第八節(jié)　高速鐵路隧道簡介

國際鐵路聯(lián)盟（UIC）對高速鐵路的定義：高速鐵路是指通過改造原有線路（直線化、軌距標(biāo)準(zhǔn)化），使?fàn)I運(yùn)速率達(dá)到200km/h以上，或者專門修建新的“高速新線”，使?fàn)I運(yùn)速率達(dá)到250km/h以上的鐵路系統(tǒng)。

高速鐵路行車速度高，對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)要求高，線路曲線半徑要求大，因而建設(shè)高速鐵路必然會出現(xiàn)大量的隧道工程。

一、高速鐵路隧道特點(diǎn)

（一）高速鐵路隧道分類

高速鐵路隧道的長度等級可按下列規(guī)定劃分：長度在500m及以下為短隧道，長度在500m以上至3000m為中長隧道，長度在3000m以上至10000m為長隧道，長度在10000m以上為特長隧道。

（二）高速列車在隧道內(nèi)運(yùn)行引起的空氣動力學(xué)效應(yīng)問題

高速列車進(jìn)入隧道后將隧道內(nèi)原有的部分空氣排開，由于空氣黏性和隧道內(nèi)壁、列車外表面摩阻力的存在，被排開的空氣不能像露天線路空氣那樣及時(shí)、順暢地沿列車周側(cè)形成繞流，列車前方的空氣受到壓縮，而列車尾部進(jìn)入隧道后會形成一定的負(fù)壓，因此產(chǎn)生了壓力波動過程。這種壓力波動以聲速傳播至隧道口，大部分發(fā)生反射，產(chǎn)生瞬變壓力；而另一部分則形成向隧道外的脈沖狀壓力波輻射，即微氣壓波。這些都會對高速列車運(yùn)營、人員舒適度和環(huán)境造成一系列影響：

（1）高速列車經(jīng)過隧道時(shí)，瞬變壓力使旅客和乘務(wù)人員耳膜明顯不適，舒適度降低，并對鐵路員工和車輛產(chǎn)生危害。

（2）高速列車進(jìn)入隧道時(shí)，會在隧道出口產(chǎn)生微氣壓波，發(fā)出轟鳴聲，使隧道口附近建筑物門窗發(fā)生振動，產(chǎn)生擾民的環(huán)境問題。

（3）行車阻力增大，從而使運(yùn)營能耗增大，并要求機(jī)車動力增大。

（4）形成空氣動力學(xué)噪聲（與車速的6～8次方成正比）。

（5）列車風(fēng)加劇，影響隧道維修養(yǎng)護(hù)人員的正常作業(yè)。

（6）列車克服阻力所做的功轉(zhuǎn)化為熱量，在隧道中積聚引起溫度升高等。

因此，在高速鐵路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)從車輛及隧道兩方面采取措施，以減緩空氣動力學(xué)效應(yīng)。

（三）高速鐵路隧道的特點(diǎn)

（1）高速鐵路隧道不同于一般的鐵路隧道，當(dāng)高速列車在隧道中運(yùn)行時(shí)要遇到空氣動力學(xué)問題，主要表現(xiàn)為空氣動力效應(yīng)所產(chǎn)生的新特點(diǎn)及現(xiàn)象。為了降低及緩解空氣動力學(xué)效應(yīng)，除了采用密封車輛及減小車輛橫斷面積外，還必須采取有力的結(jié)構(gòu)工程措施，增大隧道有效凈空面積及在洞口增設(shè)緩沖結(jié)構(gòu)；另外還有其他輔助措施，如在復(fù)線上雙孔單線隧道設(shè)置一系列橫通道；以及在隧道內(nèi)適當(dāng)位置修建通風(fēng)豎井、斜井或橫洞。

（2）高速鐵路隧道的橫斷面較大，受力比較復(fù)雜，且列車運(yùn)行速度較高，隧道維修有一定的時(shí)間限制，復(fù)合襯砌和整體式襯砌比噴錨襯砌安全，且永久性好，故永久性襯砌一般不采用噴錨襯砌。

目前，世界隧道界對噴錨襯砌作為永久性襯砌尚有不同看法，隨著對噴錨技術(shù)的不斷深入研究和技術(shù)質(zhì)量的不斷提高，噴錨襯砌的應(yīng)用也會更加廣泛。但在目前情況下，特別在高速鐵路隧道中仍不宜采用噴錨襯砌。

（3）大斷面隧道的受力情況不利，尤以隧道底部較為復(fù)雜，而兩側(cè)邊墻底直角變化容易引起應(yīng)力集中，需要對邊墻底與仰拱連接處進(jìn)行加強(qiáng)。

（4）隧底結(jié)構(gòu)在長期列車重載作用及地下水侵蝕的影響下極易產(chǎn)生破壞，從而引起基底沉陷、道床翻漿冒泥等病害，不但增加養(yǎng)護(hù)維修工作量，而且嚴(yán)重影響運(yùn)營安全，尤其是高速鐵路對隧道底部的強(qiáng)度較普通鐵路要求更高，且高速鐵路隧道的斷面跨度較大，因此要求高速鐵路對底板厚度和仰拱、底板混凝土強(qiáng)度要求提高。

（5）隧道滲漏水的危害主要會引起洞內(nèi)金屬設(shè)備及鋼軌銹蝕，隧道襯砌喪失承載力，隧底翻漿冒泥、破壞道床或使整體道床下沉開裂，有凍害地區(qū)的隧道襯砌背后積水會引起襯砌凍脹開裂，襯砌漏水會引起襯砌掛冰而侵入凈空。從運(yùn)營安全上對隧道防排水要求提高。

（6）提出了隧道襯砌混凝土的耐久性控制要求。

隧道襯砌混凝土的地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，對耐久性、抗?jié)B性、抗凍性等耐久性指標(biāo)應(yīng)嚴(yán)格控制。

（7）為減少養(yǎng)護(hù)維修工作量，保障運(yùn)營安全，需加強(qiáng)對隧道病害的監(jiān)測、診斷及評定、整治。

（8）在高速運(yùn)行的條件下，對隧道技術(shù)的要求，主要是空氣動力學(xué)特性方面的，其次才是由于斷面的擴(kuò)大和長大隧道的增加，這使得隧道施工難度增加，常常成為全線控制工期的關(guān)鍵工程。

二、高速鐵路隧道設(shè)計(jì)

新建高速鐵路隧道設(shè)計(jì)主要由限界、構(gòu)造尺寸、使用空間和緩解或消減列車進(jìn)入隧道誘發(fā)的空氣動力學(xué)效應(yīng)兩方面的要求確定。研究表明，當(dāng)列車以200km/h以上速度通過鐵路隧道時(shí)，空氣動力學(xué)效應(yīng)對行車、旅客乘車舒適度、洞口環(huán)境的不利影響已十分明顯且起控制作用，因此，隧道的設(shè)計(jì)除須遵照現(xiàn)行《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定及提高防災(zāi)救援要求外，還應(yīng)考慮下列因素：

①隧道內(nèi)形成的瞬變壓力對乘客舒適度及相關(guān)車輛結(jié)構(gòu)的影響；

②空氣阻力的增大對行車的影響；

③隧道口所形成的微壓波對環(huán)境的影響；

④列車風(fēng)對隧道內(nèi)作業(yè)人員待避條件的影響。

（一）空氣動力學(xué)指標(biāo)

1.舒適度標(biāo)準(zhǔn)

高速列車在隧道中運(yùn)行時(shí)的舒適度與高速列車通過隧道時(shí)產(chǎn)生的壓力變化有關(guān)，其壓力變化值與列車速度的平方成正比，列車速度越高、壓力變化值就越大。當(dāng)壓力變化值達(dá)到一定的強(qiáng)度，列車外部的壓力波傳播到列車內(nèi)部，瞬變壓力傳到人體時(shí)，會對耳膜產(chǎn)生影響，使乘客有不舒適的感覺。因此需要根據(jù)壓力的變化值和人體對壓力變化值的適應(yīng)性制定出衡量舒適程度的標(biāo)準(zhǔn)，即舒適度。

評估壓力波動程度一般需考慮最大壓力變化值和最大壓力變化率兩個(gè)參數(shù)。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，這兩種指標(biāo)單獨(dú)使用都不能合理地反映乘客舒適度。因此目前較通用的評估參數(shù)是相應(yīng)于某一指定短時(shí)間內(nèi)的壓力變化值，例如3s內(nèi)最大壓力變化值或4s內(nèi)最大壓力變化值。所謂3s或4s大致相當(dāng)于完成耳腔壓力調(diào)節(jié)所需的時(shí)間。

（1）國際鐵路聯(lián)盟關(guān)于舒適度的研究

為了研究高速列車在隧道中行駛時(shí)出現(xiàn)的生理學(xué)問題，國際鐵路聯(lián)盟的專家委員會專門成立了一個(gè)包括醫(yī)生在內(nèi)的工作小組，對英國鐵路部門在1973年制定的有關(guān)高速列車旅客承受空氣壓力瞬變的舒適度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢查，即在相對不太頻繁的壓力變化下，在3s內(nèi)壓力變化最大值不超過3kPa。檢查結(jié)果表明，英國鐵路規(guī)定的3kPa是旅客接受的舒適度限度值。

（2）我國高速鐵路隧道的控制標(biāo)準(zhǔn)

從旅客乘車舒適度要求出發(fā)，我國京滬高速鐵路南京長江隧道的控制標(biāo)準(zhǔn)為最大壓力變化頻率3kPa（3s）。

2.隧道口環(huán)境要求

微壓波是隧道出入口微氣壓波的簡稱，是高速鐵路隧道運(yùn)營過程中產(chǎn)生的另一個(gè)空氣動力學(xué)問題。微壓波是指列車進(jìn)入隧道時(shí)產(chǎn)生的壓縮波在另一端釋放時(shí)產(chǎn)生的爆破噪聲現(xiàn)象，微壓波影響周圍環(huán)境，嚴(yán)重的可使建筑物的玻璃破碎，對環(huán)境造成聲污染。微壓波的影響因素主要有列車進(jìn)入隧道的速度、列車頭部形狀、列車頭部的長細(xì)比、隧道的阻塞比、隧道長度、隧道內(nèi)部條件（如軌道結(jié)構(gòu)，有無豎井、斜井和橫通道等）和隧道出口的地形等。其中，列車進(jìn)入隧道的速度和隧道的阻塞比是最為重要的兩個(gè)影響因素。當(dāng)行車速度達(dá)到300km/h以上，加大斷面對防止微氣壓波不能起到顯著作用。

阻塞比是列車的橫斷面積與隧道凈空面積比。隧道的凈空面積是指在扣除軌道結(jié)構(gòu)橫斷面積，沿隧道縱向布置的各類設(shè)備橫斷面積之后的隧道面積。

各國對高速隧道阻塞比的要求差別很大。在相同車速下，以日本新干線為代表的高速隧道凈空面積相對較小，除歷史原因外，日本認(rèn)為依靠修建緩沖棚和密封車輛可以緩解瞬變壓力和微氣壓波的影響；而以德國為代表的歐洲國家主要是通過擴(kuò)大隧道凈空面積來減緩空氣動力學(xué)效應(yīng)的影響，這增加了土建工程費(fèi)用，但可在較大程度上改善列車的運(yùn)營條件和舒適度指標(biāo)。

（二）降低空氣動力學(xué)效應(yīng)的措施

1.車輛方面的措施

（1）車輛的密封性

舒適度是車內(nèi)旅客乘車的舒適度，因此我們更為關(guān)心的是車內(nèi)壓力變化情況。在其他條件相同的情況下，車輛密閉性能越好，車輛內(nèi)的最大瞬變壓力就越小。

（2）車輛的外形

車輛外形的改善可從車輛的橫斷面積和車頭形狀考慮，在隧道橫斷面凈面積不變的前提下，減小車輛的橫斷面積可降低阻塞比，有效降低隧道內(nèi)的瞬變壓力，進(jìn)而可緩解車內(nèi)的瞬變壓力。

2.隧道構(gòu)造措施

（1）設(shè)置緩沖段

在隧道的口部設(shè)置緩沖段可減小列車進(jìn)入隧道時(shí)產(chǎn)生壓縮波的波前壓力梯度，因?yàn)閴嚎s波的波前壓力梯度與列車速度的三次方成正比，所以減小壓力梯度的效果可轉(zhuǎn)換成降低列車速度的效果，進(jìn)而可以明顯地降低微氣壓波以及由此而產(chǎn)生的噪聲和對環(huán)境的影響。

進(jìn)口緩沖結(jié)構(gòu)的設(shè)置應(yīng)根據(jù)出口微壓波峰值的大小來確定。當(dāng)出口外50m范圍內(nèi)無建筑物，出口外20m處的微壓波峰值大于50Pa時(shí)，應(yīng)設(shè)置緩沖結(jié)構(gòu)；當(dāng)出口外50m范圍內(nèi)有建筑物且建筑物處的微壓波峰值大于20Pa，應(yīng)設(shè)置緩沖結(jié)構(gòu)；當(dāng)建筑物對微壓波峰值有特殊要求時(shí)，緩沖結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。

緩沖段的橫斷面形狀可為拱形或?yàn)殚T形，要求在其兩側(cè)可按一定的比例開孔，沿其縱向可做成逐漸擴(kuò)大的形式或喇叭形。

（2）設(shè)置橫洞

對于雙洞單線隧道可每隔一定的距離采用橫洞連通，以起到減壓風(fēng)道的作用。在英法海峽隧道中就采用了橫向通道來釋放壓力波（其減壓風(fēng)道間距為250m，風(fēng)道直徑為2m），這種風(fēng)道可減少對列車的空氣動力阻力。

（3）增加隧道斷面面積

增加隧道斷面面積對于降低空氣動力學(xué)效應(yīng)是不言而喻的，其可以將隧道斷面放大；也可以采用單洞雙線的隧道。但是前者會增加造價(jià)，后者當(dāng)列車在隧道中會車時(shí)，會加劇空氣動力效應(yīng)。

（4）設(shè)置豎井

在隧道內(nèi)適當(dāng)位置修建通風(fēng)豎井（或斜井），可以降低壓縮波梯度。這種豎井應(yīng)盡可能利用施工留下的工作井。該豎井的位置應(yīng)兼顧到高速列車行車時(shí)降低瞬變壓力的要求。

（5）噪聲

隧道周壁采用吸音材料貼面，以降低空氣動力學(xué)噪聲。

（6）隱蔽及設(shè)置

隧道內(nèi)的各種設(shè)施應(yīng)盡量隱蔽設(shè)置，對在隧道內(nèi)必須設(shè)置的設(shè)施采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，以防列車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的列車風(fēng)對設(shè)施的破壞。

（7）隔熱設(shè)置

列車克服阻力所做的功轉(zhuǎn)化為熱量，在隧道中積聚引起溫度升高。為此可設(shè)置通風(fēng)井，配置風(fēng)機(jī)排出在隧道中因列車克服阻力而產(chǎn)生的熱量或其他原因產(chǎn)生的熱量，英法海峽隧道亦采用機(jī)械通風(fēng)方法排出隧道內(nèi)的熱量。

（8）防水設(shè)置

其他措施還有如在隧道內(nèi)設(shè)置水幕、噴水滴等。

三、高速鐵路隧道施工應(yīng)解決的主要問題

（1）樹立全新理念，建立科學(xué)的管理體系。摒棄固有的不規(guī)范的習(xí)慣做法，全面熟悉相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)驗(yàn)收規(guī)范，在試驗(yàn)段施工中，開發(fā)新的施工方法和工藝。

（2）高度重視動態(tài)設(shè)計(jì)和信息化施工。優(yōu)化設(shè)計(jì)，動態(tài)設(shè)計(jì)，真正做到設(shè)計(jì)科學(xué)合理，施工科學(xué)。由于地質(zhì)的不確定性和不連續(xù)性的特點(diǎn)，決定了隧道工程不可能像其他結(jié)構(gòu)工程一樣在設(shè)計(jì)階段就能夠把問題完全解決。

（3）大力推廣新設(shè)備，改善傳統(tǒng)工藝，提高施工效率和質(zhì)量。比如采用噴射混凝土機(jī)械手和臂式軟巖掘進(jìn)機(jī)，特長隧道也可以考慮TBM以及皮帶輸送機(jī)的使用。

（4）加快步伐，自行研究開發(fā)必要的新型襯砌和配套設(shè)備，如全環(huán)整體襯砌臺車、仰拱施工棧橋等。

（5）對特長隧道總體方案給予充分重視。方案決定進(jìn)度，決定效益。決定一個(gè)隧道的施工成敗，不能光憑經(jīng)驗(yàn)，要借鑒經(jīng)驗(yàn)，更要?jiǎng)?chuàng)新。

（6）加強(qiáng)對不良地質(zhì)施工輔助措施和工藝的研究。對施工中的降水、堵水、疏水、排水措施，如注漿、樁墻、冷凍、錨固、噴錨等施工措施或工法要精細(xì)研究，掌握技術(shù)要點(diǎn)。超前預(yù)支護(hù)手段必須有可靠的技術(shù)措施，遇到不良地質(zhì)就能立即實(shí)施。

（7）重視地質(zhì)預(yù)報(bào)工作。在多做地質(zhì)預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上收集資料，分析總結(jié)，逐步建立自己的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。要用各種手段相互印證。

四、高速鐵路隧道的設(shè)計(jì)施工原則

（1）設(shè)計(jì)、施工中必須建立綜合超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)并作為工序列入預(yù)算之中。

（2）必須采取動態(tài)信息化設(shè)計(jì)和信息化施工，并進(jìn)行信息化動態(tài)管理。

（3）從環(huán)境保護(hù)出發(fā)，隧道防排水設(shè)計(jì)必須將以排為主改為以堵為主，限排為輔。

（4）取消洞門或設(shè)計(jì)簡易洞門。

（5）5km以上隧道設(shè)置平行導(dǎo)坑是確保安全、質(zhì)量、進(jìn)度的重要措施，也是今后運(yùn)營隧道所必須。