1空气动力学问题及其影响因素

当高速列车进入隧道时，隧道中的空气将被挤开。由于空气的黏性和隧道内壁、列车外表面的摩阻力，被挤开的空气不能像在明线段时那样及时、顺畅地沿列车周侧形成绕流，而使列车前方的空气受到压缩，列车尾部进入隧道形成负压，于是产生压力波动过程。这种压力波动以声速传播至隧道口，部分发生反射，产生瞬变压力，影响乘车舒适度；而另一部分则形成向隧道外的脉冲状压力波辐射，即微压波，在隧道出口产生声爆现象，对周围环境造成较严重危害。

国内外许多研究者对在不同列车速度和不同隧道条件下列车进入隧道引起的瞬变压力、微压波都做了大量的理论研究，结果表明空气动力学效应的影响因素包括列车方面和隧道方面的因素。就隧道方面而言，主要包括隧道净空断面面积，隧道壁面的粗糙度，洞口及辅助结构物形式，竖井、斜井和横洞的设置，道床类型等。

2空气动力学问题的减缓措施

空气动力学问题关注的重点是瞬变压力和微压波问题。由于微压波的大小和压缩波到达隧道出口时的压力梯度大致成正比，故消减列车进入隧道时产生的压缩波，不但有利于减缓隧道内空气压力瞬变，而且有利于降低微气压波强度。当前所采用的减缓压力波的具体措施包括：扩大隧道断面，设置缓冲设施，修建辅助坑道，铺设碎石道床，在洞壁敷设吸音材料等。

2.1扩大隧道断面

ORE曾系统研究了各种因素对压力波动的影响，结果表明扩大隧道断面，即减小隧道阻塞比是减缓压力波动最直接的解决方法。压力波动与隧道阻塞比之间的关系为：式中．p是3s钟内压力变化的最大值；k是系数；v是行车速度；β是阻塞比，β=列车横截面面积/道内轨顶面以上净空面积；α是压力峰值对应的阻塞比幂指数系数，单一列车在隧道中运行时，α=1.3±0.25，考虑列车交会时，α=2.16±0.06。

所以车速一定的情况下增大隧道断面，其减缓效果是不言而喻的。于是，可以采用大的隧道断面，也可以采用单洞双线的隧道。但是前者因增加工程数量从而提高了造价，后者当列车在隧道会车时，会加剧空气动力学效应。为了减缓空气动力学效应，必须寻求其他经济有效的缓解措施。我国的高速铁路隧道建设在借鉴国外技术经验的基础上，克服了日本小断面的缺点，但是考虑到经济问题，也不会只通过扩大断面来缓解空气动力学效应。所以应该采取有利的结构工程措施以满足列车不断提速对隧道技术的要求。

2.2设置缓冲结构

在隧道入口设置缓冲结构后，压力波压力峰值、压力梯度以及微压波压力强度依次小于无缓冲结构隧道压缩波。

实验表明，设置喇叭形缓冲结构后，隧道内压缩波压力峰值和微压波压力峰值均下降，且随着端口面积增大，效果愈加明显。但由于喇叭型缓冲结构建造起来不太方便，且通常不太经济，所以一般不予采用。

此外，缓冲结构的修建还受到很多因素的限制．如有些隧道入口处由于地形的原因，没法或其空间尺寸不足以设置缓冲结构等。并且，由于缓冲结构要求的技术含量和所需成本都很高，对于部分线路上的短隧道，这显然也是不经济的。所以我国高速铁路大范围使用缓冲结构的可行性很小。

2.3修建辅助坑道

通风竖井能降低隧道内的最大压力，在Ueher-linger西部隧道中，最大压力下降幅度达30%。但是，有关研究结果表明，当有通风竖井时，列车头部经过竖井与隧道连接处时，就会在此处产生新的压缩波。设置竖井的个数也不宜多，一方面竖井设置多了以后，列车头部经过时又会产生新的压缩波，并不能更好的缓解空气动力学效应；另一方面设置太多的竖井很不经济且作用并不随之提高。另外，竖井的位置还应兼顾到高速列车行车时降低瞬变压力的要求。

对于特长深埋隧道，不宜设置竖井，可在行车的主隧道旁修建一座小断面的平行辅助隧道，且每隔一定距离用横通道与主隧道连通，也是一种减缓压力波的方法。而当隧道具有横通道时，列车进入隧道时产生的压缩波到达横通道与隧道的连接部位，由于断面积的变化，会产生膨胀波，并在隧道内产生更为复杂的波的迭加现象。

总之，在隧道内修建辅助坑道可以起到减缓压力波的作用。但是当列车端部通过辅助坑道时，不但会引起车内的压力波动，还会有其他种类的压力波产生，最终导致环境问题。因此，若修建辅助坑道，不但要采取措施消减其在隧道出口引起的放射波，还需根据每座隧道的具体条件综合分析确定其断面面积、数量以及位置。所以通过此方法来缓解空气动力学效应有不可避免的缺陷。

2.4铺设碎石道床

铺设碎石道床，可促使隧道中压力波衰减。一方面碎石表面凹凸不平在传播方向上增加空气流动阻力；另一方面空气能够透人道床中，致使压缩波能量消减，压力梯度逐渐降低。且随着隧道长度的增加，压力梯度下降加快，隧道出口微压波强度也逐渐降低。碎石道床的减振降噪效果固然好，但与整体道床相比存在着整体稳定性差、养护维修工作量大、运营易产生粉尘对环境有污染以及碎石道床结构自重较大等缺点。考虑到后期维修工作和环保，故我国高速铁路大量采用板式道床。

2.5洞壁敷设吸音材料

为减小微压波的影响，国外还研究了一种假孔墙的办法。这一办法是在隧道出口段增设一排近似封闭的盒子，在每一个盒子向着隧道那一面的中间开一个适当大小的孔。当弱冲击波经过假孔墙时，由于孔的衍射和反射作用，冲击波便被不断衰减，最终转变为普通的声波。但是，由于冲击波和孔产生的各种效应的复杂相互作用，冲击波的压力变得不太均匀，在局部地区甚至还大于消减以前的值，还是有可能导致环境问题。

以上这些减缓措施在一定的范围内都可以起到减缓效果，而当应用到实际隧道中时，会受到很多条件的限制。有些措施在减缓空气动力学问题的同时，会产生一些附加的负面作用，还需针对这些负面作用采取相应的防治措施。为保证列车的高速运行，结合我国的实际情况，对其他减缓措施进行深入研究是非常必要的。所以寻求一种从隧道衬砌方面来缓解空气动力学效应的方法，使得隧道压力波快速衰减，是非常迫切的。

3高铁隧道衬砌发展形式的设想

尽管国内外对隧道的空气动力学问题做了大量研究，提出的多种缓解措施也起到了一定的降压缓冲作用，但降压效果并不理想。由于我国高速铁路大量采用板式道床且隧道较长，高速列车进入隧道时形成的压缩波由于热效应变得越来越陡，最终会转变为弱冲击波。所以需要借鉴减缓冲击波的措施达到消减压力波的目的。研究人员对在不同隧道断面形状、隧道内设置挡板和隧道截面变化情况下冲击波的衰减规律进行了研究，研究结果表明，隧道断面形状对冲击波传播的影响规律是：圆形隧道内冲击波超压峰值最低，正方形隧道内超压峰值最高。设置挡板对冲击波的影响是：隧道内设置挡板，可以促进冲击波的快速衰减；挡板越宽，坑道内冲击波峰值压力消减的越多。冲击波在隧道截面变化情况下的传播特性是：不论冲击波是由小断面进入大断面或由大断面进入小断面，隧道截面积变化率越大，冲击波衰减的越快。