我国高速铁路隧道技术专利分析

高速铁路诞生于20世纪60年代，它是世界铁路发展史中具有重要意义的一块里程碑，已成为铁路技术现代化的标志。由于其具有快速、经济、舒适的旅行环境，优质的运输服务等特点，从而大大提高了铁路与其他运输方式的竞争能力。目前高速铁路已经成为世界铁路旅客运输发展的趋势。

高速铁路的发展，与隧道工程技术的创新是不可分割的。这主要是因为高速铁路的线路技术标准要远远高于普通铁路。国外已建及在建的大部分高速铁路，其线路中隧道均占有相当大的比例，例如日本山阳线隧道占线路总长的50％；预计运行时速500km的日本中央新干线，正在修建长42.8km的实验线，其中隧道总延长为35km，明线地段只有8km。我国将于近几年兴建的高速铁路，线路中隧道也占有相当大的比例。

高速铁路隧道的特点与相应技术措施

高速铁路隧道的勘测、设计、施工和维修养护管理与一般铁路隧道的情况有许多共同点。但高速铁路由于列车运行速度很高，许多低速运行时可以忽略的问题在高速运行时则凸显出其重要性。列车与隧道内空气的相互作用就是一个突出的例子。

高速列车进入隧道后将隧道内原有的部分空气排开，由于空气粘性和隧道内壁、列车外表面摩阻力的存在，被排开的空气并不能像在隧道外那样及时、顺畅地沿列车周侧形成绕流，列车前方的空气受到压缩，而列车尾部进入隧道后会形成一定的负压，因此产生了压力波动过程。这种压力波动以声速传播至隧道口，大部分发生反射，形成瞬变压力，而另一部分则形成向隧道外的脉冲状压力波辐射，即微气压波。这些都会对高速列车运营、人员舒适度和环境造成一系列影响。为了减少这些不良影响，国外及国内采取的技术措施主要有：

(1)增大隧道净空面积，该措施对空气动力学效应有整体减缓作用；

(2)改善洞口形状，设置洞口缓冲结构，在隧道内和出口增设其他主被动型减缓微压波的设施或结构，以减少微压波的冲击；

(3)洞内设施尽量隐蔽设置，使隧道表面平整光滑，减少列车运行时的阻力对设施的破坏；

(4)在洞内设置减压通风竖井、斜井或横洞；

(5)改善轨道结构，提高洞内列车运行的稳定性和舒适度；

(6)使高速列车具有良好的空气动力学特性的形状。

在通常情况下，高速铁路隧道考虑空气动力学的特性，都采用单洞双线断面，较少采用双洞单线断面。但在某些情况下，如隧道很长，同时考虑维修养护条件及防灾的需求时，有时也采用双洞单线断面。通常，在满足空气动力学要求的前提下，双线断面要比单线断面更有利。两个单线隧道断面积总和要比一个双线隧道断面积大。法国的比较结果是：在列车速度为300km／h的情况下，两座单线隧道的总面积是140m²，一座双线隧道的断面积是100m²；在列车速度为250km／h的情况下，相应的断面积分别是100m²和72m²。

断面积差异造成工程成本的差异，因此在目前的条件下，高速铁路隧道以采用双线断面为宜。我国的高速铁路隧道大部分采用双线断面。而采用单洞双线隧道则需要开挖大断面／超大断面的隧道，其开挖方法、支护、路基都需要作因地制宜的调整。另外，为了保证高速列车的正常运行，我国对高速铁路隧道的设计施工均进行了严格的标准控制。我国高速铁路隧道技术专利申请状况分析

1.逐年申请量

从图1中专利申请量的数据来看，我国高铁隧道专利技术的发展大致经历了以下三个主要阶段；第一阶段从1993年至2001年，高铁隧道技术处于技术引入期，专利年申请量不超过3件，第二阶段从2002年至2005年，高铁隧道技术处于发展初期，专利年申请量基本呈现逐年缓慢增长的态势，但绝对数量仍基本停留在7件以下；第三阶段从2006年至今，高铁隧道技术进入发展期，专利年申请量快速提升，这一趋势与我国高铁的产业发展趋势基本吻合。

2.增长率分析

见图2。由于2001年以前甚至2005年之前，该领域专利年申请量较少，数量上微小的变化即可引起增长率的大的改变，因而2005年以前的逐年增长率变化比较大，也不能客观地反映增长率的趋势。2006年是增长率变化最大的一年，表明这一年的专利申请量突增，这也与这一时期我国高铁开始兴建的发展历程相吻合，通常一个高铁隧道的建设工期为一到两年，因而两年后的2008年出现增长率的短暂下降。2009年，中央“四万亿”投资计划出台以后，高铁建设又开始活跃。这一时期，尤其是备受关注的京沪高铁兴建，促进了该领域专利申请量的上升。

3.申请人

(1)申请人数量增长情况

从图3可以看出，2005年之前，申请人数量较少，不超过5个(包含共同申请人)，可见这一时期，我国高铁隧道技术研究仅仅处于起步阶段，研究、应用实践均较少。从2006年开始，伴随着申请量的增加，申请人数量也开始逐年增加，2009年达到50多个。在我国，铁路技术的研发相对集中，研究单位不像其他行业那么多，专利统计中出现50多个申请人，说明高铁隧道技术已经具有一定的普及度，多家单位均有一定的研究能力。

(2)申请人排名

总的来看，该领域共出现169个申请人(包含共同申请人)。从图4可以看出，专利申请量排前十的申请人中，中铁二院工程集团责任公司、中国中铁股份有限公司中铁八局集团有限公司的申请量最多，领先排在第三名的申请人较多。

4.主要分布领域

高铁隧道技术专利申请共涉及132个大组。其中B2887(型模；型芯；心轴)数量最多，有25件。可见高铁隧道技术专利申请，技术创新点集中于支护材料模型，其改进后形成的申请最多。见图5。

5.专利申请类型

见图6。我国高铁隧道技术专利申请中发明和实用新型的数量相当，PCT的申请量非常少。这也与国内高铁隧道建设多由我国单位来完成这一事实相符合。将来应当鼓励更多的申请人走出国门申请专利。

我国高速铁路隧道技术的关键技术

通过对我国高铁隧道技术进行的专利分析可见，我国在高铁隧道技术方面进行了深入的研究和探索，取得了相当多的技术成果。我国高铁隧道技术中的重要专利技术主要集中在以下几个方面。

1.涉及高铁隧道空气动力学问题的专利技术

我国针对高速铁路隧道空气动力学问题所采用的主要专利技术涉及以下几个方面：

(1)高速铁路隧道空气动力学的数值计算

①通过对国内外研究现状的分析可以看出，高速铁路隧道空气动力学问题的研究在理论研究、数值计算以及试验测试等方面均有很大进展，对长大隧道的空气动力学问题也进行了一些研究，但是由于该问题的复杂性，当前的研究现状仍不能满足我国客运专线修建及既有线改造的需要。虽然国外高速列车发达国

家对隧道空气动力学问题开展了大量的理论和试验研究，但一方面国外的实质性技术无法得到，另一方面关于隧道群的空气动力问题至今未见文献报道。

中南大学申请的发明专利200910180324.7提出了一种求解长大隧道、隧道群隧道空气动力效应的方法。所述方法包括；对隧道内的空气动力效应采用一维特征线法模拟，隧道出口及隧道群两相邻隧道间的流场计算采用三维可压缩SIMPLE算法模拟；对上述两种算法所得结果，在远离隧道口、三维效应可以忽略的位置进行数据交换，模拟并得到隧道内流场的空气压力变化和隧道出口的微气压波。本发明兼顾计算长大隧道、隧道群空气动力效应的效率和精度，实现了高速列车通过隧道及两车在隧道内交会时隧道内空气压力变化幅值、微气压波、列车风的求解。

②中南大学申请的发明专利200910180326.6提出了一种高速列车经过隧道后的微压波计算方法。所述微压波计算方法包括：采用动网格，将隧道的流场分为多个区域，对包含第一道压缩波和膨胀波的区域及该压缩波和膨胀波前的区域计算，模拟得到隧道出口的微压波数值。该高速列车经过隧道后的微压波计算方法很好地解决了长大隧道和隧道群三维计算网格规模太大、计算周期太长等问题，其采用动网格技术，将流场分为若干区域，根据微压波的形成机理，只计算包含第一道压缩波和膨胀波的区域及其波前的区域，对隧道出口微压波进行了数值模拟。同时，也为弯隧道出口微压波的计算提供了新方法。

(2)改进隧道洞门及洞身结构

①中铁二院工程集团有限责任公司的实用新型专利ZL 200920082118.8提出了一种高速铁路隧道洞门构造。如图7所示，该高速铁路隧道洞门构造，包括洞口段衬砌10，所述洞口段衬砌10外设置有与之形成对接的洞门延伸段20，该洞门延伸段20为整体钢筋混凝土浇注体，其外端口为斜切面25，所述洞门延伸段20外端口部径向向外扩张，该扩张部的内壁24与洞门延伸段20主体的内壁21呈喇叭状过渡。所述洞门延伸段20外端口上设置有帽檐结构23，该帽檐结构23的顶部与延伸段20的外壁22之间在拱顶处形成挑高。

本实用新型的洞门整体稳定性好，且能有效地缓解洞口处的空气动力效应，隧道洞口不需设置特殊缓冲结构，就能满足列车运营舒适度要求，无需为洞门墙进行额外刷方，洞口刷方量少，能够把洞口刷方量减小到最低；适用性较广，可在多种地形和地质情况下应用，有利于规范、标准和高效地进行洞门施工。

②西南交通大学提出的发明专利申请200910216049.X提供了一种铁路隧道回路式减压洞口的修建方法，采用该方法修建的铁路隧道洞口，其微压波现象明显降低，且施工容易，建造成本低。如图8所示，一种铁路隧道回路式减压洞口的修建方法，其做法是：

A.在隧道10洞口的两侧修建与隧道平行且长度为3.5～4.5倍隧道水力直径的侧导洞11，侧导洞与隧道的横向距离为0.8～1.3倍隧道水力直径，侧导洞的断面积为隧道断面积的20％～30％；

B.再在两侧导洞之间修建两条横向贯通侧导洞和隧道的第一和第二横通道20、21，第一横通道20修建在离隧道洞口1.5～2倍隧道水力直径处，断面积为隧道断面积的10％～15％；第二横通道21与侧导洞的内端贯通，断面积为隧道断面积的5％～10％。

本发明的有益效果在于，明显降低了压缩波的压力峰值及压力梯度，大大削减了高速列车进出隧道所产生的空气动力学效应，即使压缩波到达隧道出口处时产生的微压波大大减小。增加旅客的乘车舒适性，减小对周围环境的危害。

理论计算表明，采用本发明方法修建的隧道洞口，当车速为300km／h、隧道面积为100m²、列车面积为11.0m²时，隧道模型长度取700m，隧道出洞口的压力梯度峰值为3.6kPa／s；而不采用本发明方法修建的隧道，在其他条件均相同的情况下，其隧道出洞口的压力梯度峰值为7kPa／s。采用本发明方法修建的隧道，出洞口的压力梯度峰值降低率为49％。由于压力梯度与微压波峰值成正比，因此，隧道出口微压波峰值也将降低50％左右，其减压效果显著。

③中铁二院工程集团有限责任公司的发明专利zL200810147640.X提出了一种高速铁路地下车站气动效应缓解设施。如图9所示，所述高速铁路地下车站气动效应缓解设施，包括纵向两端与隧道相通的地下空间，以及设置在该地下空间内的站台，所述地下空间侧壁的中间段20与隧道内端口之间由过渡段21形成喇叭状渐变，隧道的入口段23在其顶部沿隧道中线纵向间隔设置有通出地面的缓冲井50，其特征是：所述缓冲井50的数量为5个，其横截面呈矩形，各缓冲井50的开口率之和为0.4～0.45，开口率是指缓冲井50的横截面积与隧道的横截面积之比；距隧道的入口最近的首缓冲井51的开口率为0.10～0.15，末缓冲井55的开口率为0.03～0.06，其余三个缓冲井52、53、54的开口率相对于首缓冲井51的开口率依次递减。

本发明的有益效果在于，喇叭状渐变的过渡段可有效地对站内微压波峰值进行削减，设置在入口段的缓冲井可有效地对隧道入口附近的微压波峰值进行削减，使之满足环境设计的要求，并消除站内微压波的产生。设置在隧道末段的减压竖井能将站台附近的压力峰值及压力梯度降低20％左右，有效地缓解高速列车有隧道突人地下车站时所引起的空气动力效应。

④中铁二院工程集团有限责任公司的实用新型专利ZL 200920242401.2提供了一种高速铁路隧道缓冲微压波洞壁构造，能缓解隧道的空气动力效应，有效地减缓隧道洞口的微压波现象。如图10所示，所述高速铁路隧道缓冲微压波洞壁构造，在隧道衬砌10内壁表面外固定设置高孔率外板20，高孔率外板20内表面与隧道衬砌lO内壁表面之间形成鼓风通道，密布于高孔率外板20内的通气孔21的轴线垂直于隧道衬砌10内壁表面。

本实用新型的有益效果在于，由鼓风通道注入的微压风在高孔率外板的外表面与列车运行所产生的反向气流之间形成了一缓冲面，该缓冲面阻止了靠近高孔率外板外表面的任何提高气流摩擦阻力的紊流，从而缓解洞口处的空气动力效应，有效地减缓隧道洞口的微压波现象，使高速列车驶过时在洞口附近所产生的音爆强度得以大幅度减轻，从而提高隧道洞口环境的保护效果。

2.涉及高速铁路隧道支护的专利技术

(1)郑州至西安高速铁路全长505km，郑西高铁全线隧道38座，总计78.2km。这条铁路全线采用了大量隧道，大部分隧道位于新老黄土地层，为浅埋双线黄土隧道，隧道开挖断面大，施工难度大，其中难度最大的为秦东隧道，秦东隧道最大开挖断面达164m2，是目前世界上最大断面的黄土隧道，是我国特有的高原地质隧道。

中铁二院工程集团有限责任公司的实用新型专利

ZL 200920082121.X提供了一种高速铁路超大断面富水黄土隧道衬砌构造，该衬砌构造能有效地控制隧道结构工后沉降并保持长期稳定，从而满足高速铁路的运营要求。如图11所示，该高速铁路超大断面富水黄土隧道衬砌构造，包括外衬10和内衬20，外衬10由封闭黄土围岩的拱顶段11、拱墙段12和仰拱段13构成，其特征是：所述拱顶段11的拱脚部11a横向加宽，其内埋设有周向延伸的拱顶钢架11b，拱顶钢架llb由锁脚锚杆11c锚固在黄土围岩上。

本实用新型的有益效果在于，解决了在富水黄土地质条件下大断面黄土隧道施工的技术难题，能有效地控制隧道结构工后沉降并保持长期稳定，模拟高速列车运行的现场激振试验表明，高速列车运行20年后隧道内仰拱填充面累计沉降不大于0.5mm，远远小于高速铁路安全运营对隧道结构工后沉降的要求(≤15mm)。

(2)隧道衬砌构造包括外衬和内衬，其中作为初期支护的外衬采用喷射混凝土以封闭围岩。而高速铁路由于列车运行速度相当快，对隧道二次衬砌提出了防止开裂的高要求。

中铁二院工程集团有限责任公司的实用新型专利ZL 200920082363.9提供了一种高速铁路隧道防开裂衬砌构造。如图12所示，所述的高速铁路隧道防开裂衬砌构造包括外衬10和混凝土浇注而成的内衬20，其特征是：所述内衬20的拱墙段内沿线路纵向间隔布设有钢架21；内衬20内在靠近其内表面处埋设有单层钢筋网片22。

本实用新型的有益效果在于，二次衬砌混凝土表面光洁，外观良好，无开裂，能有效地抑制Ⅱ、Ⅲ级围岩隧道二次衬砌微裂缝的产生与扩展，并满足高速铁路运营的安全性要求。

3.涉及高速铁路隧道基础的专利技术

(1)为满足高速列车运行的安全性、舒适性需要，高速铁路对行车平稳性有着相当高的要求。路基沉降是影响行车平稳性的重要因素。按照我国《客运专线无碴轨道铁路设计指南》，路基工后沉降不应大于15mm，长度大于20m的路基，允许的最大工后沉降量为30mm；桥梁墩台均匀沉降量不大于20mm；涵洞的地基为压缩性土地层时，其工后沉降量不应大于30mm。而该指南对隧道只要求底部加仰拱，对沉降并未作明确规定。这主要是由于隧道是深埋于地下的封闭结构，土体处于三轴压缩状态，工后沉降量一般很小。

无碴轨道技术在我国刚刚起步，在黄土地区建设无碴轨道在世界上都是首次。如中铁二院工程集团有限责任公司提出的发明专利申请200910059813.7提出了一种高速铁路湿陷性黄土隧道地基基础构造。如图13所示，该黄土地区高速铁路隧桥相连处基础构造，包括隧道洞口段基础和隧道洞口与桥梁桥台21之间的短路基基础，所述隧道}同口段基础在仰拱10下纵向、横向间隔成排布设树根桩11，树根桩11下端伸人至桥梁承台22以下；所述短路基基础为}昆凝土回填层12。

本实用新型的有益效果在于，隧道基础刚度得到加强，隧道基础和桥梁基础刚度匹配较好，能有效地将路基与隧道基础、桥梁基础之间的差异性沉降控制在许可的范围内，从而消除其对行车平稳性的影响，在我国黄土地区极具推广价值。

(2)现有高速铁路隧－隧问路基过渡段采用多段不同材料的路基结构，这种结构一般适合隧.隧间距离较长的过渡段，对于距离较短的过渡段如果依然采取上述结构，会因为每段过渡段之间刚度的不同，导致高速列车通过时，高速铁路隧道与隧道之间的动响应产生叠加，严重影响高速列车的平稳运行，造成舒适度降低，影响高速行车安全。

中铁第四勘察设计院集团有限公司提出的发明专利申请201010516315.3提供了一种高速铁路隧一隧间短路基过渡段结构。如图14所示，该高速铁路隧.隧间短路基过渡段结构，包括过渡段路基，该过渡段路基铺设于两隧道3之间，所述两隧道3之间的间距≤55m，所述过渡段路基包括基床表层1，该基床表层1以下部分的过渡段路基7填筑同一种材料，该材料为掺有重量百分比为3％～5％水泥的级配碎石。

采用本发明提出的设计方案，实测沉降表明，高速铁路隧道与隧道间最大工后沉降为1.56mm，过渡段路基面不均匀沉降为0.38mm。现场实测动响应参数表明，此段路基的基床表层顶面，动应力幅值最大为14.41kPa，加速度幅值最大为13.77m／s²，动位移幅值最大为0.163mm，振动速度幅值最大为10.42m／s，都处于较低的水平，完全满足高速列车运行的动态稳定性。这说明本发明提出的设计方案切实可行，可以为高速铁路隧－隧间路基长≤55m的短路基提供坚实的轨下基础和良好的过渡。

4.涉及高速铁路隧道通信的专利技术

(1)在列车无线调度通信系统中，车站电台起着非常重要的作用。近些年随着我国铁路事业的飞速发展，列车速度越来越高，站场区间越来越大，因此铁路沿线弱场覆盖及盲区覆盖问题日趋严重，特别是在山区长隧道、多隧道，平原大区间，场强覆盖的问题更加明显。如果使用另外设置的中继设备，则会大大增加系统成本。

鉴于上述现有技术存在的问题，天津七一二通信广播有限公司的发明专利申请201010228207.6提供了一种融车站电台与中继设备于一身的光纤中继车站电台，以解决站场区间内弱场和盲区覆盖问题，特别是山区长隧道、多隧道，平原大区间盲区覆盖问题。

电台主要由本站电台、区间电台及光纤通信设备组成，其中区间电台置于弱场区域，本站电台的数据、语音信息通过光纤传给区间电台，再由区间电台将数据、语音信息用无线电方式发送出去。

本发明的有益效果在于，提高了车站电台的场强覆盖能力，解决了站场区间内弱场和盲区覆盖问题，特别是山区长隧道、多隧道，平原大区间盲区覆盖问题，与使用专门中继设备的方式比较可大大缩减成本，可提高铁路无线调度通信的可靠性，具有创新、实用性和推广价值。

5.涉及高速铁路隧道施工方法的专利技术

目前世界上对大断面隧道采用的施工方法主要有双侧壁导坑法、三台阶七步开挖法、CD法和CRD法，都属于开挖方法；管幕施工不必降低地下水位和大范围开挖，不影响城市道路、铁路正常运行，适用于回填、砂土、粘土、软土和岩层等多种地层，可以有效控制地面沉降以及对周围环境的影响，特别适合我国的情况。在进行土质下穿隧道施工时，为了确保施工质量，会采用隧道超前支护工程，目前隧道一般采用φ108mm的管幕进行超前支护，但施工中如果所处地段地质情况复杂，采用现有的超前支护方法难以有效地对临近的建筑、道路进行保护。

中铁二局股份有限公司、中铁二局第一工程有限公司的发明专利ZL 200910312357.2提出了一种土质下穿隧道超大直径管幕施工方法，包括如下施工步骤：准备工作、测量定位、导向孔钻进、过程纠偏、扩孔及拉管、清孔、管幕注浆。通过先在土层内施工导向孔，再采用边扩孔边拉管的方式把超大直径的钢管拉入导向孔内，可以有效避免施工中对土层的扰动，采用带导向板的楔型钻头对导向孔施工进行过程纠偏，有力地保证钻孔精度和成孔质量。施工中上部土体沉降满足既有线的安全要求。

本方法在哈大铁路客运专线鞍山隧道施工中得到了成功应用。下穿军用铁路线暗挖段80根50m长中300ram超大直径管幕钢管均采用先钻导向孔、扩孔拉管的工艺进行施工，施工进展顺利。施工过程中通过监控量测，上部土体沉降满足既有线的安全要求。开挖后钢管基本达到平、直，没有发生平交、立交现象，施工精度达到预期要求，为隧道防水和衬砌施工创造条件。为以后类似工程的施工提供了借鉴和参考。本发明适用于下穿隧道超大直径管幕施工，也适用于其他下穿工程施工，具有推广价值。

除了上述的高速铁路隧道的空气动力学效应、支护、路基、施工以及通信外，我国对高速铁路隧道的研究深入到每个方面，包括排水、防水材料、混凝土材料、隧道灯等问题。需要引起注意的是，在已经授权的有效专利中，实用新型专利占有相当大的比重。

结语

综上所述，我国高铁的施工单位和科研院所，如中铁二院工程集团责任公司、中铁八局集团有限公司、西南交通大学、三一重工股份有限公司等，通过大量工程试验和实践，不断开拓创新，在系统总结自身研究成果的基础上，在高速铁路隧道技术领域形成了一系列自主知识产权，为我国高速铁路隧道的正常运行以及后续发展提供了坚实的技术保障，也必将为建设我国发达的高速铁路网、构建现代化综合交通运输体系作出新的贡献。

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