JP6975099B2 - トンネル緩衝工の微気圧波低減構造 - Google Patents

Description

この発明は、移動体がトンネルに突入するときに発生するトンネル微気圧波を、トンネル坑口を覆うトンネル緩衝工によって低減するトンネル緩衝工の微気圧波低減構造に関する。

高速鉄道における空気力学的な環境問題の一つであるトンネル坑口から放射されるトンネル微気圧波は車両速度への依存性が高いため、沿線環境を悪化させることなく新幹線（登録商標）の速度向上を実現するためには、低減対策を講じる必要がある。トンネル微気圧波の大きさ（ピーク値）は、トンネル坑口に達した圧縮波の波面圧力勾配最大値に比例する。よって微気圧波低減のためには、圧縮波の波面圧力勾配を緩やかにすることが必要である。地上側の対策の代表的なものにトンネル緩衝工があり、その効果は長いほど大きい。しかしながら、今後さらに新幹線の速度向上が行われると、必要なトンネル緩衝工は長大なものになると見込まれ、長さを抑えるためにトンネル緩衝工自体の性能向上が求められている。

トンネル緩衝工は、列車のトンネル突入側のトンネル坑口に設置し、列車のトンネル突入時の圧縮波形成の段階で、その波面圧力勾配を緩やかにするものである。現在の新幹線のトンネルに設置されているトンネル緩衝工の多くは、微気圧波対策の初期に行われた模型実験結果に基づき、断面積がトンネル本坑の1.4〜1.6倍（一部、トンネル本坑と同一断面のものもある）で、側面に離散的に側面開口部（離散窓型開口部）が設けられている。従来のトンネル緩衝工は、トンネル坑口に設置されるフード部の側壁に開閉度を調整可能なスリット状の側面開口部を備えている（例えば、特許文献１参照）。このような従来のトンネル緩衝工では、側面開口部の開閉度を調整することによってこの側面開口部の開口面積を変化させて、列車先頭部がトンネル坑口に突入したときにこのトンネル内に発生する圧縮波の圧力勾配を側面開口部によって小さく抑え、トンネル微気圧波を低減させている。

特開2008-019668号公報

トンネル緩衝工は、側面開口部の開閉パターンを列車の形式（先頭部形状）やトンネル突入速度に合わせて調整し、側面開口部の開閉パターンを適切に設定するならば、トンネル緩衝工の長さに応じて微気圧波低減効果が得られる。しかしながら、今後の新幹線の320 km/hを超える速度向上に現在の仕様のままで対応しようとすると、必要となるトンネル緩衝工の長さは現在の30〜50mからさらに長くなり、トンネルの条件によっては100m程度の長大なものになると考えられる。このため、コスト増になるとともに、現地の状況からさらなるトンネル緩衝工の延長は不可能なケースが出てくる問題点がある。

この発明の課題は、トンネル緩衝工によるトンネル微気圧波の低減性能をより一層向上させることができるトンネル緩衝工の微気圧波低減構造を提供することである。

この発明は、以下に記載するような解決手段により、前記課題を解決する。
なお、この発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、この実施形態に限定するものではない。
請求項１の発明は、図１に示すように、移動体（１）がトンネル（３）に突入するときに反対側トンネル坑口に発生するトンネル微気圧波を、トンネル坑口（３ａ）を覆うトンネル緩衝工（４）によって低減するトンネル緩衝工の微気圧波低減構造であって、前記トンネル坑口から緩衝工口に向かって、前記トンネル緩衝工の断面積（Ａ₁〜Ａ₄）が段階的に増加することを特徴とするトンネル緩衝工の微気圧波低減構造（５）である。

請求項２の発明は、請求項１に記載のトンネル緩衝工の微気圧波低減構造において、前記トンネル緩衝工の断面積が段階的に増加するように、このトンネル緩衝工の長さ方向に複数の段部（５ａ〜５ｄ）を備えることを特徴とするトンネル緩衝工の微気圧波低減構造である。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載のトンネル緩衝工の微気圧波低減構造において、前記トンネルの断面積（Ａ₁〜Ａ₄）に対する前記トンネル緩衝工の断面積（Ａ₀）の比が1.4以上3.5以下の範囲内で、このトンネル緩衝工の断面積が段階的に増加することを特徴とするトンネル緩衝工の微気圧波低減構造である。

この発明によると、トンネル緩衝工によるトンネル微気圧波の低減性能をより一層向上させることができる。

この発明の実施形態に係るトンネル緩衝工の微気圧波低減構造を模式的に示す縦断面図である。 この発明の実施形態に係るトンネル緩衝工の微気圧波低減構造の作用を説明するための模式図であり、（Ａ）〜（Ｃ）はトンネル緩衝工を備えるトンネルに列車が突入するときに発生する圧力波の形成過程を示す模式図である。 この発明の実施形態に係るトンネル緩衝工の微気圧波低減構造の微気圧波低減効果を模式的に示すグラフである。 この発明の実施例に係るトンネル緩衝工の微気圧波低減構造による微気圧波低減効果の実験に使用した模型実験装置の概略図である。 この発明の実施例に係るトンネル緩衝工の微気圧波低減構造による微気圧波低減効果の実験状況を示す写真である。 この発明の実施例に係るトンネル緩衝工の微気圧波低減構造による圧縮波の圧力勾配波形を一例として示すグラフであり、（Ａ）〜（Ｄ）はトンネル緩衝工の長さが異なるときの圧力勾配波形を一例として示すグラフである。 この発明の実施例に係るトンネル緩衝工の微気圧波低減構造による圧縮波の波面圧力勾配最大値比を示すグラフである。 この発明の実施例に係るトンネル緩衝工の微気圧波低減構造による効果を示すグラフである。

以下、図面を参照して、この発明の実施形態について詳しく説明する。
図１に示す列車１は、軌道２に沿って移動する移動体である。列車１は、例えば、320km/h以上の高速で走行する新幹線車両などの鉄道車両である。軌道２は、列車１が走行する通路（移動経路）である。軌道２は、例えば、上り本線及び下り本線の二本の本線で構成された複線である。トンネル３は、山腹などの地中を貫通して列車１を通過させるための固定構造物（土木構造物）である。トンネル３は、例えば、一つの固定構造物内に軌道２を収容する複線用の鉄道トンネル（複線トンネル）である。トンネル３は、列車１が突入及び退出する出入口となるトンネル坑口３ａなどを備えている。

トンネル緩衝工４は、トンネル微気圧波を低減するためにトンネル坑口３ａを覆う固定構造物（土木構造物）である。図１に示すトンネル緩衝工４は、例えば、一つのトンネル覆工内に軌道２を収容する複線用の入口緩衝工（複線トンネル緩衝工）である。トンネル緩衝工４は、列車１の先頭部がトンネル３の入口側のトンネル坑口３ａに突入したときに発生する圧縮波の圧力勾配（波面の勾配）を緩やかにすることによって、トンネル３の出口側のトンネル坑口（反対側坑口）から外部に放射するトンネル微気圧波を低減する。トンネル緩衝工４は、例えば、コンクリート製、鉄筋コンクリート製又は鋼板製のフード状（覆い状）の構造物であり、トンネル坑口３ａの外部に軌道２に沿ってトンネル３を延長するように構築されている。トンネル緩衝工４は、このトンネル緩衝工４の中心線に対して直交する平面で切断したときの断面形状が半円形、矩形又は六角形のような多角形であり、列車１の速度に応じた長さに構築されている。トンネル緩衝工４は、列車１が突入及び退出する緩衝工口（出入口）４ａと、トンネル緩衝工４の上側部分を構成する天部４ｂと、トンネル緩衝工４の側面部分を構成する側壁４ｃと、微気圧波低減構造５などを備えている。

微気圧波低減構造５は、列車１がトンネル３に突入するときに発生するトンネル微気圧波を、トンネル坑口３ａを覆うトンネル緩衝工４によって低減する構造である。微気圧波低減構造５は、例えば、360km/h以上で走行する列車１の微気圧波低減に有効である。微気圧波低減構造５は、トンネル坑口３ａから緩衝工口４ａに向かって、このトンネル緩衝工４の断面積Ａ₁〜Ａ₄を段階的に増加させている。微気圧波低減構造５は、トンネル緩衝工４の断面積Ａ₁〜Ａ₄が段階的に増加するように、このトンネル緩衝工４の長さ方向に複数の段部５ａ〜５ｄを備えている。微気圧波低減構造５は、トンネル３の断面積Ａ₀に対するトンネル緩衝工４の断面積Ａ₁〜Ａ₄の比が1.4以上3.5以下の範囲内で、このトンネル緩衝工４の断面積Ａ₁〜Ａ₄を段階的に増加させている。ここで、図１に示す断面積Ａ₀は、トンネル３の中心線に対して直交する平面で切断したときのこのトンネル３の本坑の切断面の面積である。断面積Ａ₁〜Ａ₄は、トンネル緩衝工４の中心線に対して直交する平面で切断したときのこのトンネル緩衝工４の切断面の面積である。断面積Ａ₁は、段部５ａにおける切断面の面積であり、断面積Ａ₂は段部５ｂにおける切断面の面積であり、断面積Ａ₃は段部５ｃにおける切断面の面積であり、断面積Ａ₄は段部５ｄにおける切断面の面積である。段部５ａ〜５ｄは、例えば、それぞれ10m程度の長さで形成されており、トンネル３の断面積Ａ₀に対するトンネル緩衝工４の断面積Ａ₁〜Ａ₄の比が約0.5単位で増加するようにそれぞれ形成されている。

次に、この発明の実施形態に係るトンネル緩衝工の微気圧波低減構造の作用について説明する。
図２（Ａ）に示すように、列車１の先頭部が緩衝工口（図２に示すＥ点）に突入すると、圧縮波による第１波が発生する。次に、図２（Ｂ）に示すように、列車１がさらに進行してこの列車１の先頭部がトンネル緩衝工４とトンネル坑口３ａとの接続部であるＪ点を通過すると、トンネル３内の圧縮波と第１波とがＪ点で反射し、さらにＥ点で反射した膨張波の二つの圧力波の重ね合わせである第２波が発生する。図２（Ｃ）に示すように、列車１の先頭部がＪ点を通過すると、トンネル緩衝工４内の膨張波がＥ点で反射した圧縮波に相当する第３波が発生する。

図３に示す縦軸は、圧力勾配∂p/∂t(MPa/s)であり、横軸は時間ｔ(ms)である。実線は、トンネル緩衝工４がある場合の波形であり、点線はトンネル緩衝工４がない場合の波形である。図３に示すように、トンネル緩衝工４がある場合の圧縮波の圧力勾配波形には３つのピークが存在し、各ピークが第１波、第２波及び第３波に対応する。トンネル緩衝工４がある場合には、トンネル緩衝工４がない場合に比べて、圧力勾配最大値のピークが分散されて圧力勾配最大値が小さくなりトンネル微気圧波が低減される。

この発明の実施形態に係るトンネル緩衝工の微気圧波低減構造には、以下に記載するような効果がある。
(1) この実施形態では、トンネル坑口３ａから緩衝工口４ａに向かって、このトンネル緩衝工４の断面積Ａ₁〜Ａ₄が段階的に増加する。このため、トンネル３内に発生する圧縮波の圧力勾配最大値を小さくすることができ、トンネル坑口３ａから放射されるトンネル微気圧波を低減することができる。

(2) この実施形態では、トンネル緩衝工４の断面積が段階的に増加するように、このトンネル緩衝工４の長さ方向に複数の段部５ａ〜５ｄを備えている。このため、従来のトンネル緩衝工のような側面開口部が不要になってトンネル緩衝工４を低コストで簡単に設置することができる。また、従来のトンネル緩衝工のような側面開口部の開閉度を調整するような手間のかかる作業が不要になって、調整に必要な作業負担を大幅に軽減することができる。

次に、この発明の実施例について説明する。
図４に示すトンネル空気力学模型実験装置を使用して、断面積を段階的に変化させたトンネル緩衝工による微気圧波低減効果を確認するための模型実験を実施した。模型実験では、車両、トンネル及びトンネル緩衝工に軸対称形状の模型を用い、走行位置は車両とトンネルの中心軸を一致させた中心走行のみで車両の速度360km/hで実施した。地面の効果は鏡像法により模擬し、縮尺は約1/127である。車両/トンネル断面積比は、新幹線相当の0.19とした。先頭部形状は回転楕円とし、その長さは実スケール15m相当とした。模型実験は、以下の表１に示す実施例１〜９について実施した。

実施例１〜９は、図１に示すような断面積が段階的に変化する断面積多段型のトンネル緩衝工である。実施例１〜９は、いずれも長さが実スケール10m単位でトンネル緩衝工/トンネル断面積の比が約0.5単位で拡大しており、従来のトンネル緩衝工のような側面開口部がない。図５は、トンネル緩衝工の断面積の比が1.4+2+2.5+3であり実スケールで全長30mに相当する表１に示す実施例５のトンネル緩衝工の模型実験の状況を一例として示す写真である。

図６は、実施例１〜９及び比較例による圧力勾配波形を一例として示すグラフである。ここで、比較例は、トンネル緩衝工がない場合の圧力勾配波形である。図６（Ａ）に示す長さ20mの実施例１を除いて、図６（Ｂ）〜（Ｄ）に示す長さ30,40,50mの実施例２〜９については、圧縮波の波面圧力勾配波形に三つのピーク（図２に示す第１波、第２波及び第３波に相当）が存在することが確認された。図６（Ｃ）に示すように、第１波及び第２波のピークが同程度となり、圧力勾配最大値が最も小さくなるのは、トンネル緩衝工の長さ40mでトンネル緩衝工/トンネル断面積の比が1.4 + 2 + 2.5 + 3と拡大する実施例５であった。また、トンネル緩衝工/トンネル断面積の比が1.4 + 2 + 2.5 + 3 + 3である実施例８については、断面積を拡大せずに10m延伸しても、圧力勾配最大値の低減にはつながらないことが、図６（Ｃ）（Ｄ）に示す圧力勾配波形の比較より確認された。さらに、トンネル緩衝工を延長する場合には、トンネル緩衝工/トンネル断面積の比を1.4 + 2 + 2.5 + 3 + 3.5のように断面積をさらに拡大することで低減効果を大きくできる可能性があることが確認された。

図７は、実施例１〜９及び比較例の圧縮波の波面圧力勾配最大値比αを示すグラフである。ここで、波面圧力勾配最大値比αは、トンネル緩衝工がない場合の圧力勾配最大値を１としたときに、トンネル緩衝工がある場合の圧力勾配最大値の比である。図８は、側面開口部のある断面積１倍のトンネル緩衝工、側面開口部のある断面積1.4倍のトンネル緩衝工、側面開口部を全閉した断面積2.5倍のトンネル緩衝工、及び側面開口部のない断面積多段型のトンネル緩衝工の波面圧力勾配最大値比αを比較するグラフである。図８に示す曲線は、トンネル緩衝工の効果を表すもので、側面開口部のある断面積1.4倍のトンネル緩衝工について、波面圧力勾配最大値比αとトンネル緩衝工の長さＬとの関係をトンネル緩衝工の効果を表すα＝Ｄ/(Ｄ＋Ｌ）で最小二乗近似した曲線である。ここで、Ｌは、トンネル緩衝工の長さである、Ｄは、列車の先頭部形状やトンネル緩衝工の仕様から決まる特性長さである。

図７及び図８に示すように、トンネル緩衝工の断面積を段階的に拡大した断面積多段型のトンネル緩衝工により、トンネル緩衝工の性能向上を図ることが可能であることが確認された。特に、トンネル緩衝工の長さが40m以上の場合には、トンネル緩衝工/トンネル断面積の比を段階的に拡大する断面積多段型緩衝工がさらに大きい効果が得られることが確認された。また、断面積多段型のトンネル緩衝工では、すでに従来型のトンネル緩衝工が設けられているトンネルにおいて速度向上に対応してトンネル緩衝工を延伸する場合などに適用可能であることが確認された。

この発明は、以上説明した実施形態に限定するものではなく、以下に記載するように種々の変形又は変更が可能であり、これらもこの発明の範囲内である。
(1) この実施形態では、移動体が列車１である場合を例に挙げて説明したが、磁気浮上式鉄道又は自動車などの他の移動体についても、この発明を適用することができる。また、この実施形態では、固定構造物がトンネル３及びトンネル緩衝工４である場合を例に挙げて説明したが、固定構造物をこれらに限定するものではない。例えば、雪崩を通過させるために山腹斜面から線路上を覆う庇状のスノーシェッド（雪崩防護工）、吹雪、地吹雪による線路上の吹き溜まりの発生を防止するために線路上を覆うスノーシェルタ、斜面から転落又は落下してくる落石を通過させるために線路上を覆う落石覆い（落石防護工）、線路上を立体的に交差する橋梁又は高架橋などの立体交差、線路上部に駅本屋が存在する橋上駅（橋上建物）、線路を超えるために線路上に架け渡された跨線橋などの固定構造物についても、この発明を適用することができる。さらに、列車１が新幹線列車である場合を例に挙げて説明したが、在来線を走行する在来線列車、又は新幹線と在来線とを相互に走行可能な新在直通運転用の列車などについても、この発明を適用することができる。

(2) この実施形態では、軌道２が複線である場合を例に挙げて説明したが、軌道２が単線又は複々線である場合についてもこの発明を適用することができる。また、この実施形態では、トンネル緩衝工４の長さ方向に４つの段部５ａ〜５ｄをそれぞれ10m程度で形成する場合を例に挙げて説明したが、段部５ａ〜５ｄを４つ以上形成する場合や段部５ａ〜５ｄの長さを任意の長さにする場合についても、この発明を適用することができる。同様に、この実施形態では、トンネル３の断面積Ａ₀に対するトンネル緩衝工４の断面積Ａ₁〜Ａ₄の比が約0.5単位で増加する場合を例に挙げて説明したが、これらの比が0.5以外の単位で増加する場合についても、この発明を適用することができる。

１ 列車（移動体）
２ 軌道
３ トンネル
３ａ トンネル坑口
４ トンネル緩衝工
４ａ 緩衝工口
５ 微気圧波低減構造
５ａ〜５ｄ 段部
Ａ₀ トンネルの断面積
Ａ₁〜Ａ₄ トンネル緩衝工の断面積

Claims (3)

1. 移動体がトンネルに突入するときに反対側トンネル坑口に発生するトンネル微気圧波を、トンネル坑口を覆うトンネル緩衝工によって低減するトンネル緩衝工の微気圧波低減構造であって、
   前記トンネル坑口から緩衝工口に向かって、前記トンネル緩衝工の断面積が段階的に増加すること、
   を特徴とするトンネル緩衝工の微気圧波低減構造。
2. 請求項１に記載のトンネル緩衝工の微気圧波低減構造において、
   前記トンネル緩衝工の断面積が段階的に増加するように、このトンネル緩衝工の長さ方向に複数の段部を備えること、
   を特徴とするトンネル緩衝工の微気圧波低減構造。
3. 請求項１又は請求項２に記載のトンネル緩衝工の微気圧波低減構造において、
   前記トンネルの断面積に対する前記トンネル緩衝工の断面積の比が1.4以上3.5以下の範囲内で、このトンネル緩衝工の断面積が段階的に増加すること、
   を特徴とするトンネル緩衝工の微気圧波低減構造。

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