～530米，相对高差约50～400米。

自然坡度多为20～50°,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。

火车过隧道的物理问题
运行火车过隧道时, 物理现象有:
1. 热力学力学：在火车行驶进入隧道时, 其流动的热量和空气会产生压力差。

当空气温度和湿度较低时，空气就会快速移动, 加速火车的行驶速度。

2. 声学力学：火车在进入隧道时, 空气会受到隧道壁面的阻力, 从而产生声波。

声波会在空气中传播, 使声音在隧道中变得更加混乱和嘈杂。

3. 振动力学：火车的运动造成的振动传播到周围的隧道壁上, 隧道壁的反振力会回馈给火车, 导致火车显示出独特的振动行为。

4. 动力学：当火车进入隧道时, 地面的重力和空气的阻力都会对火车有影响, 从而影响火车的运动速度和运动性能。