基于车内瞬变压力变化的400 km/h高速铁路隧道净空面积探讨

为推进中国高速铁路隧道技术标准深化研究,开展400 km/h隧道结构设计参数的研究工作,而隧道净空面积为其中的一项重要内容。为尝试从列车内部瞬变压力角度得到400 km/h高速铁路隧道净空面积,建立基于舒适度标准的高速铁路隧道净空面积确定方法,以控制工况为基础,通过计算和分析,从列车密封性能方面讨论维持现有隧道净空断面的可能性,并研究提出400 km/h隧道净空断面建议值。主要结论有:1)现有350 km/h单线隧道以400 km/h运营时,列车动态密封指数最低为22 s,车内瞬变压力超标的可能性较大; 2)400 km/h单、双线隧道净空面积建议值分别为85 m~2和100 m~2,对应的列车动态密封指数最低为18 s,更加符合现有标准对列车密封性能的要求,车内瞬变压力超标的可能性大幅降低; 3)提出的400 km/h高速铁路隧道净空面积建议值和对应的密封性能要求可为有关标准、规范的制订提供参考。     

基于气动效应的特长隧道断面优化探讨

铁路隧道净空面积的确定，不仅应考虑隧道建筑限界和机车车辆限界，还要考虑列车通过隧道时诱发的空气动力学效应。基于一维、可压缩、非定常的流动假设，推导得到车内瞬变压力、洞口微气压波和空气阻力计算公式，并结合这3个指标对现有城际铁路、高速铁路隧道设计规范进行论证和优化。结果表明： 针对大于10 km的特长隧道，在一定长度范围内，且在提高列车密封水平、增加洞口微气压波缓冲结构的情况下，可对特长隧道净空断面进行优化。     

三维激光扫描技术在隧道钢波纹板套衬加固中的应用研究

钢波纹板套衬加固后隧道原有断面净空面积减小且突变，为准确掌握隧道加固后净空变化具体信息，提出采用三维激光扫描技术对钢波纹板套衬加固前后的隧道段分别进行扫描，建立包括外业扫描和内业处理的标准化工作流程。结果表明： 1）加固前隧道实际轮廓与设计存在一些偏差，不能直接利用设计资料加工钢波纹板； 2）三维激光点云数据处理结果不仅可以用于指导钢波纹板分段精细化加工，还可通过嵌套对比获取加固前后隧道净空变化信息，达到2次扫描即可实现工程情况全息掌握的目的； 3）钢波纹板套衬加固后隧道断面轮廓仍能满足隧道建筑限界要求，最大值位于隧道拱顶处，为20.9 cm。     

双线隧道微气压波的三维数值模拟

针对高速列车进出双线大断面隧道(At=100 m2)时的空气动力学问题,对不同结构形式的隧道出口微气压波进行了三维数值模拟和理论推导。验证计算表明:所采用的双线隧道出口微气压波计算方法是合理可行的,为今后进一步研究高速列车隧道会车压力波和微气压波提供参考。     

单洞四车道公路隧道优化研究

建立了以控制单洞四车道公路隧道断面形状的几何尺寸为变量、以隧道的内净空面积和内轮廓周长为目标函数的双目标优化模型,并对模型参数进行了分析,得出了最优断面几何尺寸;进而对断面优化后的单洞四车道隧道的仰拱优化设计、隧道施工的可行性进行了探讨,也得出了一些有用的结论。     

广州南沙深厚软基段盾构隧道长期沉降计算

为解决盾构隧道沉降预测现有计算方法考虑因素单一、以短期预测为主等问题,提出在软土固结和流变共同作用下的隧道沉降简化计算方法，并通过实际工程案例进行验证。首先，利用Merchant流变模型和太沙基-伦杜立克二维固结理论构建固结-流变耦合模型,该模型将盾构隧道的长期沉降分为2部分： 超静孔隙水压力消散引起的主固结沉降和土体流变引起的次固结沉降;然后，考虑地表荷载、土层性质、结构自重以及列车荷载等因素对沉降计算的影响，求解出隧道长期沉降解析式;最后，选取新建盾构隧道3个典型断面，利用该解析方法对隧道的长期沉降进行预测，并对超静孔隙水压力消散时间、沉降速率及最终沉降量进行对比分析。结果表明： 1）运营初期，隧道周围土体超孔隙水压力的消散速度较快，尤其是在最初的2年内最为明显；随着时间的推移，各断面的消散速度逐渐趋于稳定。2）盾构隧道的长期沉降与下卧土层的性质有关;下卧土层厚度越大，性质越差，所产生的沉降量越大;断面1、2、3最终沉降预测值分别为146.8 mm、97.6 mm和46.1 mm。     

新考塘隧道出口三线渐变段结构选型与施工工法研究

赣龙铁路新考塘隧道出口处于全风化花岗岩富水地层,且处于三线渐变段,开挖跨度大,隧道埋深小,最大开挖跨度达到30.3 m,最大开挖面积为396 m2,为国内外铁路隧道工程所罕见。为安全、经济、快速修建此隧道,基于工程所处具体地形地质条件,对浅埋软岩特大跨度渐变段隧道的结构选型与施工工法进行研究,形成了应用于喇叭口渐变段的隧道内轮廓采用多个分段阶梯式变化的设计方法。渐变段共计215 m,分6段阶梯式加宽,加宽值分别为0.8、2、4、6、8、10.3 m,轨面以上净空面积从85.16 m2到 200.02 m2变化。除加宽0.8 m段按常规双线段考虑外,加宽2、4、6 m段分别采用了四步CRD法、双侧壁导坑法、大墙脚复合双侧壁法,加宽8 m和10.3 m段采用了“靴型大边墙+加劲拱”复合工法,且其支护参数不同。目前新考塘隧道已施工完毕并投入运营,实践证明设计的隧道结构型式及相应的工法是合理可行的。     

高速铁路太行山超长隧道群关键技术

为研究解决石家庄至太原高速铁路隧道断面有效净空面积标准、长段落膏溶角砾岩地层内修建隧道、特大断面隧道修建以及超长隧道(群)防灾救援系统设置等技术难题,通过采用调研分析、数值模拟、模型试验、现场试验段试验等一系列研究手段,确定了时速250 km高速铁路单线、双线隧道有效净空面积标准,顺利实施了高速铁路特大断面隧道到2条单线隧道的过渡,安全通过了长大段落膏溶角砾岩地层,创建了铁路特长隧道(群)防灾救援成套技术,最终实现了石太客运专线的顺利开通运营,并取得了良好的经济效益和社会效益。     

圭嘎拉高海拔隧道施工人员体力劳动强度评价

为探究圭嘎拉高海拔隧道施工人员体力劳动强度水平，评价施工工序劳动强度，选择圭嘎拉隧道进口段（海拔4 300 m）及1#斜井段（海拔4 560 m）的施工人员作为测试对象，分别测量不同工序下施工人员的生理指标（心率、血氧饱和度、耗氧量）。基于耗氧量计算能量代谢率，进而计算各工序的劳动强度指数。结果表明： 1）260 m的海拔高差造成的施工综合劳动强度指数差异具有统计学意义（P<0.05）； 2）二次衬砌钢筋绑扎是所测施工工序中劳动强度最大的工序，该工序下施工人员的心率、血氧饱和度和平均能量代谢率都出现超过卫生限值的情况，劳动强度指数达到35（极重）； 3）海拔为4 300~4 560 m时，隧道各施工工序劳动强度大部分为中度-极重度。     

客运专线隧道压力波数值分析中经验系数确定方法介绍

随着铁路高速化的不断发展,高速列车通过隧道时诱发压力波引起的乘客舒适度问题越来越受到关注.采用一维可压缩非定常流动模型和特征线法能够准确地计算多种工况下隧道单车压力波和会车压力波.在计算中,列车壁面与隧道壁面摩擦特性、隧道内车头、车尾处三维流动特性、隧道端口处流动特性均用经验系数来表示.这些参数对于隧道压力波的准确计算是非常重要的.根据一维不可压缩流动理论,建立了确定上述相关流动特性经验系数的计算程序,通过与国外实验数据对比表明了程序的正确性,为今后现车试验、模型试验中这些经验系数的确定提供了有效的工具.     

水下隧道大跨分岔结构设计与围岩稳定分析

长沙市营盘路湘江隧道主线与匝道分岔段为大跨扁坦结构,最大开挖跨度达21m,与单洞4车道相当,应作为特殊节点进行设计。通过调研与分析,从最小覆盖层厚度、净空断面、结构型式、支护参数等多方面分别对分岔隧道的最优设计方案进行论证,并采用地层一结构力学模型予以验证。研究表明,隧道东汉大跨结构最小覆岩厚度可按不小于12m进行控制;通过优化下半断面矢跨比可进行抗水压衬砌的内轮廓断面设计;江底隧道的抗水压支护结构体系应包含内、外2个层次;初步设计方案合理,技术先进。研究成果对于大型越江交通隧道工程具有参考意义。     

喷射混凝土衬砌隧道通风阻力系数测试研究

依托秦岭终南山18km特长公路隧道,选取隧道中部长度600多米的施工区段,设计风阻现场测试方案,布设2个测试断面,每个断面不同位置布设16个测点,采用高精度压差法对喷射混凝土作为隧道永久衬砌的通风阻力系数进行现场测试,测试风速范围为1.2~6.5m／s;通过数据整理分析,得出了通风阻力系数设计参数。试验表明:2车道公路隧道(净空面积70m2)喷射混凝土衬砌通风阻力系数在试验工况条件下为0.051,该参数值偏于保守,可直接用于指导通风设计。     

丽香铁路黄山哨隧道下穿岩堆段设计施工关键技术

以下穿岩堆段的丽香铁路黄山哨隧道为工程依托，对岩堆段地表开裂及洞内初期支护边墙严重变形的问题进行研究。地表埋设6根测斜管监测地表位移情况，洞内布置3个断面进行围岩压力、钢架内力、二次衬砌内力、初期支护与二次衬砌间的接触压力、锚杆轴力量测。在分析现场岩堆段洞内外受力机制及原因的基础上，根据数值计算结果优化二次衬砌断面型式及进一步加大二次衬砌厚度及配筋。采取以下措施控制隧道岩堆段变形： 1）地表岩堆土石接触面开裂处增设截排水措施； 2）加大隧道初期支护钢架型号及加长岩堆侧边墙径向系统锚杆； 3）加大隧道边墙轮廓曲率并优化隧道二次衬砌型式为圆顺型； 4）隧道预留变形量加大至30 cm； 5）隧道二次衬砌内净空预留50 cm补强空间； 6）隧道拱部设置42小导管超前支护。现场岩堆段采取以上措施后已顺利施工通过，根据洞内外监测结果显示，结构在安全可控范围内。     

基于圆形断面的隧道温度场有限差分计算模型

除了少数圆形隧道外,大部分山岭交通隧道断面采用马蹄形或端墙式等形状。在隧道温度场的预测中,圆形断面模型能否代替马蹄形等实际隧道模型,其适应性值得研究。应用基于空气－衬砌－围岩的对流－导热耦合作用控制方程的有限差分方法,建立圆形断面模型对东北寒区马蹄形隧道温度场进行计算,并与现场实测温度场进行对比。结果表明： 1) 圆形断面隧道模型有限差分计算方法克服了通用有限元软件建模复杂、对硬件要求高的弊端,考虑了隧道内风流速度和入口风流温度的影响,在隧道温度场的预测计算中能够满足工程使用要求。2）隧道内风流速度和入口风流温度对隧道温度场影响较大。本文算例中,入口风流温度每升高10 ℃,二次衬砌表面温度升高约7.2 ℃,增幅均匀;从1～5 m/s,洞内风流速度每增大1 m/s,二次衬砌表面温度降低的幅度为6.6、2.7、1.5、0.9 ℃,降幅越来越小。     

基于Tunnel软件大纵坡隧道断面尺寸检测技术研究

综述国内外有关隧道断面检测的仪器设备及方向,指出在大纵坡隧道的实际断面检测过程中,存在铅锤断面与垂直断面的差异,按照铅锤断面的量测数据与设计标准断面数据比较,会产生扩大量测净空的人为误差,不利于隧道开挖轮廓的控制。本文提出基于Tunnel软件大纵坡隧道断面尺寸检测的新方法,将现场量测数据在EXCEL中编制计算公式进行数据转化,确保对比分析数据均为垂直断面数据,并通过实际隧道断面检测数据计算及转化验证了该技术方法在隧道断面尺寸检测中的适用性。     

隧道洞口段驾驶人眼滞后特性研究

为探究在隧道洞口段驾驶员出现视觉滞后对行车安全的影响，在大量调研的基础上建立室内试验模型，开展驾驶人在隧道行车过程中的视觉滞后试验，通过T检验分析数据增量的差异性，提出出现滞后的条件，并分析出现的原因。结果表明： 1）进入隧道，当亮度变化速率S趋于350 cd/m2·s时出现“认知滞后”，增加到约为400 cd/m2·s时出现“调节滞后”； 驶出隧道，当S趋于400 cd/m2·s时出现“认知滞后”，增加到约为500 cd/m2·s时出现“调节滞后”。2）出现“认知滞后”时，对行车安全有一定影响；出现“调节滞后”时，对行车安全的影响更大。3）可采用通过减光设施延长驾驶人视觉适应时间、细化照明分级、无极调光等方法减缓亮度变化速率，来有效抑制滞后现象，提高行车安全。     

带出口匝道城市隧道通风特性比尺模型试验

通风特性是影响城市隧道内外环境的关键，为深入研究带出口匝道城市隧道风量及风量分配的变化规律，获得隧道总风量及分流比的高效控制策略，基于相似理论，设计并搭建总长为38 m的1/20带匝道隧道通风比尺模型，研制可实现8台模型风机联动的变频控制系统、16个断面的速度及压力数据的实时测量与自动采集系统（该系统在风速u ≥ 2.5 m·s^-1时，比尺模型同步满足阻力、惯性力和压力相似准则），进行各通风段射流升压力变化对隧道内风量及风量分配的影响试验。结果表明：隧道主线通风段与匝道通风段风量存在联动耦合效应，当调节某通风段射流升压力时，该通风段及与之串联的通风段风量均随着射流升压力的增大而增大，与之并联的通风段，风量随射流升压力的增大而减小；总风量和分流比分别是影响城市隧道内、外环境的关键因素，调节分流前主线段射流升压力不改变分流比，但对控制隧道总风量变化最为高效，单位射流升压力作用下的总风量变化幅度达1.43%·（N·m^-2）^-1；调节分流后主线段或匝道段射流升压力对隧道总风量的影响有限，但能有效控制分流比，单位射流升压力作用下的分流比增幅分别为（-4.43，4.16）%·（N·m^-2）^-1；利用分流前主线段的射流风机控制隧道内环境，利用分流后主线段或匝道段的射流风机控制隧道外环境，是最为高效的通风控制方法。     

关于广州地铁隧道空气动力学效应缓解措施的研究

地铁列车高速通过中间风井以及多次在地下线路与高架线路间转换,引起车厢内压力波动,降低了乘车的舒适性。文章总结了其他国家制定的地铁或高速铁路不同的人体舒适度压力控制标准和国内的地铁压力舒适度的相关研究,采用地铁环境模拟计算软件SES 41,对广州地铁14号线列车线路在隧道运行时不同列车时速、不同的隧道断面、不同渐扩段长度等情况下通过隧道洞口及中间风井时车头的压力波动及压力舒适度进行计算分析,提出对于高速地铁可在常规盾构隧道断面入洞口处和中间风井处设置一定长度及规模的渐扩段,同时结合行车组织的压力缓解措施的设计建议,这些措施在广州地铁14号线、21号线、南京机场线等工程设计中已进行应用,具体效果有待线路开通后进行实测验证。     

用MATLAB工具箱优化铁路四线隧道断面设计

借助MATLAB优化工具箱对尚未具有标准图的四线铁路隧道断面设计进行优化。轨面以上隧道断面采用三心圆形式,选取轨面以上净空面积S为目标函数,以描述断面形状的参数R1,R2,φ1,φ2,a,b,c为设计变量,通过调用MATLAB优化工具箱中的功能函数fm incon搜索目标函数的最优值。     

偏刃刀圈在小转弯半径隧道施工工况中的研究与应用

为开发出适合在小转弯隧道中使用的新型滚刀刀圈，在磨粒磨损原理的基础上，通过研究CSM刀圈侧边受力模型、边缘滚刀破岩机制、磨损量预测公式，进行滚刀切削岩石试验，建立了刀圈与岩石接触力模型，分析了转弯段边缘滚刀刀圈受力情况、针对性设计了偏刃刀圈，并在山东文登小转弯半径隧道掘进段工况下进行常规刀圈和偏刃刀圈工业试验。得出结论如下： 1）TBM掘进直线隧道时边缘滚刀所受侧向力不可忽视，侧向力与刀圈同岩石的接触面积和所受的压力有关； 2）在直线工况掘进下的边缘滚刀外侧岩石几乎不发生破坏，边缘滚刀内侧对岩石具有“刮擦剪切效应”，刀圈内侧所受侧向力远大于外侧； 3）转弯段刀圈内侧受力严重偏离了正压力方向，加速边缘滚刀刀圈内侧的磨损； 4）在掘进距离达145.43 m时，19#和20#刀位的偏刃刀圈较常规刀圈磨损速率分别降低7.4%和17.5%。因此，偏刃刀圈更加适用于小转弯工况下的隧道掘进。