客运专线隧道技术标准.ppt
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1、客运专线隧道技术标准,铁科院(北京)工程咨询有限公司邱渐根 2008年7月,主要内容,一、铁路客运专线隧道技术标准 二、客运专线隧道的特点,隧道工程的特点,隧道属于地下工程,是典型的地质工程,地质条件存在不确定性。因此,隧道工程以高风险、塌方多著称。1、不可预见因素多,工程风险性大:通过不良地质与特殊岩土段,可能遭遇断层、富水、岩爆、瓦斯等,处理不好可能发生瓦斯爆炸或塌方等。因此,国际隧道协会(ITA)曾经提出:地质风险由业主承担,施工风险由承包商承担。2、隐蔽工程多:隧道是地下工程,由于隧道结构的特点和工程的时效性,绝大部分的后一道工序都是在前一道工序的基础上立即进行,隐蔽部分较多。如果内在
2、质量出现问题,事后很难发现,并且也很难采取措施补救。3、施工时效性强:由于隧道施工中围岩多变,地质水文条件复杂,并且大多不可预见。所以一旦出现意外情况,必须当机立断及时变更,进行现场处治,工程时效性较强。,隧道工程的特点,4、施工空间狭小:隧道施工是在一个狭小的空间中进行,开挖、支护、防排水、衬砌、附属设施预埋件、轨道等施工工序多,时效性强。施工过程中的水、风、电、气管线复杂,相互干扰大,施工管理难度较大。5、施工环境恶劣:由于隧道施工是在一个半封闭的空间内进行,开挖和施工过程的污染很大,加之施工危险性大,所以施工环境比较恶劣。空气流通不佳,隧道内有粉尘,有害气体可能使人窒息。6、隧道为地质工
3、程,由于围岩力学机理与主要参数不清,基于还原论的岩石力学围岩稳定性的分析预测,往往与实际情况相差较远。各国地下工程技术规范中,均以工程类比的经验方法为首要方法,理论分析列于末位。工程计算与桥梁等结构比较,相对而言比较模糊,存在一定的风险。,一、铁路客运专线隧道技术标准,概述,新建铁路客运专线隧道设计主要由限界、构造尺寸、使用空间和缓解或消减列车进入隧道诱发的空气动力学效应两方面的要求确定。研究表明,当列车以200公里以上时速通过铁路隧道时,空气动力学效应对行车、旅客乘车舒适度、洞口环境的不利影响已十分明显且起控制作用,因此,隧道的设计除须遵照现行铁路隧道设计规范(TB10003)规定及提高防灾
4、救援要求外,还应考虑下列因素:隧道内形成的瞬变压力对乘员舒适度及相关车辆结构的影响;空气阻力的增大对行车的影响;隧道口所形成的微压波对环境的影响;列车风对隧道内作业人员待避条件的影响。,空气动力学效应,当列车进入隧道时,原来占据着空间的空气被排开。空气的粘性以及气流对隧道壁面和列车表面的摩阻作用使得被排开的空气不能象在隧道外那样及时,顺畅地沿列车两侧和上部流动,列车前方的空气受压缩,随之产生特定的压力变化过程,引起相应的空气动力学效应并随着行车速度的提高而加剧。在隧道端口处产生音爆并对乘客耳膜造成损伤,主要发生在隧道入口(非密封车辆)。,一、列车进入隧道引起的瞬变压力,列车进入隧道引起的压力变
5、化是两部分的叠加:列车移动时从挤压、排开空气到留下真空整个过程引起的压力变化;列车车头进入隧道产生的压缩波以及车尾进入隧道产生的膨胀波在隧道两洞口之间来回反射产生的压力变化(Mach波)。当双线隧道中同时有不同方向列车相向行驶时,叠加所产生的情况则更为复杂。列车在隧道中运行时(无相向行驶列车)车上测得的最大压力波动发生在第一个反射波到达列车时。,(一)隧道长度的影响,Mach波以声速传播,对于长隧道,来回反射的周期相应较长。同时,在反射的过程中能量有所衰减。而对于短隧道,Mach波反射的周期大为缩短。同时,在反射过程中能量损失也较少,致使压力波动程度加剧。试验表明,压力波动绝对值,并不随隧道长
6、度的减小而减小。当隧道长度为1km时,压力波动明显加剧,而当隧道长度进一步增大到3km时,压力波动则并无显著加剧,反而有缓解趋向。列车交会的双线隧道,最不利情况发生在列车交会在隧道中点时。,(二)列车速度的影响,根据研究报告,压力波动同列车速度平方成正比。,(三)隧道净空断面面积的影响,对于压力波动,诸因素中隧道横截面积的影响是最大的。ORE曾经系统地研究了各种因素对压力波动的影响。结果也表明,隧道净空断面面积,或者说,隧道阻塞比是最主要的因素。根据计算分析,提出压力波动与隧道阻塞比之间有下列关系:P=kv 单一列车在隧道中运行时,a=1.3O.25。考虑列车交会时,a=2.160.06。式中
7、:P3秒钟内压力变化的最大值;v行车速度;阻塞比;=列车横截面积/隧道内轨顶面以上净空面积。,(四)竖井的影响,竖井(斜井、横洞)的存在会缓解压力波动的程度。竖井位置对减压效果的影响很大,并不是处于任何位置的竖井都能有较好的效果。竖井断面积5lOm2即可,加大竖井的横断面积,并不能收到好的效果。根据Mach波叠加情况可以理论地得到竖井的最佳位置:X/L=2M/(1+M)式中 X竖井距隧道进口距离;L隧道长度;MMach数。,(五)列车交会的影响,双线隧道列车在隧道中交会引起压力波动的叠加,情况十分复杂。ORE研究报告说,列车交会时,压力波动最大值是单一列车运行情况的2.8倍。实际上,列车交会时
8、所产生的压力波动同列车长度、隧道长度、会车位置、车速等多种因素有关。,(六)列车密封条件对车内压力波动的影响,计算结果表明,车辆的密封对车内压力波动的影响可以归结为“缓解”和“滞后”两种效应。值得指出的是,在考虑到列车交会的情况下,就车外压力而言,洞口会车有时会成为最不利情况,然而在列车密封的条件下,洞口会车并非最不利情况。由于“滞后”效应,车内压力来不及“响应”列车就出洞了。密封指数:将车内压力从3600Pa降低至1350Pa(38%)所需的泄漏时间。,(七)压力波动程度阈值的确定,高速铁路隧道设计应通过正确地选择隧道设计参数,将压力波动控制到“允许”范围内。评定压力波动程度一般采用的参数有
9、:“峰对峰”最大值。即最大压力变化的绝对值;压力变化率的最大值。(速率)目前较通用的评估参数是相应于某一指定短时间内的压力变化值,例如3S内最大压力变化值或4S内最大压力变化值。所谓3S或4S大致相当于完成耳腔压力调节所需的时间。,压力波动建议临界值(英国),二、列车进入隧道引起的行车阻力,行车阻力由机械阻力和空气阻力两部分组成。机械阻力一般同行车速度成正比。空气阻力则同行车速度二次方成正比。在隧道中,空气阻力问题更为突出。,隧道条件对空气阻力的影响,隧道长度的影响 研究表明,空气阻力随隧道长度的增加而单调增加,但其增加率越来越小,最后趋于一常数。阻塞比越小,趋于常数所需的隧道长度越短。当=0
10、.15时,隧道长度超过3km以后,空气阻力已变化不大;而对于=0.42的隧道在长度超过10km以后仍有较大的变化。阻塞比对空气阻力的影响 空气阻力随的增加而单调增加,并且斜率越来越大。当以V=250km/h为例,从0.15增加到0.20时,空气阻力将增加13%。而当从O.4增加到0.45时,空气阻力将增加16%。,隧道条件对空气阻力的影响,列车在隧道中交会的影响 以S=1OOm2、=0.1为例,当两列车车体重合时,空气阻力系数将增加23%(车长360m,隧道长3000m)。一般说来会车阻力只对确定机车最大牵引能力时有意义。竖井的影响 竖井的存在,可降低行车阻力。但这种影响并不很大。以设在隧道中
11、断面积为5m2的竖井为例,当=0.42时,空气阻力减小7%,当=O.15时,空气阻力仅降低1.2%。,三、列车进入隧道引起的微压波,微压波(sonic boom)是隧道出口微气压波的简称,是高速铁路隧道运营过程中产生的空气动力学问题之一。微压波使得列车高速进入隧道时,在另一侧出口产生突然爆炸声响,对隧道出口附近的环境构成危害。,(一)国外有关国家的研究及应用情况简介,欧洲国家对此研究较少,而日本由于采用的隧道断面较小,微压波问题特别突出。针对这一现象,日本铁道技术研究所等在现场测试、模型实验、理论分析及工程措施等方面进行了全面地研究,并取得了成功的应用。研究认为,隧道出口的爆炸声响是由列车高速
12、进入隧道产生的压缩波在隧道内传播到达出口时,由出口向外部放射脉冲状压力波而引起的。微压波的大小与列车进洞速度、隧道长度、道床类型、隧道入口形式及出口地形等有关。,(二)高速铁路隧道微压波问题的提出及实态,1973年,Ham mitt通过对有关列车隧道空气动力学问题的理论研究,提出了微压波问题的预见。1975年,在日本新干线冈山以西段的试运营过程中首次观察到。此后,随着新干线投入运营和列车速度的提高,在日本的其它地方也相继出现了由微压波产生的洞口气压噪声现象。,(三)微压波波形,其中U为列车的进洞速度,r为测点到洞口中心的距离。隧道短时,可能出现多个波峰,而对于长隧道来说,由于压缩波的反射波(即
13、稀疏波,亦称膨胀波)波前较为模糊,使得第一个波峰最为显著。,微压波波形(r=20m),(四)降低隧道微压波的工程措施,采用特殊隧道入口形式(称为洞口缓冲结构)(主要方式);采用道碴道床或具有相同效果的贴附有吸音材料的洞壁;连接相邻隧道并在连接部分适当开口,对单一隧道可在埋深浅的地方设窗孔;利用斜井、竖井、平行导坑等辅助坑道。,(五)隧道洞口缓冲结构的研究,日本的研究人员对微气压波进行了理论分析,并结合经验得出了压缩波、微气压波的计算公式。出口微压波压力与到达隧道出口的压缩波的关系 Pmax=2a/c(dp/dt)max。微压波最大值Pmax与到达隧道出口的压缩波压力对时间微分的最大值成正比。因
14、此,通过减小到达隧道出口的压缩波波前的压力梯度可以降低隧道出口微压波大小。隧道洞口缓冲结构的目的就是将高速列车进入隧道而产生的压缩波波前的压力梯度在传播的最初阶段就降低下来,以产生与降低列车进洞速度相同的效果。,(五)隧道洞口缓冲结构的研究,隧道洞口缓冲结构并不能解决列车在隧道内高速行走产生的压力变化给乘员带来的不适和压力过大而带来的耳鸣问题。但却可以通过降低列车进洞后第一阶段压缩波的波前梯度而有效地降低出口微压波的大小,消除洞口的爆炸声响,减少微压波给洞口带来的环境危害。缓冲结构的应用应将微压波的大小、隧道的具体长度、断面尺寸、道床类型、辅助坑道的设置、洞口附近房屋等建筑物的性质及其它环境要
15、求、地质地形地貌条件、工程难易程度、造价等进行综合考虑。在有条件的隧道,还应考虑利用其它降低微压波的措施。如采用贴有吸音材料的洞壁等措施。,台湾高铁的缓冲结构物形式,台湾高铁的缓冲结构物形式,台湾高速铁路隧道缓冲结构,山阳新干线隧道标准洞口缓冲结构之一,该图为五日市隧道东口的缓冲结构。整个框架为钢结构,其上安装盖板,断面积比为1.55,长11l2m,在沿纵向中央部位的侧面设置窗口,在靠近进洞列车侧窗口宽高4m1.8m,另一侧窗口宽x高4m2.4m。该洞口缓冲结构使列车进洞时压缩波波前的压力梯度降为原来的0.5倍左右,相当于列车进洞速度降低为原速度0.8(0.51/3)倍左右的效果。,缓冲结构长
16、15m,侧面开口面积约15m2(大部分为左右各7.5m2)。通过试验量测认为,长15m的缓冲结构开口面积稍稍过大,改为1112m2为好。,采用与隧道同一断面的洞口缓冲结构形式(断面比1),长2 0m,顶部开口,隧道长750m,开口位置任选。微压波最大值比约为0.45,相当于列车进洞速度降为0.77(0.451/3)倍的效果。,(六)微压波和道床种类及列车进洞速度的关系,当隧道较短(如小于1km)时,道碴道床和板式道床几乎没什么差别,微压波的大小基本上与U3(列车进洞速度)成正比,即 Pmax=KU3/r。其中,K为隧道出口地形影响系数。对于长隧道来说,道碴道床隧道的微压波较短隧道要小,基本上也
17、符合U3关系。,(七)微压波和隧道长度的关系,比较短的隧道(小于1km)微压波的大小不受隧道长度的影响。较长的道碴道床隧道的微压波最大值随隧道长度的增加减少;相反,板式道床隧道的微压波最大值随隧道长度的增加而增加,到某一隧道长度时达最大值,其后随隧道长度的增加而减小。,空气动力学效应对高速铁路运营的影响,由于瞬变压力造成乘员舒适度降低,并对车辆产生危害微压波引起爆破噪声并危及洞口建筑物行车阻力加大空气动力学噪声列车风加剧(长度小于1000米的短隧道尤其严重),高速铁路隧道空气动力学效应的影响因素,机车车辆方面:行车速度,车头和车尾形状,列车横断面,列车长度,列车外表面形状和粗糙度,车辆的密封性
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