第八節　高速鐵路隧道簡介

國際鐵路聯盟（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、軌距標準化），使營運速率達到200km/h以上，或者專門修建新的“高速新線”，使營運速率達到250km/h以上的鐵路系統。

高速鐵路行車速度高，對基礎設施建設標準要求高，線路曲線半徑要求大，因而建設高速鐵路必然會出現大量的隧道工程。

一、高速鐵路隧道特點

（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）高速列車在隧道內運行引起的空氣動力學效應問題

高速列車進入隧道后將隧道內原有的部分空氣排開，由于空氣黏性和隧道內壁、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、順暢地沿列車周側形成繞流，列車前方的空氣受到壓縮，而列車尾部進入隧道后會形成一定的負壓，因此產生了壓力波動過程。這種壓力波動以聲速傳播至隧道口，大部分發生反射，產生瞬變壓力；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營、人員舒適度和環境造成一系列影響：

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

（2）高速列車進入隧道時，會在隧道出口產生微氣壓波，發出轟鳴聲，使隧道口附近建筑物門窗發生振動，產生擾民的環境問題。

（3）行車阻力增大，從而使運營能耗增大，并要求機車動力增大。

（4）形成空氣動力學噪聲（與車速的6～8次方成正比）。

（5）列車風加劇，影響隧道維修養護人員的正常作業。

（6）列車克服阻力所做的功轉化為熱量，在隧道中積聚引起溫度升高等。

因此，在高速鐵路設計時，應從車輛及隧道兩方面采取措施，以減緩空氣動力學效應。

（三）高速鐵路隧道的特點

（1）高速鐵路隧道不同于一般的鐵路隧道，當高速列車在隧道中運行時要遇到空氣動力學問題，主要表現為空氣動力效應所產生的新特點及現象。為了降低及緩解空氣動力學效應，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構工程措施，增大隧道有效凈空面積及在洞口增設緩沖結構；另外還有其他輔助措施，如在復線上雙孔單線隧道設置一系列橫通道；以及在隧道內適當位置修建通風豎井、斜井或橫洞。

（2）高速鐵路隧道的橫斷面較大，受力比較復雜，且列車運行速度較高，隧道維修有一定的時間限制，復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，隨著對噴錨技術的不斷深入研究和技術質量的不斷提高，噴錨襯砌的應用也會更加廣泛。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雜，而兩側邊墻底直角變化容易引起應力集中，需要對邊墻底與仰拱連接處進行加強。

（4）隧底結構在長期列車重載作用及地下水侵蝕的影響下極易產生破壞，從而引起基底沉陷、道床翻漿冒泥等病害，不但增加養護維修工作量，而且嚴重影響運營安全，尤其是高速鐵路對隧道底部的強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、底板混凝土強度要求提高。

（5）隧道滲漏水的危害主要會引起洞內金屬設備及鋼軌銹蝕，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環境復雜，對耐久性、抗滲性、抗凍性等耐久性指標應嚴格控制。

（7）為減少養護維修工作量，保障運營安全，需加強對隧道病害的監測、診斷及評定、整治。

（8）在高速運行的條件下，對隧道技術的要求，主要是空氣動力學特性方面的，其次才是由于斷面的擴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鍵工程。

二、高速鐵路隧道設計

新建高速鐵路隧道設計主要由限界、構造尺寸、使用空間和緩解或消減列車進入隧道誘發的空氣動力學效應兩方面的要求確定。研究表明，當列車以200km/h以上速度通過鐵路隧道時，空氣動力學效應對行車、旅客乘車舒適度、洞口環境的不利影響已十分明顯且起控制作用，因此，隧道的設計除須遵照現行《鐵路隧道設計規范》規定及提高防災救援要求外，還應考慮下列因素：

①隧道內形成的瞬變壓力對乘客舒適度及相關車輛結構的影響；

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境的影響；

④列車風對隧道內作業人員待避條件的影響。

（一）空氣動力學指標

1.舒適度標準

高速列車在隧道中運行時的舒適度與高速列車通過隧道時產生的壓力變化有關，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。當壓力變化值達到一定的強度，列車外部的壓力波傳播到列車內部，瞬變壓力傳到人體時，會對耳膜產生影響，使乘客有不舒適的感覺。因此需要根據壓力的變化值和人體對壓力變化值的適應性制定出衡量舒適程度的標準，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參數。經研究發現，這兩種指標單獨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是相應于某一指定短時間內的壓力變化值，例如3s內最大壓力變化值或4s內最大壓力變化值。所謂3s或4s大致相當于完成耳腔壓力調節所需的時間。

（1）國際鐵路聯盟關于舒適度的研究

為了研究高速列車在隧道中行駛時出現的生理學問題，國際鐵路聯盟的專家委員會專門成立了一個包括醫生在內的工作小組，對英國鐵路部門在1973年制定的有關高速列車旅客承受空氣壓力瞬變的舒適度標準進行檢查，即在相對不太頻繁的壓力變化下，在3s內壓力變化最大值不超過3kPa。檢查結果表明，英國鐵路規定的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準

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

2.隧道口環境要求

微壓波是隧道出入口微氣壓波的簡稱，是高速鐵路隧道運營過程中產生的另一個空氣動力學問題。微壓波是指列車進入隧道時產生的壓縮波在另一端釋放時產生的爆破噪聲現象，微壓波影響周圍環境，嚴重的可使建筑物的玻璃破碎，對環境造成聲污染。微壓波的影響因素主要有列車進入隧道的速度、列車頭部形狀、列車頭部的長細比、隧道的阻塞比、隧道長度、隧道內部條件（如軌道結構，有無豎井、斜井和橫通道等）和隧道出口的地形等。其中，列車進入隧道的速度和隧道的阻塞比是最為重要的兩個影響因素。當行車速度達到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構橫斷面積，沿隧道縱向布置的各類設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大隧道凈空面積來減緩空氣動力學效應的影響，這增加了土建工程費用，但可在較大程度上改善列車的運營條件和舒適度指標。

（二）降低空氣動力學效應的措施

1.車輛方面的措施

（1）車輛的密封性

舒適度是車內旅客乘車的舒適度，因此我們更為關心的是車內壓力變化情況。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，有效降低隧道內的瞬變壓力，進而可緩解車內的瞬變壓力。

2.隧道構造措施

（1）設置緩沖段

在隧道的口部設置緩沖段可減小列車進入隧道時產生壓縮波的波前壓力梯度，因為壓縮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換成降低列車速度的效果，進而可以明顯地降低微氣壓波以及由此而產生的噪聲和對環境的影響。

進口緩沖結構的設置應根據出口微壓波峰值的大小來確定。當出口外50m范圍內無建筑物，出口外20m處的微壓波峰值大于50Pa時，應設置緩沖結構；當出口外50m范圍內有建筑物且建筑物處的微壓波峰值大于20Pa，應設置緩沖結構；當建筑物對微壓波峰值有特殊要求時，緩沖結構應進行特殊設計。

緩沖段的橫斷面形狀可為拱形或為門形，要求在其兩側可按一定的比例開孔，沿其縱向可做成逐漸擴大的形式或喇叭形。

（2）設置橫洞

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（其減壓風道間距為250m，風道直徑為2m），這種風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效應是不言而喻的，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，后者當列車在隧道中會車時，會加劇空氣動力效應。

（4）設置豎井

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

（5）噪聲

隧道周壁采用吸音材料貼面，以降低空氣動力學噪聲。

（6）隱蔽及設置

隧道內的各種設施應盡量隱蔽設置，對在隧道內必須設置的設施采取適當的防護措施，以防列車運行時產生的列車風對設施的破壞。

（7）隔熱設置

列車克服阻力所做的功轉化為熱量，在隧道中積聚引起溫度升高。為此可設置通風井，配置風機排出在隧道中因列車克服阻力而產生的熱量或其他原因產生的熱量，英法海峽隧道亦采用機械通風方法排出隧道內的熱量。

（8）防水設置

其他措施還有如在隧道內設置水幕、噴水滴等。

三、高速鐵路隧道施工應解決的主要問題

（1）樹立全新理念，建立科學的管理體系。摒棄固有的不規范的習慣做法，全面熟悉相關技術標準、設計驗收規范，在試驗段施工中，開發新的施工方法和工藝。

（2）高度重視動態設計和信息化施工。優化設計，動態設計，真正做到設計科學合理，施工科學。由于地質的不確定性和不連續性的特點，決定了隧道工程不可能像其他結構工程一樣在設計階段就能夠把問題完全解決。

（3）大力推廣新設備，改善傳統工藝，提高施工效率和質量。比如采用噴射混凝土機械手和臂式軟巖掘進機，特長隧道也可以考慮TBM以及皮帶輸送機的使用。

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

（5）對特長隧道總體方案給予充分重視。方案決定進度，決定效益。決定一個隧道的施工成敗，不能光憑經驗，要借鑒經驗，更要創新。

（6）加強對不良地質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研究，掌握技術要點。超前預支護手段必須有可靠的技術措施，遇到不良地質就能立即實施。

（7）重視地質預報工作。在多做地質預報的基礎上收集資料，分析總結，逐步建立自己的數據庫系統。要用各種手段相互印證。

四、高速鐵路隧道的設計施工原則

（1）設計、施工中必須建立綜合超前預報系統并作為工序列入預算之中。

（2）必須采取動態信息化設計和信息化施工，并進行信息化動態管理。

（3）從環境保護出發，隧道防排水設計必須將以排為主改為以堵為主，限排為輔。

（4）取消洞門或設計簡易洞門。

（5）5km以上隧道設置平行導坑是確保安全、質量、進度的重要措施，也是今后運營隧道所必須。