JPH10317896A - トンネル緩衝工 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 トンネル緩衝工の開口部を適切に配置し、圧
力波の圧力勾配を比例的に立ち上げるとともに、滑らか
な立ち上げ線とし、トンネル緩衝工の最適化が簡単且つ
確実にできるトンネル緩衝工を提供する。 【解決課題】 覆体２に設けられる開口部３は、前記覆
体２の前端２ａと後端２ｂを除いて、前記覆体２の長さ
方向ａに覆体２だけとなる部分を生じさせずに覆体２の
長さ方向ａに存在するとともに、前記覆体２の前側から
後ろ側へとその開口幅ｈを関数ｆ（ｘ）で連続的に減ず
るようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、トンネルに連結さ
れ、新幹線等の高速車両がトンネルに突入したときに発
生する圧縮波を低減すること、この圧縮波が伝搬しても
出口において発生する微気圧波による音を低くするトン
ネル緩衝工に関する。

【０００２】

【従来の技術】高速車両がトンネルに突入すると列車の
前面に圧力波が形成され、この圧力波がトンネル内を伝
播する間に圧力勾配が急峻になる。圧力波がトンネル出
口まで達すると、トンネル出口から微気圧波を放出する
が、その微気圧波のレベルはトンネル出口に達した圧力
波の圧力勾配に比例する。放出された微気圧波は、「ド
ン」という音として付近の住民に認識され、この騒音は
環境問題となる場合がある。

【０００３】この対策として、特開平４−１０９００号
公報、特開平４−３５３１９３号公報、特開平１−２７
５８９６号公報、特開平４−３０２６９８号公報、特開
平４−１８２５０２号公報、特開平５−２３１０９３号
公報、特開平５−９８８９１号公報、特開平７−４２０
０号公報、特開平５−２０９４０４号公報、特開平５−
２０９４０４号公報に開示される種々の提案がなされて
いるが、現在のところ実用になっているのは、特公昭５
５−３１２７４号公報で提案されたトンネル緩衝工と呼
ばれるトンネルの入口に設置する入口フードである。

【０００４】図５に示されるように、特公昭５５−３１
２７４号公報に開示の緩衝工１０１は、トンネルＴの入
口に、トンネルＴの断面よりも大きく、長さがトンネル
直径の１〜３倍程度の覆体１０２を連結し、覆体１０２
中央に覆体１０２の断面積と覆体１０２の長さとから決
められた最適面積を有する開口部１０３を１個ないし複
数個（図示例では４個）設けるたものである。この緩衝
工１０１によって、列車がトンネルＴに突入するときに
生じる圧縮波面の勾配を滑らかにすると前記公報に記載
されている。

【０００５】このトンネル緩衝工１０１の目的は、トン
ネルＴの内部を伝播してトンネルＴの出口まで到達した
圧力波の最大圧力勾配が許容範囲以下となるように、あ
らかじめトンネルＴの入口において最大圧力勾配を小さ
くしておくことにある。最大圧力勾配が最も小さくなる
のは、一定の圧力勾配で圧力が上昇する場合であり、前
記特公昭５５−３１２７４でのべられている最適面積を
有する開口部１０３とは、一定の圧力勾配で圧力を上昇
させることを可能とする開口面積である。

【０００６】特公昭５５−３１２７４公報にはこの開口
部１０３の面積について、覆体１０２の延長が約１２
ｍ、覆体１０２の断面積が約１００ｍ² のとき、開口部
１０３の面積は約７ｍ² である、と記しているが、一般
的な開口部１０３の面積には触れていない。また、開口
部１０３の形状についても触れられていない。

【０００７】この開口部に関して、特開昭５２−１９３
２号公報や特開平８−１３５３８１号公報には、開口部
を緩衝工の長さ方向に多数に分断された通気孔の列状配
置とし、緩衝工の前側の通気孔から後側の通気孔に至る
につれて通気孔の断面積を小さくすることで衝撃の程度
を更に小さくするものが提案されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】以上述べた従来のトン
ネル緩衝工では、開口部の合計面積や列状配置の通気孔
の開口面積を順に小さくすることで、緩衝工の最適化が
なされているが、開口部の形状まで最適化されていると
は言えない。また、開口部の面積はこれまでトンネルと
列車の模型による実験から主に求められてきており、こ
の実験では経験と試行錯誤が要求される。

【０００９】将来、時速５００ｋｍ／ｈｒ程度で走行す
るリニアモーターカーの実用化が予測され、この場合に
は上述した微気圧波が大きな問題となる。その対策とし
て上述したトンネル緩衝工の採用が考えられているが、
列車の速度が速いために、トンネル緩衝工の長さは８０
ｍを越えることが予想される。トンネル緩衝工の建設費
用の面からトンネル緩衝工はなるべく短いことが要求さ
れているので、厳密な最適設計が必要となっている。

【００１０】また、緩衝工が長くなるほど、開口部は長
さ方向に分断された通気孔として配設されることになる
が、通気孔と通気孔との間の覆体だけとなった部分で新
たに緩衝工に突入したことと同様になり、圧力波に局所
的に急峻な立ち上がり部が形成され、この急峻な立ち上
がり部で決まる「ドン」音が発生するという問題点があ
った。さらに、圧力波の立ち上がり部分を緩やかにして
も、立ち上げ線が曲線になると曲線の変曲点で急峻にな
るという問題点があった。

【００１１】本発明は、上述した従来の技術の問題点に
鑑みてなされたものであり、トンネル緩衝工の開口部を
適切に配置し、圧力波の圧力勾配を比例的に立ち上げる
とともに、滑らかな立ち上げ線とし、トンネル緩衝工の
最適化が簡単且つ確実にできるトンネル緩衝工を提供す
ることを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
本発明のうち請求項１にかかる発明は、トンネルに連結
される覆体と、前記覆体に設けられる開口部と、を備え
るトンネル緩衝工において、前記開口部は、前記覆体の
前端と後端を除いて、前記覆体の長さ方向に覆体だけと
なる部分を生じさせずに覆体の長さ方向に存在するとと
もに、前記覆体の前側から後ろ側へとその開口幅を連続
的に減ずるものであることを特徴とするものである。覆
体の前側から後側に延在する開口部の切れ目がなくな
り、圧力波が徐々に傾いて滑らかな圧力勾配になり、部
分的に急峻な圧力勾配の部分がなくなる。また、開口部
が覆体の前側から後ろ側へと連続的に開口幅を減ずるの
で、圧力波の圧力勾配が曲線にならずに直線的に立ち上
がる。

【００１３】請求項２にかかる発明は、請求項１におい
て、前記開口部は長さ方向に分断された複数部分からな
り、分断されて隣り合う前記部分は前記覆体の周方向に
ずらされることで、前記覆体の長さ方向に覆体だけとな
る部分を生じさせずに覆体の長さ方向に存在するもので
ある。開口部は覆体の長さ方向において切れ目がなけれ
ばよく、周方向に部分的にずれていることは構わない。
周方向にずらすことで、開口部を設ける覆体の強度が上
がる。

【００１４】請求項３にかかる発明は、請求項１又は２
において、覆体の前側から後ろ側へとその開口幅を連続
的に減ずる前記程度は、前記覆体の前側から後ろ側への
長さ方向をｘとし、長さ方向ｘでの開口幅をｆ（ｘ）と
すると、ｆ（ｘ）＝Ａ／√（Ｂｘ＋Ｃ）の関係式による
ものである。ここで、Ａ、Ｂ、Ｃは列車とトンネルと緩
衝工の諸元から決まる定数である。この式で決まる開口
幅にすると、圧力波の圧力勾配が正確に直線になって立
ち上がる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施形態を図面を参
照しつつ説明する。図１は、本発明の緩衝工の斜視図で
あり、図２は、本発明の他の緩衝工の側面図である。

【００１６】図１において、トンネル緩衝工１は、覆体
２の両側面に開口部３を設けたものである。

【００１７】覆体２は、トンネルＴの入口と等しい断面
又はトンネルＴの入口より多きな断面を有するものであ
って、前端Ａから後端Ｂへと長さＬの全長を有する長尺
覆体となっている。

【００１８】開口部３は、覆体２の前端Ａにある全周部
分２ａと後端Ｂにある全周部分２ｂの部分を除いて、覆
体２の長さ方向に切れ目なく存在している。この開口部
３の開口幅ｈは、覆体２の前側から後ろ側へと関数ｆ
（ｘ）で決まる曲線で連続的に減少している。

【００１９】実際にはトンネル緩衝工の加重を支える支
柱または壁面が必要となるので、トンネル緩衝工の軌道
方向に連続した開口部を設けるのは困難である。そこ
で、図２に示されるように、開口部４を部分４ａ、４
ｂ、４ｃ・・・のように、長さ方向ａで分断し、隣り合
う部分は覆体２の周方向ｂにずらしている。すると部分
同志の間に周方向につながる覆体が存在し、トンネル緩
衝工の自重等を支えることができる。

【００２０】ただし、図２の場合も、開口部４は、覆体
２の前端Ａにある全周部分２ａと後端Ｂにある全周部分
２ｂの部分を除いて、覆体２の長さ方向に切れ目なく存
在している。この開口部４の開口幅ｈは、覆体２の前側
から後ろ側へと関数ｆ（ｘ）で決まる曲線で連続的に減
少している。すなわち、開口部４が単に周方向にずれて
いるというのが、図１と異なるだけである。なお、図２
のように周方向にずらす場合に限らず、図１の場合で開
口に補強のための網目部材を設ける場合であっても、長
さ方向に連続した開口部として扱うことができる。

【００２１】つぎに、圧力波の立ち上がりが比例的にな
る開口部の幅方向の曲線ｆ（ｘ）の決め方を以下に説明
する。トンネル緩衝工の前側の開口部の存在しない部分
を列車が通過するときに生じる圧力波の圧力上昇値Δｐ
は、下記の式（１）で表される。

【００２２】

【数１】

【００２３】ここで、ｐ_o は大気圧、κは空気の比熱比
κ＝１．４、ａは音速、Ｒはトンネル緩衝工の断面積に
対する列車の断面積の比、Ｖは列車のトンネル進入速度
である。

【００２４】図１に示すようなトンネル緩衝工について
考える。トンネル緩衝工の断面積をＳ、トンネル緩衝工
入口からの距離ｘにおける開口部の周方向長さをｆ
（ｘ）とする。位置ｘにおける緩衝工内の圧力がｐであ
るとき、位置ｘにおける開口部の流速ｕは、下記の
（２）式で表せる。

【００２５】

【数２】

【００２６】ここで、ρは開口部から流出する空気の密
度である。音速でトンネル出口側へ移動する微小区間ｄ
ｘの圧力要素について考える。列車突入により圧縮され
た空気の圧力と密度の初期値をｐ₁ 、ρ₁ とする。式
（１）よりｐ₁ は、下記の（３）式で表せる。

【００２７】

【数３】

【００２８】開口部ｆ（ｘ）ｄｘより流出する微小区間
ｄｘの空気の質量流量は、開口部の流量係数をμとする
と、

【００２９】

【数４】

【００３０】この質量損失分が微小区間ｄｘの密度変化
となるので、

【００３１】

【数５】

【００３２】断熱変化を仮定して、圧力ｐの変化率で表
示すると、

【００３３】

【数６】

【００３４】

【数７】

【００３５】

【数８】

【００３６】

【数９】

【００３７】で表される。つまり、位置ｘにおける圧力
の時間変化は、位置ｘにおける開口高さｆ（ｘ）と緩衝
工内外圧力差によって決まる。次に、トンネル緩衝工終
点Ｂのおける圧力の時間変化（圧力勾配）について考え
る。列車の先頭が位置ｘ’にある時に生じた圧力波が終
点Ｂのに到達したときの圧力をｐ（ｘ’）とする。位置
ｘ’において列車前面に圧力波が生じてからの時間をｔ
とすると、

【００３８】

【数１０】

【００３９】である。また、開口部の終点ｘ’＝Ｌにお
いて発生した圧力波の圧力レベルは、式（３）からｐ
（Ｌ）＝ｐ₁ である。したがって、この２つの関係から
微分方程式（９）を解くと、

【００４０】

【数１１】

【００４１】また、列車がトンネルに突入した時に生じ
た圧力波がトンネル緩衝工の終点Ｂに到達した時に急激
な圧力変化とならないためには、ｐ（０）＝Ｐ₀ である
必要があるので、

【００４２】

【数１２】

【００４３】トンネル緩衝工の終点Ｂにおける最大圧力
勾配が最小となるには、図５の波線のように一定の圧力
勾配であることが必要である。トンネル緩衝工内での音
速がトンネル全域において一定であるとすること、この
ことはｐ（ｘ’）の位置ｘ’に対する変化率が一定であ
ることを意味する。つまり、トンネル緩衝工入口のＡ点
を列車通過した時刻をｔ’＝０とすると、列車が位置
ｘ’に来た時に発生した圧力波がトンネル緩衝工の終点
Ｂに到達する時刻ｔ’は、

【００４４】

【数１３】

【００４５】となる。よって、

【００４６】

【数１４】

【００４７】となり、ｄｐ（ｘ’）／ｄｘ’が一定なら
ばｄｐ（ｘ’）／ｄｔ’も一定となる。このｄｐ
（ｘ’）／ｄｘ’の一定値をＣ₁ とする。

【００４８】

【数１５】

【００４９】しかし、ｘ＝Ｌにおいて式(15)と式(12)は
同時に成立しない。そこで、トンネル緩衝工突入以前
に、列車前面に発生している圧力の影響によりトンネル
緩衝工内を弱い圧力波が伝播し、トンネル緩衝工の終点
Ｂにおける圧力が上昇している実験的事実から、ｐ
（０）≠ｐ₀ とする。ここでｐ（０）は１００ｐａ程度
の値となる。

【００５０】

【数１６】

【００５１】式（１５）を式（１６）の条件の下で解く
と、

【００５２】

【数１７】

【００５３】ただし、Ｃ₁ は緩衝工長さＬの区間で圧力
ｐ（０）からｐ₁ へ一定圧力勾配で上昇するので、

【００５４】

【数１８】

【００５５】とした。トンネル緩衝工の終点Ｂにおいて
観測される圧力勾配は、式（１４）より、

【００５６】

【数１９】

【００５７】となる。式（８）と式（１７）よりｆ
（ｘ）は、

【００５８】

【数２０】

【００５９】ここで、圧力波前後の圧力の変化は微小で
あるので、音速ａは常に一定であるとして、ａ＝√（κ
ｐ₁ ／ρ₁ ）を用いた。

【００６０】式（２０）に定数表示を用いると、ｆ
（ｘ）＝Ａ／√（Ｂｘ＋Ｃ）で表示できる。

【００６１】実際には、ｆ（ｘ）がある値よりも大きい
と圧力が周囲へ逃げるためにトンネル緩衝工内の圧力が
ほとんど上昇せず、この部分は緩衝工としては機能しな
い。そこで、開口部の高さｆ（ｘ）が大きくなるトンネ
ル緩衝工の入口側の開口部をある長さにわたって閉じて
おく。この上限となる開口部高さは列車の速度とトンネ
ル緩衝工断面積に占める列車の断面積比により異なる
が、例えば、列車−トンネル緩衝工断面積比Ｒ＝０．
１、列車トンネル進入速度Ｖ＝５００ｋｍ／ｈｒでは、
トンネル緩衝工断面周囲長さの１．４％程度である。

【００６２】このように、列車−トンネル緩衝工断面積
比をＲ、列車トンネル進入速度をＶ、トンネル緩衝工面
積をＳ、トンネル緩衝工長さをＬが決まれば、最大圧力
勾配が最小となる最適の開口部形状が、トンネル緩衝工
入口からの距離ｘにおける開口部の幅ｈ＝ｆ（ｘ）とし
て求めることができる。

【００６３】

【実施例】本発明によるトンネル緩衝工と比較例のトン
ネル緩衝工とのシミュレーション対比を以下に説明す
る。図３に、本発明例のトンネル緩衝工開口部形状によ
る圧力と圧力勾配の時刻歴を波線に示す。実線は比較例
であって、幅８９ｍｍ、高さ３７ｍｍの長方形開口部を
トンネル緩衝工の片側につき６カ所、両側で１２カ所設
置した場合である。本発明例の場合、点線のようにほぼ
一定の圧力勾配となっている。

【００６４】図４は、図３の圧力勾配の微分本発明例の
場合、本発明例の場合、点線のようにピークは４６００
００ｐａ／ｓが得られて、比較例の場合、実線のように
ピークは５２００００ｐａ／ｓとなり、一割程高くなっ
ている。すなわち、本発明例の方が一割ほど微気圧波の
レベルを下げることができ、同じレベルで比較すると、
本発明例のトンネル緩衝工の方が一割程短くて済むこと
になる。リニア新幹線の場合、トンネル緩衝工の長さが
８０ｍ以上必要であると予測されているので、、一割長
さを短くできる最適化ができると極めて有効である。

【００６５】

【発明の効果】上述したように、請求項１にかかる発明
によると、緩衝工による圧力波の圧力勾配の立ち上がり
角度が緩衝工の長さに依存して小さくなるが、緩衝工の
前側から後側への連続した開口部によって、圧力勾配の
立ち上がり部に段差が生じずスムーズな立ち上がりにな
るとともに、開口部が緩衝工の前側から後側へと開口幅
が減少することによって、圧力波が比例的に立ち上が
り、圧力勾配が低くなる。その結果、トンネル出口での
微気圧波を下げることができ、同じ程度の微気圧波にす
るのであれば、緩衝工の長さをできるだけ短くできると
いう最適化が可能になる。

【００６６】請求項２にかかる発明によると、開口部を
覆体の長さ方向に実質的に連続させることと、開口部に
よる覆体の強度低下の防止とを同時に実現できる。

【００６７】請求項３にかかる発明によると、緩衝工の
長さをできるだけ短くできるという最適化を最も効率的
且つ簡単に実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の緩衝工の斜視図である。

【図２】本発明の他の緩衝工の側面図である。

【図３】本発明例と比較例の圧力波の圧力−時間関係を
示すグラフ図である。

【図４】本発明例と比較例の圧力波の圧力勾配−時間関
係を示すグラフ図である。

【図５】従来の緩衝工の側面図である。

【符号の説明】

１ トンネル緩衝工 ２ 覆体 ２ａ 前端 ２ａ 後端 ３ 開口部 ４ 開口部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山極 伊知郎 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 (72)発明者 林 信輝 兵庫県神戸市中央区脇浜町１丁目３番18号 株式会社神戸製鋼所神戸本社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 トンネルに連結される覆体と、前記覆体
   に設けられる開口部とを備えるトンネル緩衝工におい
   て、 前記開口部は、前記覆体の前端と後端を除いて、前記覆
   体の長さ方向に覆体だけとなる部分を生じさせずに覆体
   の長さ方向に存在するとともに、前記覆体の前側から後
   ろ側へとその開口幅を連続的に減ずるものであることを
   特徴とするトンネル緩衝工。
2. 【請求項２】 前記開口部は長さ方向に分断された複数
   部分からなり、分断されて隣り合う前記部分は前記覆体
   の周方向にずらされることで、前記覆体の長さ方向に覆
   体だけとなる部分を生じさせずに覆体の長さ方向に存在
   する請求項１記載のトンネル緩衝工。
3. 【請求項３】 覆体の前側から後ろ側へとその開口幅を
   連続的に減ずる前記程度は、前記覆体の前側から後ろ側
   への長さ方向をｘとし、長さ方向ｘでの開口幅をｆ
   （ｘ）とすると、ｆ（ｘ）＝Ａ／√（Ｂｘ＋Ｃ）の関係
   式によるものである請求項１又は２記載のトンネル緩衝
   工。