7.1.1 高速列车进入隧道后诱发的空气动力学效应主要表现在三个方面:
瞬变压力
洞口微气压波
行车阻力
其中,瞬变压力主要表现在由于压力的瞬间变化使人的听觉感到不适,影响其大小的主要因素是行车速度、隧道横断面的大小和阻塞比以及列车的密封系数。
洞口微气压波是列车进入隧道时产生的压缩波在另一端释放时产生爆破声,影响周围环境,微气压波的量值主要取决于行车速度和隧道净空面积〈阻塞比〉,但行车速度更为敏感,当行车速度达到300km/h以上时,加大断面对防止微气压波不能起到显著作用。应考虑在洞口设置缓冲结构。
解决行车阻力问题主要是加大隧道断面面积,根据铁科院的研究报告,在隧道净空面积为100m2
时最大行车阻力只比明线增大15~30%,会车时的空气阻力比明线的增大值也不超过30%.
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由此可见,增大隧道横断面面积对空气动力学效应有整体减缓作用。京沪高速铁路全线隧道较少,采用增大隧道横断面的方法减缓空气动力学效应较为合理。当行车速度提高时,必要时还可以修建洞口缓冲结构等辅助措施。
7.1.2 辅助坑道可以减缓隧道内的空气动力学效应,其效果与坑道的个数、断面面积有关。有关研究表明,当坑道的断面面积为隧道断面面积的1/2时,可使最大压力波动减少40%左右,而辅助坑道的长度对微气压波的影响较大,微气压波随着辅助坑道长度增加而递减,从减低微气压波方面考虑,斜井的长度一般不少于50m。
根据铁科西南分院的研究报告,竖井对减压效果的影响与竖井的位置有一定的关系,竖井的最佳位置由下列公式确定:
X/L=2M/(1+M)
式中 X—竖井距隧道进口距离
L—隧道长度
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M-Mach数 即M=V/C(V—车速 ,C—声速)
从减压效果方面讲,竖井断面面积5~10m2较合适,竖井断面面积过大并不能收到好的效果。
从技术经济综合考虑,辅助坑道应以满足施工需要为主,上述竖井位置在设计中可做为参考,在满足施工的前提下,施工辅助坑道的位置应尽量靠近上述最佳位置。
根据德国规范,一般在1000m以上的隧道可设置紧急出口,而日本则规定1500m以上的隧道当施工有辅助坑道时,施工完毕后应将辅助坑道改为紧急出口。经对京沪高速铁路隧道的研究,由于专门设置紧急出口工程量较大,故参照日本标准暂不考虑单独设置防灾疏散通道。但当工程施工需要设置辅助坑道时,应在满足施工要求的同时结合防灾疏散通道的要求进行设计,辅助坑道做为防灾疏散通道的具体设计应满足7.7.5条要求。
7.1.3 隧道净空断面大小的控制因素是高速列车进入隧道诱发的空气动力学效应问题,由此而决定的隧道净空面积比较富余。设计之中应充分考虑发展的需要,对满足建筑限界以外的空间应有充分考虑,本规定对设备安装和使用空间的要求,系参考德国高速铁路规范拟定。在此基础上结合隧道结构受力情况确定隧道的高跨比。
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7.2.1~7.2.2 京沪高速铁路隧道断面内轮廓是根据铁科院“国家八五科技攻关项目,高速铁路线桥隧设计参数选择的研究,研究报告之九高速铁路隧道设计参数的建议值”中所推荐的断面形式,并参考了德国规范中预留空间的考虑和布置。
为方便选线和进行方案研究,困难地段,如果检算行车速度小于或等于200km/h,可采用较小隧道断面或考虑采用双洞单线隧道。隧道断面净空面积是依据“200km/h高速铁路线桥隧站设计暂行规定”中的建议值。
7.2.3~7.2.4 由于本线隧道内线间距采用5m,且隧道两侧预留空间较大,检算结果表明已满足车辆轴线与线路中线的偏距和由于曲线外轨超高引起车辆对垂直位置的倾斜要求,故曲线地段线间距及隧道内轮廓均不再考虑加宽。
7.2.5 本条规定参考了德国规范,使用空间不控制隧道横断面大小,但与建筑限界一起可以做为控制隧道横断面宽度的依据。
1 安全空间是为铁路员工和特殊情况下养护人员而预留的,安全区内安装把手,保护栏杆等,并允许安装0.3m厚的建筑设施。
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安全区是相对于危险区而言的,根据德国规范,当V>160km/h时,危险区为3.0m。车速≤200km/h时,人员可以在隧道内停留,大于200km/h时,一般人员则不能在隧道内停留。
2 救援通道
救援通道可部分侵入建筑限界,因为救援通道是在列车停运条件下才使用。
根据德国规范,两端洞口救援通道的长度,在配备救援列车时为1000m,无救援列车时为500m,因为无车辆和带有呼吸面罩的工作人员不能及时走完较远的距离。根据京沪高速铁路设计情况,紧急出口可与施工辅助坑道一并考虑;当施工不需要辅助坑道时,不单独考虑紧急疏散通道。根据德国规范,救援通道的最小宽度应不小于1.25m,通常情况下应为1.25m~1.6m,根据断面宽度情况,在此规定为1.5m,其中靠边墙一边的0.25m范围内可部分被占用,用于安装专业设施。
3 工程技术作业空间
工程技术作业空间用来预留设备安装或加强衬砌以及安装降噪声护墙板。
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工程技术作业空间允许在有限的长度范围内设置一些设备,如接触导线张力调整器和接触导线开关以及接头的紧回装置等.
7.3.1 京沪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,且永久性较好。而喷锚衬砌耐久性和防水性能均存在一些问题,德国咨询意见中也明确表示喷锚衬砌不得在高速铁路隧道中采用。
目前,世界隧道界对喷锚衬砌做为永久衬砌尚有不同看法,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,特别是在高速铁路隧道中仍不宜采用喷锚衬砌。
7.3.2 考虑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,故一般隧道在边墙底均加强。研究与试验证明,边墙与仰拱若采用顺接则可改善受力状况,故本规定要求带仰拱隧道边墙与仰拱的连接方式宜采用顺接。
由于高速铁路隧道断面宽度较大,隧道仰拱矢跨比过大,工程量增加较大,不经济;矢跨比过小,仰拱作用减弱。因此建议采用1/12~1/15。
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7.3.3 Ⅲ级及以下围岩,岩石多受地质构造影响严重、节理发育、岩层破碎、侧压力较大,基础易产生沉陷,土质一般多呈松散结构,稳定性较差,加之本线隧道断面较大,对基础结构强度的要求也较高,为了结构安全故采用曲墙带仰拱衬砌,而Ⅲ级以上围岩整体性较好,可采用曲墙不带仰拱衬砌。
7.3.4 隧底结构由于在长期列车动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,因此要求铺底厚度应≮30cm,隧底仰拱、隧底填充及底板混凝土强度等级均不应低于C25。
7.4.1 高速铁路隧道一般情况下列车正常运行时不允许有人员进入,因此不再设专供维修人员使用的避车洞。一侧间距500m左右的专用洞室内可以安装设备或做为余长电缆腔,以及供存放维修工具等.若其位置或洞室空间不能满足有关部门要求时,可根据需要扩大洞室或增设洞室。
7.4.2 为了使隧道横断面的布置更趋合理,电缆槽可设在安全通道地面下面,电缆槽的盖板面可作为安全通道地面,因此要求平整坚固.电缆槽的大小应满足设备专业的要求.
7.4.3 本条文参照现行隧道设计规范而定,有关说明见现行隧道规范。
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7.4.4 本条规定是根据有关专业要求而定的,原则上尽量不要在隧道内下锚。下锚段衬砌为满足安设张力补偿器的要求一般需要加宽、加高。由于隧道断面比普通断面大,受力也相对不利,因此应尽量选择在直线及地质条件较好、地下水较少的地段。下锚段的具体位置可根据有关专业的要求商定。
7.5.1~7.5.2 高速列车进入隧道后,由于空气动力学效应在洞口产生的微气压波在有些条件下会产生极大的爆炸声,严重的可使建筑物的玻璃破碎,对环境造成污染,采用较大的隧道断面(如100m2),基本上可以消除这种爆炸声,但当车速接近350km/h时,洞口噪声会比明线明显增大,因此当隧道洞口附近有居民或特殊环境要求时应根据实际情况考虑修建洞口缓冲结构。
7.5.3 本条内容参考了法国、日本咨询意见,因为洞口缓冲结构需要根据多种因素综合确定。条文中列举了设置洞口缓冲结构应考虑的主要方面,由于我国对洞口缓冲结构了解甚少,下一步应继续进行深入研究。
日本的隧道洞口缓冲结构一般采用钢筋混凝土或钢结构。比较而言,钢筋混凝土比较坚固、耐久、维修量小。故建议采用钢筋混凝土结构。
根据铁科院的研究报告,当列车速度达到300km/h以上时,为解决洞口微气压波问题需修建洞口
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缓冲结构.对于洞口附近近期无环境要求的,运营初期暂不修建,预留洞口缓冲结构条件。设路基挡墙的洞口,为使以后修建缓冲结构时不致拆除挡墙,故应把挡墙修建在缓冲结构之外。
7.6.1~7.6.4 根据我国的实践,隧道渗漏水的危害主要表现在以下
几个方面。首先,由于隧道含水、滴水,洞内空气潮湿,引起洞内金属设备及钢轨锈蚀;当围岩中地下水具有侵蚀性时,还会使混凝土出现起毛、酥松、麻面蜂窝起鼓剥落、孔洞露石、骨料分离等材质破坏,导致隧道衬砌丧失承载力。其次由于隧底积水特别是隧底涌水,往往造成道床基底被软化或淘空,隧底翻浆冒泥破坏道床,或使整体道床下沉开裂。第三,有冻害地区的隧道衬砌背后积水还会引起衬砌冻胀开裂,衬砌漏水会引起衬砌挂冰,侵入净空。隧道防排水应采取“防、截、排、堵结合,因地制宜、综合治理”的原则。从以往的经验看,隧道衬砌背后排水不畅是引起病害的主要原因,经过多年的探索和实践证明,富水地层隧道采用深排水沟与纵横向排水盲沟相结合的排水系统效果较好,结合经济方面考虑,水沟水位在铺底面以下20cm即可满足要求。
高速铁路设计中,应提高隧道的防排水等级,并根据隧道的地下水量选择可靠的防排水措施,以确保防水效果,避免病害的发生。
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7.6.5 检查井形状和尺寸可参照《铁路工程设计技术手册隧道》中的有关规定办理。
7.6.6 本条系指采用侧排水沟型式时,为了使衬砌背后和道床积水能够及时排走,因此要求水沟两侧要留有足够的泄水孔。泄水孔的间距应根据地下水量情况确定,一般情况下宜为4m。
7.6.7 本条是指水沟设在轨道一侧,电缆槽设在边墙一侧情况。“水沟的结构外缘至同侧轨道中心线的距离应不小于2.3m”是为了满足建筑限界和救援通道空间要求。
从目前既有铁路隧道来看,道床一侧沟槽墙身采用素混凝土由于厚度较小,维修过程中的碰撞产生破坏的较多。欧洲国家普遍采用钢筋混凝土,而且厚度也比我们设计的大,由于空间限制,京沪高速铁路隧道道床一侧沟槽墙身厚度为20cm,为保证其强度建议配钢筋。另外,铁建设[2003]76号《新建客货共线铁路设计暂行规定》中也有此条规定。
7.6.8 隧道防水层的施作方法近几年已有较大改善,防水新材料也是层出不穷。设计时应调查并掌握防水新材料、新技术的发展情况,积极而慎重的采用新型防水材料和防水新工艺。
7.7.1 京沪高速铁路是客运专线,没有货车运行,因此灾源主要来自列车餐车起火、旅客携带危险
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物品上车及电线路起火等。平时应加强旅客携带物品的检查,严禁危险品被带上车,列车车厢应采用阻燃材料制作,运营期间应加强列车电线路检查,对老化电线及时更换,以预防灾害的发生。同时在消防方面应做到设备配备齐全,并应对设备进行定期检查,保证其性能完好。
7.7.2~7.7.5 德国规范规定:救援通道在有救援列车时每1000m处应有一个出口。京沪高速铁路只考虑设置贯通的救援通道。不单独设置疏散通道。但因施工需要而设有辅助坑道时,应在施工完毕后把施工辅助坑道改为紧急出口。
7.7.6 标示牌应设在边墙上,其厚度侵入救援通道空间不应超过0.25m。标示牌中部距救援通道地面高度为1.0m。
7.8.1 参照国际咨询意见,德国、法国、日本三家的咨询意见比较统一,都对高速隧道照明非常重视,德国规定长度大于100m的隧道应设置照明;法国规定长度大于300m的隧道必须安装照明设备;日本隧道内应设置照明的标准是长度大于200m。三家咨询意见中对于隧道内设置照明的目的也基本相同。
7.9.1 由于高速铁路隧道横断面较大,结构抗震方面更为不利,其设防段长度应较《铁路工程抗震
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设计规范》中有关隧道抗震设计的规定而有所提高。因此,本条文规定高速铁路单线隧道设防段长度不宜小于25m。双线隧道设防段长度不宜小于35m。
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