第八节　高速铁路隧道简介

国际铁路联盟（UIC）对高速铁路的定义：高速铁路是指通过改造原有线路（直线化、轨距标准化），使营运速率达到200km/h以上，或者专门修建新的“高速新线”，使营运速率达到250km/h以上的铁路系统。

高速铁路行车速度高，对基础设施建设标准要求高，线路曲线半径要求大，因而建设高速铁路必然会出现大量的隧道工程。

一、高速铁路隧道特点

（一）高速铁路隧道分类

高速铁路隧道的长度等级可按下列规定划分：长度在500m及以下为短隧道，长度在500m以上至3000m为中长隧道，长度在3000m以上至10000m为长隧道，长度在10000m以上为特长隧道。

（二）高速列车在隧道内运行引起的空气动力学效应问题

高速列车进入隧道后将隧道内原有的部分空气排开，由于空气黏性和隧道内壁、列车外表面摩阻力的存在，被排开的空气不能像露天线路空气那样及时、顺畅地沿列车周侧形成绕流，列车前方的空气受到压缩，而列车尾部进入隧道后会形成一定的负压，因此产生了压力波动过程。这种压力波动以声速传播至隧道口，大部分发生反射，产生瞬变压力；而另一部分则形成向隧道外的脉冲状压力波辐射，即微气压波。这些都会对高速列车运营、人员舒适度和环境造成一系列影响：

（1）高速列车经过隧道时，瞬变压力使旅客和乘务人员耳膜明显不适，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气压波，发出轰鸣声，使隧道口附近建筑物门窗发生振动，产生扰民的环境问题。

（3）行车阻力增大，从而使运营能耗增大，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）列车克服阻力所做的功转化为热量，在隧道中积聚引起温度升高等。

因此，在高速铁路设计时，应从车辆及隧道两方面采取措施，以减缓空气动力学效应。

（三）高速铁路隧道的特点

（1）高速铁路隧道不同于一般的铁路隧道，当高速列车在隧道中运行时要遇到空气动力学问题，主要表现为空气动力效应所产生的新特点及现象。为了降低及缓解空气动力学效应，除了采用密封车辆及减小车辆横断面积外，还必须采取有力的结构工程措施，增大隧道有效净空面积及在洞口增设缓冲结构；另外还有其他辅助措施，如在复线上双孔单线隧道设置一系列横通道；以及在隧道内适当位置修建通风竖井、斜井或横洞。

（2）高速铁路隧道的横断面较大，受力比较复杂，且列车运行速度较高，隧道维修有一定的时间限制，复合衬砌和整体式衬砌比喷锚衬砌安全，且永久性好，故永久性衬砌一般不采用喷锚衬砌。

目前，世界隧道界对喷锚衬砌作为永久性衬砌尚有不同看法，随着对喷锚技术的不断深入研究和技术质量的不断提高，喷锚衬砌的应用也会更加广泛。但在目前情况下，特别在高速铁路隧道中仍不宜采用喷锚衬砌。

（3）大断面隧道的受力情况不利，尤以隧道底部较为复杂，而两侧边墙底直角变化容易引起应力集中，需要对边墙底与仰拱连接处进行加强。

（4）隧底结构在长期列车重载作用及地下水侵蚀的影响下极易产生破坏，从而引起基底沉陷、道床翻浆冒泥等病害，不但增加养护维修工作量，而且严重影响运营安全，尤其是高速铁路对隧道底部的强度较普通铁路要求更高，且高速铁路隧道的断面跨度较大，因此要求高速铁路对底板厚度和仰拱、底板混凝土强度要求提高。

（5）隧道渗漏水的危害主要会引起洞内金属设备及钢轨锈蚀，隧道衬砌丧失承载力，隧底翻浆冒泥、破坏道床或使整体道床下沉开裂，有冻害地区的隧道衬砌背后积水会引起衬砌冻胀开裂，衬砌漏水会引起衬砌挂冰而侵入净空。从运营安全上对隧道防排水要求提高。

（6）提出了隧道衬砌混凝土的耐久性控制要求。

隧道衬砌混凝土的地质环境复杂，对耐久性、抗渗性、抗冻性等耐久性指标应严格控制。

（7）为减少养护维修工作量，保障运营安全，需加强对隧道病害的监测、诊断及评定、整治。

（8）在高速运行的条件下，对隧道技术的要求，主要是空气动力学特性方面的，其次才是由于断面的扩大和长大隧道的增加，这使得隧道施工难度增加，常常成为全线控制工期的关键工程。

二、高速铁路隧道设计

新建高速铁路隧道设计主要由限界、构造尺寸、使用空间和缓解或消减列车进入隧道诱发的空气动力学效应两方面的要求确定。研究表明，当列车以200km/h以上速度通过铁路隧道时，空气动力学效应对行车、旅客乘车舒适度、洞口环境的不利影响已十分明显且起控制作用，因此，隧道的设计除须遵照现行《铁路隧道设计规范》规定及提高防灾救援要求外，还应考虑下列因素：

①隧道内形成的瞬变压力对乘客舒适度及相关车辆结构的影响；

②空气阻力的增大对行车的影响；

③隧道口所形成的微压波对环境的影响；

④列车风对隧道内作业人员待避条件的影响。

（一）空气动力学指标

1.舒适度标准

高速列车在隧道中运行时的舒适度与高速列车通过隧道时产生的压力变化有关，其压力变化值与列车速度的平方成正比，列车速度越高、压力变化值就越大。当压力变化值达到一定的强度，列车外部的压力波传播到列车内部，瞬变压力传到人体时，会对耳膜产生影响，使乘客有不舒适的感觉。因此需要根据压力的变化值和人体对压力变化值的适应性制定出衡量舒适程度的标准，即舒适度。

评估压力波动程度一般需考虑最大压力变化值和最大压力变化率两个参数。经研究发现，这两种指标单独使用都不能合理地反映乘客舒适度。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，例如3s内最大压力变化值或4s内最大压力变化值。所谓3s或4s大致相当于完成耳腔压力调节所需的时间。

（1）国际铁路联盟关于舒适度的研究

为了研究高速列车在隧道中行驶时出现的生理学问题，国际铁路联盟的专家委员会专门成立了一个包括医生在内的工作小组，对英国铁路部门在1973年制定的有关高速列车旅客承受空气压力瞬变的舒适度标准进行检查，即在相对不太频繁的压力变化下，在3s内压力变化最大值不超过3kPa。检查结果表明，英国铁路规定的3kPa是旅客接受的舒适度限度值。

（2）我国高速铁路隧道的控制标准

从旅客乘车舒适度要求出发，我国京沪高速铁路南京长江隧道的控制标准为最大压力变化频率3kPa（3s）。

2.隧道口环境要求

微压波是隧道出入口微气压波的简称，是高速铁路隧道运营过程中产生的另一个空气动力学问题。微压波是指列车进入隧道时产生的压缩波在另一端释放时产生的爆破噪声现象，微压波影响周围环境，严重的可使建筑物的玻璃破碎，对环境造成声污染。微压波的影响因素主要有列车进入隧道的速度、列车头部形状、列车头部的长细比、隧道的阻塞比、隧道长度、隧道内部条件（如轨道结构，有无竖井、斜井和横通道等）和隧道出口的地形等。其中，列车进入隧道的速度和隧道的阻塞比是最为重要的两个影响因素。当行车速度达到300km/h以上，加大断面对防止微气压波不能起到显著作用。

阻塞比是列车的横断面积与隧道净空面积比。隧道的净空面积是指在扣除轨道结构横断面积，沿隧道纵向布置的各类设备横断面积之后的隧道面积。

各国对高速隧道阻塞比的要求差别很大。在相同车速下，以日本新干线为代表的高速隧道净空面积相对较小，除历史原因外，日本认为依靠修建缓冲棚和密封车辆可以缓解瞬变压力和微气压波的影响；而以德国为代表的欧洲国家主要是通过扩大隧道净空面积来减缓空气动力学效应的影响，这增加了土建工程费用，但可在较大程度上改善列车的运营条件和舒适度指标。

（二）降低空气动力学效应的措施

1.车辆方面的措施

（1）车辆的密封性

舒适度是车内旅客乘车的舒适度，因此我们更为关心的是车内压力变化情况。在其他条件相同的情况下，车辆密闭性能越好，车辆内的最大瞬变压力就越小。

（2）车辆的外形

车辆外形的改善可从车辆的横断面积和车头形状考虑，在隧道横断面净面积不变的前提下，减小车辆的横断面积可降低阻塞比，有效降低隧道内的瞬变压力，进而可缓解车内的瞬变压力。

2.隧道构造措施

（1）设置缓冲段

在隧道的口部设置缓冲段可减小列车进入隧道时产生压缩波的波前压力梯度，因为压缩波的波前压力梯度与列车速度的三次方成正比，所以减小压力梯度的效果可转换成降低列车速度的效果，进而可以明显地降低微气压波以及由此而产生的噪声和对环境的影响。

进口缓冲结构的设置应根据出口微压波峰值的大小来确定。当出口外50m范围内无建筑物，出口外20m处的微压波峰值大于50Pa时，应设置缓冲结构；当出口外50m范围内有建筑物且建筑物处的微压波峰值大于20Pa，应设置缓冲结构；当建筑物对微压波峰值有特殊要求时，缓冲结构应进行特殊设计。

缓冲段的横断面形状可为拱形或为门形，要求在其两侧可按一定的比例开孔，沿其纵向可做成逐渐扩大的形式或喇叭形。

（2）设置横洞

对于双洞单线隧道可每隔一定的距离采用横洞连通，以起到减压风道的作用。在英法海峡隧道中就采用了横向通道来释放压力波（其减压风道间距为250m，风道直径为2m），这种风道可减少对列车的空气动力阻力。

（3）增加隧道断面面积

增加隧道断面面积对于降低空气动力学效应是不言而喻的，其可以将隧道断面放大；也可以采用单洞双线的隧道。但是前者会增加造价，后者当列车在隧道中会车时，会加剧空气动力效应。

（4）设置竖井

在隧道内适当位置修建通风竖井（或斜井），可以降低压缩波梯度。这种竖井应尽可能利用施工留下的工作井。该竖井的位置应兼顾到高速列车行车时降低瞬变压力的要求。

（5）噪声

隧道周壁采用吸音材料贴面，以降低空气动力学噪声。

（6）隐蔽及设置

隧道内的各种设施应尽量隐蔽设置，对在隧道内必须设置的设施采取适当的防护措施，以防列车运行时产生的列车风对设施的破坏。

（7）隔热设置

列车克服阻力所做的功转化为热量，在隧道中积聚引起温度升高。为此可设置通风井，配置风机排出在隧道中因列车克服阻力而产生的热量或其他原因产生的热量，英法海峡隧道亦采用机械通风方法排出隧道内的热量。

（8）防水设置

其他措施还有如在隧道内设置水幕、喷水滴等。

三、高速铁路隧道施工应解决的主要问题

（1）树立全新理念，建立科学的管理体系。摒弃固有的不规范的习惯做法，全面熟悉相关技术标准、设计验收规范，在试验段施工中，开发新的施工方法和工艺。

（2）高度重视动态设计和信息化施工。优化设计，动态设计，真正做到设计科学合理，施工科学。由于地质的不确定性和不连续性的特点，决定了隧道工程不可能像其他结构工程一样在设计阶段就能够把问题完全解决。

（3）大力推广新设备，改善传统工艺，提高施工效率和质量。比如采用喷射混凝土机械手和臂式软岩掘进机，特长隧道也可以考虑TBM以及皮带输送机的使用。

（4）加快步伐，自行研究开发必要的新型衬砌和配套设备，如全环整体衬砌台车、仰拱施工栈桥等。

（5）对特长隧道总体方案给予充分重视。方案决定进度，决定效益。决定一个隧道的施工成败，不能光凭经验，要借鉴经验，更要创新。

（6）加强对不良地质施工辅助措施和工艺的研究。对施工中的降水、堵水、疏水、排水措施，如注浆、桩墙、冷冻、锚固、喷锚等施工措施或工法要精细研究，掌握技术要点。超前预支护手段必须有可靠的技术措施，遇到不良地质就能立即实施。

（7）重视地质预报工作。在多做地质预报的基础上收集资料，分析总结，逐步建立自己的数据库系统。要用各种手段相互印证。

四、高速铁路隧道的设计施工原则

（1）设计、施工中必须建立综合超前预报系统并作为工序列入预算之中。

（2）必须采取动态信息化设计和信息化施工，并进行信息化动态管理。

（3）从环境保护出发，隧道防排水设计必须将以排为主改为以堵为主，限排为辅。

（4）取消洞门或设计简易洞门。

（5）5km以上隧道设置平行导坑是确保安全、质量、进度的重要措施，也是今后运营隧道所必须。