中南大学隧道工程课件11(高速铁路隧道工程_)

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1、第11章 高速铁路隧道工程 1 本章基本要求： 1、了解高速铁路隧道的发展历史。 2、了解高速铁路隧道存在的主要空气动力学问 题及其影响因素。 3、掌握高速铁路隧道断面设计的一些基本要求。 4、掌握高速铁路隧道减小空气动力学效应的常 规措施。 高速铁路具有高速铁路具有新颖、快速、经济、舒适新颖、快速、经济、舒适的旅行环境，优的旅行环境，优 质的运输服务等特点，从而提高了铁路与其它运输方式竞质的运输服务等特点，从而提高了铁路与其它运输方式竞 争的能力，成为世界铁路旅客运输发展的共同趋势，也是争的能力，成为世界铁路旅客运输发展的共同趋势，也是 铁路技术现代化的标志。铁路技术现代化的标志。 第11章

2、 高速铁路隧道工程概述 轮轨铁路：常用轮轨铁路：常用 高速铁路主要形式高速铁路主要形式 磁悬浮：德国，我国上海磁悬浮：德国，我国上海 管道磁浮：处于研究阶段管道磁浮：处于研究阶段 11.1 11.1 概述概述 19641964年日本铁路新干线的运营（最高时速年日本铁路新干线的运营（最高时速200km/h200km/h），标），标 志着铁路高速技术进入实用化阶段。志着铁路高速技术进入实用化阶段。 19801980年以后，年以后，法国、德国、意大利、西班牙、英国、比利法国、德国、意大利、西班牙、英国、比利 时、瑞士、俄罗斯时、瑞士、俄罗斯等国都先后开始兴建高速铁路，其最高时等国都先后开始兴建高速铁

3、路，其最高时 速已经达到速已经达到300300350km/h350km/h。 目前，日本、法国正在研究和开发时速目前，日本、法国正在研究和开发时速500km500km的超高速铁的超高速铁 路，预计路，预计2121世纪初开通的日本中央新干线就是一例。世纪初开通的日本中央新干线就是一例。 第11章 高速铁路隧道工程概述 高速铁路的发展历史高速铁路的发展历史 高速铁路的发展，必然伴随高速铁路的发展，必然伴随大量隧道工程大量隧道工程的出现，这主的出现，这主 要是因为高速铁路的线路技术标准（平纵断面）要远远高于要是因为高速铁路的线路技术标准（平纵断面）要远远高于 普通铁路。普通铁路。 国外已建的大部分高

4、速铁路隧道所占的比例均较大，如国外已建的大部分高速铁路隧道所占的比例均较大，如 日本山阳线隧道占线路总长的日本山阳线隧道占线路总长的5050。 我国将于近几年兴建的高速铁路包括我国将于近几年兴建的高速铁路包括武广、京沪、郑西武广、京沪、郑西 、石太、京津、合宁、合武、温福、福厦、甬温、石太、京津、合宁、合武、温福、福厦、甬温和和沪汉蓉沪汉蓉大大 通道等十余条线路通道等十余条线路。其中隧道占有相当大的比例。其中隧道占有相当大的比例。 第11章 高速铁路隧道工程概述 当列车进入隧道时，原来占据着空间的空气被排开，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

5、作用使得被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，列车上部形成绕流。于是，列车前方的空气受压缩前方的空气受压缩，列车，列车后后 方则形成一定的负压方则形成一定的负压，从而对运营产生一系列负面影响，从而对运营产生一系列负面影响 的空气动力学效应。的空气动力学效应。 第11章 高速铁路隧道工程空气动力学问题 11.2 11.2 高速铁路隧道空气动力学问题高速铁路隧道空气动力学问题 11.2.1 11.2.1 主要空气动力学效应主要空气动力学效应 （1 1）由于）由于瞬变压

6、力瞬变压力，造成旅客耳膜不适，舒适度降低，并对铁，造成旅客耳膜不适，舒适度降低，并对铁 路员工和车辆产生危害；路员工和车辆产生危害； （2 2）行车阻力加大行车阻力加大，引起对列车动力和能耗的特殊要求；，引起对列车动力和能耗的特殊要求； （3 3）列车风加剧列车风加剧，影响在隧道中待避的作业人员；，影响在隧道中待避的作业人员； （4 4）高速列车进入隧道时，会在隧道出口产生）高速列车进入隧道时，会在隧道出口产生微压波微压波，引起爆，引起爆 破噪声并危及洞口建筑物；破噪声并危及洞口建筑物； （5 5）列车克服阻力所做的功转化为热量，隧道内）列车克服阻力所做的功转化为热量，隧道内温度升高温度升高；

7、 （6 6）产生空气动力学）产生空气动力学噪声噪声问题（与车速的问题（与车速的6 68 8次方成正比）。次方成正比）。 第11章 高速铁路隧道工程空气动力学问题 11.2.2 11.2.2 瞬变压力瞬变压力 瞬变压力瞬变压力：列车从开敞的线路刚进入隧道时，列车周围：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 产生巨大变化称为瞬变压力。产生巨大变化称为瞬变压力。 当瞬变压力由列车外部压力传播到列车内部，再传到人当瞬变压力由列车外部压力传播到列车内部，再传到人 体内时，会使旅客产生生理上的不适体内

8、时，会使旅客产生生理上的不适即即耳膜压感不适耳膜压感不适， 从而大大降低乘客的舒适度。瞬变压力在一定值范围内，人从而大大降低乘客的舒适度。瞬变压力在一定值范围内，人 体不会有明显感觉，超过一定值时，会明显不适。体不会有明显感觉，超过一定值时，会明显不适。 第11章 高速铁路隧道工程空气动力学问题 目前研究表明：目前研究表明： 列车在明线上行驶，车头压力约为列车在明线上行驶，车头压力约为300Pa300Pa，车中压力基本为，车中压力基本为0 0， 车尾压力为负值；车尾压力为负值； 在进入隧道洞口过程中，车头压力急剧上升，车尾压力则出现在进入隧道洞口过程中，车头压力急剧上升，车尾压力则出现 下降；

9、下降； 对于铁路隧道，当列车速度在对于铁路隧道，当列车速度在160km/h160km/h以下时，人体没有明显以下时，人体没有明显 感觉，当行车速度在感觉，当行车速度在200km/h200km/h以上时，会有明显不适感觉。以上时，会有明显不适感觉。 对于地铁区间隧道，当列车速度在对于地铁区间隧道，当列车速度在80km/h80km/h以下时，人体没有明以下时，人体没有明 显感觉，当行车速度在显感觉，当行车速度在120km/h120km/h以上时，会有明显不适感觉。以上时，会有明显不适感觉。 第11章 高速铁路隧道工程空气动力学问题 11.2.2 11.2.2 瞬变压力瞬变压力 瞬变压力的描述：瞬变

10、压力的描述： 1 1、“ “峰对峰峰对峰” ”最大值最大值(P)(P)max max 2 2、最大变化率、最大变化率(dP/dt)(dP/dt)max max 目前通常采用某一指定时间（目前通常采用某一指定时间（3s3s或或4s4s）内压力变化的）内压力变化的“ “峰峰 对峰对峰” ”最大值最大值来描述压力瞬变的程度。来描述压力瞬变的程度。 第11章 高速铁路隧道工程空气动力学问题 11.2.2 11.2.2 瞬变压力瞬变压力 我国高速铁路隧道瞬变压力的建议值我国高速铁路隧道瞬变压力的建议值 第11章 高速铁路隧道工程空气动力学问题 11.2.2 11.2.2 瞬变压力瞬变压力 铁路类型铁路类

11、型 隧道长度隧道长度 （占线路长度的比例）（占线路长度的比例） 隧道密集程度隧道密集程度 （座（座/h/h） 瞬变压力瞬变压力 （kPa/3skPa/3s） A A（平原（平原 ） 单线单线25%或者或者440.80.8 B B（山丘（山丘 ） 双线双线25%25%或者或者441.251.25 11.2.3 11.2.3 微气压波微气压波 第11章 高速铁路隧道工程空气动力学问题 微气压波微气压波：是列车突入隧道时形成的压缩波，在隧道内：是列车突入隧道时形成的压缩波，在隧道内 传播到达传播到达出口出口时向外放射脉冲状的压力波。时向外放射脉冲状的压力波。 在短隧道中，微气压波最大值与在短隧道中，

12、微气压波最大值与速度的速度的3 3次方成正比次方成正比， 与与出口距离成反比出口距离成反比。考虑隧道洞口地形的影响，可近似用。考虑隧道洞口地形的影响，可近似用 下式求出：下式求出： 第11章 高速铁路隧道工程空气动力学问题 在比较长的隧道中，微气压波最大值与在比较长的隧道中，微气压波最大值与壁面状态壁面状态有很有很 大关系。板式道床较大，碎石道床较小。大关系。板式道床较大，碎石道床较小。 11.2.3 11.2.3 微气压波微气压波 我国高速铁路隧道洞口微气压波的控制基准我国高速铁路隧道洞口微气压波的控制基准 第11章 高速铁路隧道工程空气动力学问题 11.2.3 11.2.3 微气压波微气压

13、波 条件条件微压波峰值微压波峰值p pmax max 日本日本DBDB京沪暂规京沪暂规 洞口有洞口有 建筑物建筑物 建筑物无特建筑物无特 殊环境要求殊环境要求 建筑物处建筑物处 p p maxmax20Pa 20Pa 建筑物无特建筑物无特 殊环境要求殊环境要求 建筑物处建筑物处 p p maxmax20Pa 20Pa 建筑物有特建筑物有特 殊环境要求殊环境要求 按要求按要求按要求按要求 洞口无建筑物洞口无建筑物 （或住宅距洞口大于（或住宅距洞口大于 50m50m） 距洞口距洞口20m20m 处处p pmax max50Pa 50Pa 建筑物有特建筑物有特 殊环境要求殊环境要求 距洞口距洞口20

14、m20m 处处p pmax max50Pa 50Pa 建筑物无特建筑物无特 殊环境要求殊环境要求 不设不设 高速铁路隧道的设计特点主要体现在高速铁路隧道的设计特点主要体现在隧道横断面隧道横断面的设的设 计上。其横断面面积除了通常要考虑的隧道建筑限界和计上。其横断面面积除了通常要考虑的隧道建筑限界和 列车运营要求外，还必须考虑满足列车列车运营要求外，还必须考虑满足列车隧道空气动力隧道空气动力 学的要求。学的要求。 根据我国高速铁路隧道的暂行规定，要满足最大瞬变根据我国高速铁路隧道的暂行规定，要满足最大瞬变 压力控制标准值压力控制标准值3.0kPa/3s3.0kPa/3s的要求。的要求。 第11章

15、 高速铁路隧道工程高速铁路隧道横断面 11.3 11.3 高速铁路隧道的横断面高速铁路隧道的横断面 11.3.1 11.3.1 堵塞比堵塞比 即列车横断面积与隧道横断面积的比值。这里的隧道横即列车横断面积与隧道横断面积的比值。这里的隧道横 断面积，通常是指轨道面以上的断面积。断面积，通常是指轨道面以上的断面积。 一些国家高速铁路隧道的基本参数 国 家法 国德 国意大利日 本西班牙 列车最高速度 (km/h) 270250250300220240300 列车横断面积( ) 1011-39.712.612.610 隧道横断面积( ) 718253.87660.563.875 堵 塞 比0.130.

16、150.130.180.130.210.220.200.210.13 线间距(m)4.24.74.011-04.24.34.54.7 我国高速铁路隧道堵塞比暂定为0.100.12。 第11章 高速铁路隧道工程高速铁路隧道横断面 高速铁路隧道高速铁路隧道横断面设计横断面设计除了通常要考虑的隧道建除了通常要考虑的隧道建 筑限界和列车运营安全要求（如筑限界和列车运营安全要求（如检查道、避难路及通风检查道、避难路及通风 、照明、通讯等设施的空间需求）、照明、通讯等设施的空间需求）外，还必须考虑满足外，还必须考虑满足 列车列车隧道隧道空气动力学空气动力学的要求。的要求。 11.3.2 11.3.2 隧道横断面隧道横断面 第11章 高速铁路隧道工程高速铁路隧道横断面 隧道建筑限界； 线路数量； 线间距； 应预留的空间，如安全空间、避难和救援空间、线