1存在的问题及技术关键
高速列车在隧道中运行时所诱发的空气动力效应关系到旅客乘车耳膜舒适度、隧道洞口附近环境保护、隧道设计参数合理性、铁路运营条件等，是高速铁路隧道设计和运营中必须考虑的关键技术问题。我国高速铁路隧道存在山区修建较多、长及特长隧道较多、隧道群较多、普遍采用无砟轨道等特点，这些特点在空气动力学问题上还有待进行深入研究。结合联调联试，铁科院对合武铁路、石太客运专线等20多条高速铁路隧道空气动力学问题开展系列研究工作，并取得了大量现场测试数据，同时也提出了针对我国上述国情而对隧道空气动力学问题进行进一步研究的必要性。即通过进一步研究，提高旅客乘车舒适程度，体现“以人为本”的理念，进一步优化隧道设计参数特别是隧道断面面积参数，响应“低碳经济”“安全第一”的要求，并为相关规范和标准的制订提供依据。目前，高速铁路隧道气动效应存在的主要问题及技术关键有:(1)舒适度标准特别是复合式舒适度标准的研究;(2)隧道洞口微气压波控制标准的研究;(3)特长隧道和隧道群瞬变压力的变化特征，考虑列车密封情况下隧道长度同瞬变压力波动程度的非单调关系研究;(4)压缩波在无砟轨道隧道的传播特性，减压竖井、辅助坑道等对压缩波传播特性的影响研究;(5)缓冲结构结构型式优化设计及其相关减缓措施研究。
2隧道气动效应相关标准与机理深化分析
2.1舒适度标准
欧洲各国、日本主要采用“七分法”调查表，运用室内压力仓调查和现场实车试验调查的手段，针对其本国人种制定舒适度标准。20世纪世界各国的舒适度标准主要为单一型指标，主要根据运输类型、气压波动频繁程度、运输服务舒适度等级，对车内3s或4s内的气压变化提出控制标准。21世纪以来，为了更好地保证旅客乘车舒适度，欧洲铁路联盟、德国、荷兰等提出了更为全面和严格的复合型舒适度标准，即分别对车内1、4、10、…、50s内的气压变化提出控制标准。同时，从医学角度出发，为保证旅客和乘员的健康，国外规定车内气压变化幅度最大允许值为10kPa，并且要考虑列车密封性完全丧失的最坏情况。我国参考国外相关标准提出了客运专线隧道舒适度标准，即单线(不会车)隧道小于0.80kPa/3s、双线(会车)隧道小于1.25kPa/3s，已经纳入“铁路隧道设计施工有关标准补充规定”中。在遂渝铁路、合武铁路、石太客运专线现场试验中，通过现场调查和测试，对单线(不会车)隧道0.80kPa/3s的舒适度标准进行了初步验证。但进一步的完善和验证尚需进行大量现场调查，复合型舒适度标准也有待研究。
2.2瞬变压力波动程度与隧道长度间的非单调变化规律影响
瞬变压力的因素包括:车速、列车长度、车形、列车断面面积、列车壁摩擦系数、隧道净空面积、隧道长度、隧道壁摩擦系数等。世界各国在瞬变压力研究时，认为对于瞬变压力存在“最不利长度”隧道，非“最不利长度”隧道中的瞬变压力相对较小，如法国专家认为隧道长度为列车长度的0.8、1.2、3.5倍时较为不利。我国针对客运专线建设中隧道较多的情况，分析了瞬变压力与隧道长度的关系，并通过对隧道内气压传递、反射、叠加规律的分析，提出了对于瞬变压力“最不利长度”隧道的计算公式，其与列车速度、长度等因素有关。世界各国在修建高速铁路隧道时为控制车内瞬变压力基本采用了2种模式:一是以欧洲各国为代表，采用大断面隧道来降低对列车密封性能的要求，减小运营成本;一是以日本为代表，采用密封性能较高的列车来减小隧道断面面积要求，降低工程投资。我国通过对瞬变压力的计算和分析，针对“最不利长度”隧道，提出了不同速度目标值时与车辆密封性能相适应的隧道净空断面面积建议值(时速200km:单线52m2，双线80m2;时速250km:单线58m2，双线90m2;时速300～350km:单线70m2，双线100m2)，并已经纳入《高速铁路设计规范(试行)》、《新建时速200km客货共线铁路设计暂行规定》中。但是，在分析隧道长度同瞬变压力波动程度之间关系时，必须对不同密封情况下车内压力的不同响应效果加以考虑，而这种响应效果显然同隧道长度有关，在采用隧道群的线路情况时还应该与相邻洞口的间距有关，这是需要深入研究的。德国、英国、瑞士等国均开展过隧道中辅助坑道设置对瞬变压力影响的理论计算和现场试验研究，并发现在长度1000～2000m的隧道中通过合理设置辅助坑道可以将瞬变压力降低50%左右，如瑞士Emme-querung隧道。但国外的研究主要针对具体隧道，没有给出不同长度隧道中辅助坑道如何设置的普遍规律。我国通过理论分析和模型试验，确定了长隧道中辅助坑道的最有利、最不利位置计算方法和辅助坑道面积的影响规律，并在合武铁路、武广客运专线进行了现场试验验证。但是，如何在隧道断面设计中具体考虑辅助坑道的影响尚须进一步的研究。
2.3微气压波
日本、德国、中国等均制定了高速铁路隧道洞口微气压波控制标准。我国目前执行的标准是参照日本标准制定的，由于国情不同，建(构)筑物的要求也不同，需要针对我国的实际情况制定适合本地特点的微气压波标准。欧洲各国、日本均开展了微气压波机理研究，分为3个阶段进行研究，首波在隧道入口的形成、首波在隧道中的传递、首波在隧道出口释放形成微气压波，并通过理论计算和现场试验提出了有砟轨道隧道微气压波的计算方法，同时提出了削减微气压波的缓冲结构洞门型式及设计参数。我国引进了国外微气压波的计算方法并通过现场试验进行了验证，结合模型试验和三维数值计算提出了削减隧道口微气压波的洞门缓冲结构型式(阶梯型)及设计参数建议值长度(1d＜Lh＜50m)、断面面积(1.55倍隧道断面面积)、开口面积(0.3倍隧道断面面积，开口位置应根据具体隧道的情况确定)等。合武铁路、石太客运专线、武广客运专线现场试验结果和三维数值计算均表明，辅助坑道的开启能够对微气压波起到削减作用，其削减率与辅助坑道面积和隧道面积比例成正比，多个辅助坑道对微气压波的削减率为单个辅助坑道对微气压波削减率的乘积。日本在长隧道现场试验中发现了无砟轨道对微气压波的激化作用，如时速200km，隧道长度8km，碎石道床隧道洞口20m处微气压波为7Pa左右，而板式道床隧道洞口20m处微气压波为120Pa左右。但国外对长隧道中无砟轨道对微气压波激化作用的理论研究较少，相关研究成果也没有对外公布。我国在武广客运专线现场试验中在国内首次发现了无砟轨道对微气压波的激化作用，并实际听到了微气压波大于50Pa时的爆破噪声，如当时速330km，长度约3km的九子仙隧道洞口20m处微气压波为50Pa左右，长度约10.8km的大瑶山1号隧道洞口20m处微气压波为130Pa左右，长隧道中无砟轨道对微气压波激化作用的理论研究需要进一步深化。
3建议
3.1优化与完善隧道洞口缓冲结构、洞口吸能材料等减缓洞口微气压波措施的设计
由于微气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，所以当前所采用的微气压波减缓措施的基本指导原则是在压缩波的形成或传播阶段减小其压力梯度。具体减缓措施包括列车方面的优化措施和隧道方面的改造措施，列车方面的措施主要包括改善列车头部形状、增大列车头部的长细比和缩小列车断面积(即减小阻塞比)等3种措施。由于列车方面的改造将会给运营商带来经济上的不利(如列车定员减少等)，而在保证列车定员等条件的制约下，优化列车带来的微气压波减缓效果还是很有限的。所以，当前微压波的减缓主要还是通过隧道方面的改造来实现的，较为有效的主要是增大隧道断面积，在隧道入口增设适当形式的缓冲结构，利用斜井、竖井和横通道，在隧道内和出口增设设施，在隧道密集地区，这些措施的采用将使得隧道建设成本大大增加，而对于已建成的既有隧道，扩大断面、增设缓冲结构等工程措施几乎是不可实施的。现场实测表明，无砟轨道结构对隧道微气压波具有显著的激化效应。在其他条件相同的情况下，无砟轨道隧道出口的微气压波峰值要比碎石道床有砟轨道的隧道出口微气压波峰值大得多，这是因为碎石道床作为多孔材料对空气压力波具有吸能和削减作用，使隧道内传播的压缩波波面压力梯度减小，微气压波也相应减小。这种情况表明，在无砟轨道隧道中科学合理地布置多孔材料吸收和削减空气压力波的传播是减缓微气压波的一种有效途径。通过在隧道内设置一定装置吸收和削减空气压力波的传播能量，以达到减缓隧道洞口微气压波的目的，因此，对于新建隧道与既有隧道来说，进一步优化与完善隧道洞口缓冲结构设计形式以及研究隧道内吸能材料等减缓洞口微气压波的措施，对实现铁路运营的安全、快速、舒适、低炭和环境保护以及降低成本等具有重大意义。
3.2探讨不同速度等级线路的最经济合理的隧道截面
根据隧道截面积和动车组头型等对动车组空气动力学以及动车组运行安全性影响的研究成果，探讨不同速度等级线路的最经济合理的隧道截面。铁路隧道断面分为双线单洞和单线双洞2种情况，隧道断面内轮廓主要根据下列条件确定:(1)隧道净空面积应满足空气动力学效应影响标准;(2)受其他专业领域要求控制，满足不同等级线路建筑限界要求;(3)救援、养护维修以及其他使用对空间的要求。空气动力学效应影响标准为:空气压力最大变化值ΔP＜1.25kPa/3s(舒适度标准);距隧道洞口20m处微气压波pmax＜50Pa;列车在隧道内运行时的空气阻力增量一般不超过明线上空气阻力的30%。根据动车组的密封指数和隧道内净空面积的多种组合进行对比计算，得出不同速度等级线路时，既满足空气动力学效应标准的要求，又完全满足救援通道空间需要且留有富余量的单双线隧道断面净空面积。提高列车密封性能与列车速度以及增大隧道净空面积是相互联系相互矛盾的制约体，目前既有线隧道很多满足不了高速铁路隧道净空断面积的要求，需要进行改造扩建。新建高速铁路隧道由于种种影响因素也有不满足空气动力学影响标准的，对于隧线比较大的线路，势必会增加工程投资与影响正常运输，因此需要经过充分技术论证，经济性比选，才能确定更合理的断面，有必要开展不同速度等级线路隧道净空断面合理性匹配的研究。
作者：马伟斌 程爱君 郭小雄 吴敏敏 张千里 单位：中国铁道科学研究院铁道建筑研究所
