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。

列车进洞时的压力随时间变化曲线
相对于普通端墙式洞门，帽檐正切式洞门压力开始增大
的时间提前了。
列车进洞时的压力变化梯度
相对于普通端墙式洞门，帽檐正切式洞门压力梯度明 显降低，且速度越高，压力梯度降低的越多。
3 台湾缓冲洞门形式 台湾对隧道洞口缓冲段采取有顶面开口的扩大断面正切形式。 隧道横断面是影响隧道空气动力学效应的重要因素之一，可以想 象当隧道横断面足够大时，就不会存在空气动力学效应，当然这样做 的成本是令人无法接受的。洞口扩大断面的设置使列车周围的空间实 现阶梯形变化，增加了压缩波的时间和压力变化的时间历程，瞬变压 力曲线变得平缓，同时出口处的微压波也降低了。另一方面，缓冲段 开天窗为列车进入隧道时形成的压缩空气提供了一条出逃通道，而且
ERRI和UIC采用的舒适度准则
目前，我国在高速铁路隧道设计时， 从经济、技术的合理性出发，采用的舒适
度准则为3kPa/3s；从而降低对车辆密封
性的要求。
扩大断面尺寸 根据我国不同的行车 速度目标值和运行列车的限界，
考虑空气动力学效应等各种情况，拟定下列隧道净空有效 面积标准。
扩大断面尺寸
扩大断面尺寸
车辆结构的气动荷载
隧道口环境 牵引计算 限坡 隧道中设备安全
列车风
空气动压
高速列车运行引起的问题有： 1．由于瞬变压力造成旅客及乘务人员耳膜不适，舒适度
降低，并对铁路员工和车辆产生危害；
2．高速列车进入隧道时，会在隧道出口产生微压波，发 出轰鸣声，使附近房屋门窗嘎嘎啦作响，引起扰民问题； 3．行车阻力增大。它运营能耗增大，并要求机车动力增 大； 4．形成空气动力学噪声（与车速的6-8次方成正比）； 5．列车风加剧，影响隧道维修养护人员的正常作业； 6．机车车体的形式与隧道断面间的相关动力学特性等。

摘
要 ：高速 列车进入 隧道后将 产生一 系列 的空气动力 学效应 ，其 中隧道 出 口的微压 波效应 对
人类环境 的危 害性 较大。影响微压 波的 因素主要有 ：列车进入 隧道 的速 度 、隧道 的 阻塞 比、隧道 长 度 、隧道 内部 条件 和隧道 出 口地形 等。采用数值模拟 方法 ，深入研 究 了隧道 出口地 形对微 压波的影
就产生 了一个 压力 波 动过程 。这种 压 力波 动 又 以声
隧道长度 、隧 道 内部 条件 （ 如轨 道结 构 ，道 床 和衬
砌 表面类型 ，有无减缓措施 等 ）和隧道出 口地 形等 。 同时列车头部 形状 、长细 比对 隧道 出 口微压 波也 有
较 明显的影响 。 国 内针对 隧道 长度 、阻塞 比、列 车 速度 等对 微
Ｏ 引 言
微 压波 的因素主要 有 ：列车 进入 隧道 的速 度 、隧道 的阻塞 比 （ 即列 车横断 面积和 隧道横 断 面积之 比） 、
对 于时速 ２ ０ ０ ｋ ｍ 以上 的客运专线 铁路 ，高速列
车通过 隧道时 ，将 在 隧道 内引起 一 系列 空气 动力 效
应 ，其 中 ，最 主要 的是 隧道 内压 力 波和 隧道 出 口微 压波 。前 者直接影 响列 车 上人 员 的舒 适 和健康 ，后 者影 响隧道出 口周边 的环境 ¨ Ｊ 。 微压 波是 在列 车进入 隧 道所 形成 的压 缩 波在 传 播过程 中 ，遇 到 突然扩 大 的空 间 ，产 生 了能 量散 射 所形成 的一种 微 气压 波 ，其表 现 形式 为 空气 振 动和 噪声 。微压波 的特性 与 隧道 内产 生 的压缩 波 直接 相 关 。当列 车进 入 隧道 时 ，原先 占据着 空 间 的空气 被 排开 。空气 的粘 性 以及 隧道壁 面 和列 车表 面 的摩 擦 阻力作用 ，使被 排 开的空 气不 能像 在 隧道 外 那样 及 时 、顺畅地沿列 车 两侧 和 上部 形成 绕 流。列 车前 方 的空气受 到压缩 ，列车 后方 则形 成 一定 的负压 ，这

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)。

高速铁路的特点
• 正点率高----由于高速铁路系统设备的可靠 性和较高的运输组织水平，可以做到旅客 列车极高的正点率，尤其是在日本。 • 舒适方便----高速铁路列车车内的工作、生 活设施齐全，座席宽敞舒适，行走性能好， 运行非常平稳。 • 能源消耗低----高速列车利用电力牵引，不 消耗宝贵的石油等液体燃料。 • 环境影响轻----由于高速列车主要靠电力牵 引，不会对环境产生较大影响。
高速铁路安全影响因素
• • • • • • • 路基的建设 供电系统 通信系统 隧道的建设 高速铁路的轨道 高速铁路的道岔 自然因素
一、路基的建设
• 路基的概念 所谓路基，就是经开挖或填筑而形成 的土木构筑物，与桥涵、隧道连接组成贯 通坚实的轨道基础。路基的好坏决定着高 速铁路的整体性能。在路基建设中，控制 变形是最为关键的一步。
高铁安全的影响因素
----罗翔
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
高速铁路的概念
高速铁路，简称“高铁”，是指通过改造 原有线路（直线化、轨距标准化），使最 高营运速率达到不小于每小时200公里，或 者专门修建新的“高速新线”，使营运速率达 到每小时至少250公里的铁路系统。
高速铁路的特点
• 载客量高----由于高速铁路的班次安排可较 为频密，其总载客量亦远高于民航。 • 输送能力大----目前各国高速铁路几乎都能 满足最小行车间隔时间4分钟及其以下的要 求，输送能力大大提高。 • 速度快----法国、日本、德国、西班牙和意 大利高速列车的最高运行时速分别达到了 300公里、300公里、280公里、270公里和 250公里。 • 安全性好----高速铁路被认为是最安全的交 通工具。
四、隧道的建设
• 空气动力学效应对高速铁路运营的影响 1、由于瞬变压力造成乘员耳朵不适，乘车 舒适度降低，并对车辆产生危害。 2、当高速列车进入隧道时，会在隧道出口 产生微压波，引起爆破噪声并危及洞口建 筑物。 3、行车阻力加大，引起对列车动力和总能 量消耗的特殊要求。 4、产生空气动力学噪声

4
14.高速铁路隧道洞门、缓冲结构基础必须置于稳固的地基上，土质地基时，埋 入深度不小于 1.0m，并应在冻结线以下（）。 A、0.25m B、0.35m C、0.5m D、1m 答案：A 15.桥涵限高防护架应重点检查以下内容：状态是否良好，是否缺少、变形和损 坏；限高标志是否（），标识是否准确。 A、齐全完好 B、有监控 C、速度符合要求 D、字体工整 答案：A 16.《高速铁路防护栅栏管理办法》要求，（）应建立钥匙的领取交回制度和管 理细则，严格管理。 A、工区 B、车间 C、工务段 D、集团公司 答案：D 17.CRTSⅠ型板式道床结构由轨道板、水泥乳化沥青砂浆充填层、混凝土底座、 （）及其周围填充树脂等部分组成。
15
D、翻斗车 答案：A 51.我国高速铁路 300～350km/h 等级的采用（）级列控系统，由车载设备（ATP） 和地面设备组成。 A、CTCS-1 B、CTCS-2 C、CTCS-3 D、CTCS-4 答案：C 52.高速铁路防护栅栏钢筋混凝土立柱设计使用年限 30 年，金属网片设计使用年 限（）年，刺绳设计使用年限 8～10 年。 A、10 B、15 C、20 D、25 答案：B 53.防护栅栏的设备管理由工务部门负责，治安管理由（）负责。 A、供电部门 B、房建部门 C、铁路公安部门 D、车务部门 答案：C
1
答案：A 4.实体无铰拱桥洪水期无大漂流物时，检定洪水位到拱顶净空高度不应小于拱矢 高的（）。 A、1/2 B、1/3 C、1/4 D、1/5 答案：C 5.CRTSⅡ型板式无砟轨道结构为避免端刺受力对桥台产生影响，锚固的主端刺一 般设在离桥台约（）以外的地方。 A、50m B、70m C、80m D、100m 答案：A 6.桥下防护栅栏中金属网片栅栏适用于城镇、村庄等人员稠密高架桥下，采用 1. 8m 高钢筋混凝土立柱，间距（），金属网片网格间距不大于 75×150mm，金属网 片采用防盗螺栓与立柱联结。 A、2m B、2.5m C、3m D、3.5m 答案：C

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。

2 . 3 . 7 微压波和隧道长度的关系 比较短的隧道 ( 小于 1 km ) 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。 2 . 4 空气动力学效应对高速铁路运营的影响 ! 由于瞬变压力造成乘员舒适度降低 , 并对车辆 产生危害。 ∀ 微压波引起爆破噪声并危及洞口建筑物。 # 行车阻力加大。 ∃空气动力学噪声。 ∋ 列车风加剧。 2 . 5 高速铁路隧道空气动力学效应的影响因素 2 . 5 . 1 机车车辆方面 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。 2 . 5 . 2 隧道方面 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。 2 . 5 . 3 其它方面 列车在隧道中的交会等。 2 . 6 主要设计措施 缓解或消减列车进入隧道诱发的空气动力学效应 的主要设计措施是: 在列车相关参数一定的条件下 , 适 当加大隧道内轨顶面以上净空面积 ( 减小阻塞比 ), 优 化断面形状和尺寸, 在洞口修建缓冲结构 , 利用辅助坑 道等。 2 . 6 . 1 隧道断面内轮廓 隧道断面内轮廓主要根据下列条件确定: ! 隧道净空横断面面积应满足空气动力学效应影 响标准 ; ∀ 满足铁路建筑接近限界要求 , 双线隧道还应满
2 a
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 3 s 内最大压力变化值或 4 s 内 最大压力变化值。 所谓 3 s或 4 s大致相当于完成耳腔压力调节所需 的时间。 2 . 2 列车进入隧道引起的行车阻力 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。 ∀ 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。 2 . 2 . 1 隧道条件对空气阻力的影响 ( 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 3 k m 以后 , 空气阻力已变化不大; 而 对于 = 0 . 42 的隧道在长度超过 10 km 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 = 250 km / h 为例 , 从 0. 15 增加 到 0. 20 时 , 空 气阻力将增加工 13% 。而当 从 0 . 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 2 以 S = 100m 、 = 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 3 000m ) 。 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 2 很大。以设在隧道中断面积为 5 m 的竖井为例, 当 = 0 . 42 时, 空气阻力减小 7 %, 当 力仅降低 1 . 2 %。 2 . 3 列车进入隧道引起的微压波 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。 2 . 3 . 1 国外有关国家的研究及应用情况简介 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 = 0. 15 时 , 空气阻

高速列车行驶引起的空气动力学效应高铁是现代交通工具中的一种。

它体积小、速度快、安全、舒适、经济，能够节约时间和成本，使人们出行更加便捷。

但是，高速列车行驶时会产生大量空气动力学效应，这些效应为列车运行带来了一定的影响。

空气阻力是列车行驶时产生的主要力量之一。

列车在行驶中，空气纹流会对车体产生分离，产生锋利的边缘，这些宏观的涡流会形成躁动性的细小涡滞流，阻力也就由此产生。

阻力的大小取决于列车速度、车型和空气密度等因素。

空气动力学效应影响列车速度和稳定性。

列车行驶时，它所受到的空气力与速度有关，速度越大，阻力越大，列车减速越快。

当列车行驶速度超过临界值时，列车所受到的空气力会与轮轨粘着力相当，造成车辆出轨风险。

为了防止这种情况的发生，在高铁的设计中会考虑加装空气动力学安全系统，强化列车稳定性和安全性。

空气动力学效应还会降低列车内部舒适度。

列车行驶时，空气阻力会使空气流动失稳，形成噪音、振动和冲击波等影响，这些
都给乘客带来一定的不适感，尤其是在高速列车行驶时，乘客可能会感受到更加强烈的影响。

因此，在高速列车设计中，应当充分考虑空气动力学效应。

设计时应该遵循优化气动力外形和平滑表面的原则，减少阻力和噪声，加强车体稳定。

同时，要加强故障检测和安全防范，避免出现行驶不稳定和出轨事故的发生。

总之，高速列车作为当今世界上的一种现代交通工具，与其发展紧密相关的空气动力学效应不容忽视。

任何列车制造商都必须要在确保行驶速度和稳定性的同时，保证列车内部环境的舒适和安全。

在这方面，空气动力学效应应该得到更多的研究和关注，以更好地推动高速列车的发展。

我国高速铁路主要技术特点中国铁道科学研究院研发中心徐鹤寿速度是铁路运输现代化的重要标志之一。

自1964年日本成功建成世界第一条高速铁路——东海道新干线以来，高速铁路以其速度快、运能大、效益高、全天候、节能、环保、安全等显著特点，在世界各国得到迅速发展。

我国高速铁路的主要技术特点由于各国发展高速铁路的国情、路情不同，运输模式不同，故采用的技术和装备也不同，运营管理和养护维修方式也有不同。

我国具有国土辽阔、人口众多、铁路客货运输繁忙等不同于国外的特点，因此在充分借鉴国外高速铁路先进技术的基础上，结合我国的实际，逐步形成了具有中国特色的高速铁路技术体系。

其特点是：满足高速度、高密度、大运量、长距离、高舒适性及多种运输组织形式需求；兼容不同速度等级的列车，配备多种编组形式的动力分散型动车组；采用高平顺性、高稳定性、高耐久性且少维修的基础设施；建立智能化的调度指挥系统、列车自动控制系统及信息化的运营管理系统；高度重视环境保护，追求高安全性、高可靠性及低运营成本。

高速铁路系统主要由工务工程、牵引供电、通信信号、动车组、运营调度、客运服务等6大系统构成。

我国高速铁路各系统的主要特点如下。

2.1 工务工程技术特点为保证高速列车能够长期、持续地安全、平稳的运行，要求线下基础具有高平顺性、高稳定性、高精度、小变形、少维修等特点。

线下基础的这些技术特点是高速铁路有别于中低速铁路的最主要之点，需要从线路平纵断面、路基、轨道、桥梁、隧道等各方面选用必要的技术标准和措施加以保证。

2.1.1 线路为保证高速列车的运行安全、平稳和旅客的舒适度，线路设计的主要特点是平、纵断面变化应尽可能平缓，并具有一个宽大封闭的运行空间。

为此增大了线间距、曲线半径、缓和曲线及夹直线的长度及坡段长度等。

（1）建筑限界建筑限界是铁路的基本技术标准之一，与运输模式和车辆、桥隧、站台、接触网等设备设施的设计密切相关。

建筑限界一般分为基本建筑限界、桥梁建筑限界、隧道建筑限界；根据牵引种类，又分电力牵引铁路、内燃牵引铁路的建筑限界等。

1、由高速列车进入隧道诱发的空气动力学效应是如何产生的？对隧道有何影响？答：当列车进入隧道时，原来占据着空间的空气被排开，空气的粘性以及隧道壁面和列车表面的摩阻作用使得被排开的空气不像隧道外那样及时、顺畅地沿列车两侧和上部形成绕流。

于是，列车前方的空气受压缩，列车后方则形成一定的负压，这就产生一个压力波动过程。

这种压力波动又以声速传播至隧道口，形成反射波，回传、叠加，诱发对运营产生一系列负面影响的空气动力学效应。

主要有下列影响：（1）由于瞬变压力，造成旅客不适，并对铁路员工和车辆产生危害；（2）行车阻力加大，引起对列车动力和能耗的特殊要求；（3）列车风加剧，影响在隧道中待避的作业人员；（4）高速列车进入隧道时，会在隧道出口产生微压波，引起爆破噪声并危及洞口建筑物；（5）隧道内热量积聚，产生空气动力学噪声等。

2、高速列车通过隧道是会产生是瞬变压力，什么是瞬变压力？影响瞬变压力的因素有哪些？答：高速列车通过隧道时的就好比活塞在管道中向前推进，会产生一系列的压力波动，尤其是列车从开敞的线路刚进入隧道时，列车周围的空气压力由于突然受到隧道有限空间的约束而在短时间内产生巨大变化，这种空气压力变化现象称为瞬变压力。

影响瞬变压力变化的各种因素有：列车的速度；列车的横断面积；列车的长度；列车头部的形状；列车外表的形状和粗糙度；隧道的横断面积；隧道长度；隧道壁的粗糙度，隧道横断面的突变性；交会两列车进入隧道口的时间差等。

3、减少高铁隧道空气动力效应的工程对策有哪些？答：（1）扩大隧道断面和减小阻塞比；（2）改变隧道入口型式；（3）设置通风竖井（4）修建平行辅助隧道（5）洞内设施尽量隐蔽设置，使隧道表面平整光滑；（6）改善轨道结构，提高洞内列车运行的稳定性和舒适度；（7）使机车具良好的空气动力学特性的形状。

4、什么是堵塞比，我国高铁暂定的堵塞比是多少？我国高铁隧道净空断面积是如何规定的？答：堵塞比即列车横断面积与隧道横断面积的比值。

读书报告高速铁路隧道技术发展现状存在问题及其展望目录一、我国遂道及地下工程的发展现状 (1)1.1 交通隧道 (1)1.2 水利水电隧洞 (2)1.3 地下工程 (2)二、我国隧道及地下工程的主要开挖方法及新技术 (2)三、当前国内铁路隧道施工主要存在技术问题 (3)3.1 爆破精细控制技术 (3)3.2 改进开挖技术 (3)3.3 机制砂喷混凝土湿喷工艺 (4)3.4 仰拱与掌子面进度的协调性 (4)3.5 隧道沟槽施工工艺 (4)3.6 通风及空气净化技术 (5)四、贵广铁路建设实例 (6)五、我国隧道及地下工程的发展前景 (7)5.1 隧道发展前景 (7)六、高速铁路隧道的研究几个热点问题 (8)6.1 高速铁路隧道的空气动力学效应 (8)6.2 高速铁路隧道的瞬变压力 (9)6.3 高速铁路隧道的微压波 (9)高速铁路隧道技术发展现状，存在问题及其展望自1978年我国改革开放以来，我国在交通、水利水电、市政等基础设施领域取得了令人瞩目的成就，特别是近十年来，更取得了突飞猛进的发展，同时在设计和施工技术水平上也有了很大提高。

但是由于我国东西高差大、地势复杂，隧道工程是铁路工程中不可缺少的重要项目，例如最近刚开通的兰新高铁，隧道比例达到60%以上。

我国大力发展高速铁路，列车运行速度的提高势必造成列车振动荷载进一步加大，从而对隧道结构的动力稳定性提了更高的要求。

伴随着铁路的出现和发展，铁路隧道也逐渐发展起来，但受制于技术条件的限制，在很长的时间内，铁路隧道的规模都很有限，直到20 世纪，随着人类科技水平和技术装备的进步，才开始出现了一些大型隧道，世界铁路隧道的世界记录也不断被更新。

我国高速铁路已进入实质性的建设阶段，全国各铁路干线列车提速正在进行之中。

一、我国遂道及地下工程的发展现状1.1 交通隧道交通隧道主要包括铁路隧道、公路隧道及城市地铁工程，铁路隧道目前在数量、长度、设计及施工技术上在我国处于领先地位，截至1997年，在我国的铁路线上已建成并正式交付运营的隧道大约5200座，总长度2457.89km，平均占铁路网总长度的4.7‰。

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0.3d
16
随着现代计算机技术和数值计算方法的不断发展，各国 学者对高速列车进入隧道所诱发的空气动力学现象已经 从一维数值模拟上升到二维和三维数值模拟。S.Aita等 人采用三维可压缩等熵欧拉方程进行了隧道单车压力波 数值模拟。国内采用了非定常的三维可压缩不等熵的 Navier-Stokes方程进行了计算，获得了非常好的结果。
2.5
3
-2000
-3000 时间（s）
25
26
5.3、削减压缩波及噪声的各种方案的研究
微压波问题主要发生在日本的新干线隧道上，在七十年代末，由 于最初的隧道断面较小（60.5-63.4m2），阻塞比（列车断面与 隧道断面的比值）大于0.2，在列车提速到200km/h后，出现了较 明显的空气噪声问题，由于隧道已经建成，无法扩大断面，于是 就提出了多种修建附属构筑物的改造措施。
2：…………….. D 89 .0mm ， (D / d ) 2 2.0 ；
3：…………….. D 99 .6mm ，(D / d )2 2.5 ；
32
缓冲结构降低微气压波的效果
1
与微气压波最大值之比
0.5
L11 L21
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L21 L32
L22
L31 L33 L32
0
0
0.5
微气压波（micro compression wave） 高速列车进入隧道产生的压缩波以声速传播到隧道出口时，一部 分压缩波以膨胀波的形式反射回隧道，另一部分压缩波以球面波 的形式向隧道外空间辐射出去，并伴有爆炸声，造成对周围环境 的污染。辐射出去的压力脉冲波形状为尖三角形，三角形的高度 （压力脉冲的最大值）与列车速度的三次方成正比，与距离隧道 出口处的外部距离成反比。

高速铁路隧道内的列车空气动力学问题高速铁路隧道的特点隧道是高速铁路基础设施的又一重要组成部分。

随着高速铁路的发展，隧道在高速铁路上大量的出现。

在日本新干线的建设中，就修建了相当可观的隧道工程，如北陆1新干线轻井-长野段，长83.6km，隧道长36.8km （占44%）；东北新干线宫内-八户段，长60.0km，隧道长51.5km（占85%）；九州新干线八代-西鹿儿岛段，长125.2km，隧道长87.7km（占70%）。

1高速铁路隧道的特点高速铁路隧道的特点高速铁路隧道与普通铁路隧道最大的区别：Ø当列车高速通过隧道时，产生的空气动力学效应对行车、旅客舒适度、列车相关性能和洞口环境的不利影响十分明显。

Ø高速铁路隧道对于防排水标准、防灾救援和耐久性等方面也有较高的要求。

1、高速铁路隧道的列车空气动力学问题2、减小空气动力效应的主要工程措施1、高速铁路隧道的列车空气动力学问题 表现在三个方面：u瞬变压力u洞口微气压波u行车阻力高速铁路隧道列车空气动力效应及工程措施带来主要问题有：①由于瞬变压力的变化造成旅客和乘务人员的耳膜压感不适，舒适度降低，对铁路员工与车辆产生危害。

②高速列车进入隧道时，会在隧道出口处产生微气压波，发出轰鸣声，引发附近居民的房屋震动，影响居民正常生活。

③高速列车通过隧道时，行车阻力变大，使运营能耗变大，并要求列车动力增大。

④车速增加，形成空气动力噪声。

⑤列车风加剧，影响隧道养护维修人员的正常工作。

高速铁路隧道列车空气动力效应及工程措施高速铁路在隧道的运行舒适度标准从旅客舒适度的要求出发，当瞬变压力超出一定限值时旅客就会有不舒适感，最大瞬变压力的临界值控制值标准一般可取不大于3.0KPa/3s，即每3s内压力最大变化值在3KPa以内。

高速铁路在隧道的运行舒适度标准铁路类型隧道长度（占线路长度的比率）关系隧道密集程度/（座/h）瞬变压力/（kpa/3 s）A（平原）单线<10%而且<4 2.0B（平原）双线<10%而且<4 3.0C（山丘）单线>2.5%或者>40.8D（山丘）双线>2.5%或者>4 1.25我国高速铁路舒适度准则建议值高速铁路隧道列车空气动力效应及工程措施高速铁路隧道列车空气动力效应及工程措施2、减小空气动力效应的主要工程措施Ø 扩大隧道断面Ø 改变隧道入口型式Ø 设置通风竖井Ø 修建平行辅助隧道①扩大隧道断面隧道的横断面由堵塞比决定，隧道断面阻塞比计算公式为:（其中 为列车横截面面积； 为隧道净空断面积。