第五节 隧道纵断面设计
隧道内线路纵断面设计就是要选定隧道内线路的坡道型式、坡度大小、坡段长度和坡段间的衔接等。
一、铁路隧道
1.坡道型式
隧道处于岩层之中，除了地质有变化以外，线路走向不受任何限制，不必采用复杂多变的类型。一般可采用单面坡型［图3-8（a）］或人字坡型［图3-8（b）］。
图3-8 坡道型式示意图
（a）单面坡；（b）人字坡
单面坡多用于线路的紧坡地段或是展线的地区，因为单面坡可以争取高程，拔起或降落一定的高度。单面坡隧道两洞口的高程差较大，由此而产生的气压差和热位差也大，能促进洞内的自然通风。它的缺点是：在施工阶段，对下坡开挖，洞内的水自然地流向开挖工作面，使开挖工作受到干扰，需要随时抽水外排。此外，运渣时，空车下坡重车上坡，运输效率低。
人字型坡道多用于长隧道，尤其是越岭隧道。因为越岭无须争取高程，而垭口两端都是沟谷地带，同是向下的人字型坡道，正好符合地形条件。人字坡的优点是：施工时水自然流向洞外，排水措施相应地简化，而且重车下坡，空车上坡，运输效率高。它的缺点是：列车通过时排出的有害气体聚集在两坡间的顶峰处，尽管用机械通风，有时也排除不干净，长时间积累，浓度渐渐增大，使司机以及洞内维修人员的健康受到影响。
两种不同的坡型适用于不同的隧道。对位于紧坡地段，要争取高程的区段上的隧道、位于越岭隧道两端展线上的隧道、地下水不大的隧道或是可以单口掘进的短隧道，采用单面坡型。对于长大隧道、越岭隧道、地下水丰富而抽水设备不足的隧道，宜采用人字坡型。
2.坡度大小
铁路隧道对于行车来说线路的坡度以平坡为最好。但是，天然地形是起伏不定的，为了能适应天然地形的形状以减少工程数量，只好随着地形的变化设置与之相适应的线路坡度。但依据地形设计坡度时，注意应不超过限制坡度，如果在平面上有曲线，还需为克服曲线的阻力，再减去一个曲线的当量坡度，即
式中 i允——设计中允许采用的最大坡度，‰；
i限——按照线路等级规定的限制最大坡度，‰；
i曲——曲线阻力折算的坡度当量，‰。
隧道内行车条件要比明线差，对线路最大限制坡度的要求更为严格。因此，隧道内线路的最大允许坡度要在明线最大限制坡度上乘以一个折减系数。考虑坡度折减有以下两种原因：
（1）列车车轮与钢轨踏面间的黏着系数降低。机车的牵引能力有时是由车轮与轨面之间的黏着力来控制的。隧道内空气的相对湿度较露天处大，因而钢轨踏面上凝成一层薄膜，使轮轨之间的黏着系数降低，于是机车的牵引力也随之降低。此外，如果是蒸汽机车牵引，机车喷出的煤烟渣滓落在轨面上，也会使黏着系数降低。因此，隧道内线路的限制坡度应比明线的限制坡度有所减小。
（2）洞内空气阻力增大。列车在隧道内行驶，其作用犹如一个活塞，洞内空气将像活塞那样给前进的列车以空气阻力，使列车的牵引力减弱。所以，隧道内的限制坡度要比明线的限制坡度小。
由于上述原因，隧道内线路的限制坡度要在明线限制坡度上乘以一个小于1的折减系数。按现行铁路隧道设计规范，除隧道长度小于400m时，上述影响不太显著，坡度可以不折减以外，其他凡长度大于 400m的隧道都要考虑坡度的折减。折减的方法按下式进行：
其中，m为隧道内线路的坡度折减系数，它与隧道的长度有关。当隧道内有曲线时，注意要先进行隧道内线路坡度的折减，然后再扣除曲线折减，如式（3-14）所列。
铁路隧道设计规范中规定了隧道内线路坡度折减系数m的经验数值，列于表3-7中，可参照使用。
表3-7 各种牵引种类的隧道内线路最大坡度系数m
另外，不但隧道内的线路应按上述方式予以折减，洞口外一段距离内，也要考虑相应的折减。因为当列车的机车一旦进入隧道，空气阻力就增加，黏着系数也开始减少。所以在上坡进洞前半个远期货物列车长度范围内，也要按洞内一样予以折减。至于列车出洞，机车已达明线，就不存在折减的问题了。如图3-9所示。
图3-9 洞口外折减示意图
除了最大坡度的限制以外，还要限制最小坡度。因为隧道内的水全靠排水沟向外流出。TB 10003—2005规定，隧道内线路不得设置平坡，最小的允许坡度应不小于3‰。
3.坡段长度
铁路隧道内线路的坡型单一，但不宜把坡段定得太长，尤其是单坡隧道，坡度已用到了最大限度。如果是一气上大坡，列车就必须用尽机车的全部潜在能力，持续奋进。这样，会越爬越慢，以至有停车的可能或出现车轮打滑的情况，容易发生事故。在下坡时，由于坡段太长，制动时间过久，机车闸瓦摩擦发热，将使燃油失效，以致刹不住车，发生溜车事故。所以，在限坡地段，坡段不宜太长。如果隧道很长，坡度又不想变动，为了不使机车爬长坡，可以设缓坡段，使机车有一个喘息和缓和的时间。
此外，顺坡设排水沟时，如果坡段太长，水沟就难以布置。不是流量太大，就是沟槽太深，有时为此需要设置许多抽水、扬水设施，分级分段排水。这也给今后的运营和维修增加了工作量。所以，隧道内线路的坡段不宜太长。
隧道内的线路坡段也不宜太短。因为，坡段太短就意味着变坡点多而密集，列车行驶就不平稳，司机操纵要随时调整。列车过变坡点时，受力情况也随之变化，车辆间会发生相互冲撞，车钩产生附加的应力。如果坡段过短，一列车在行驶中，同时跨越两个变坡点，车体、车钩都在同时受到不利的影响，有时会因此发生事故。实践指出，坡段长度最好不小于列车的长度。考虑到长远的发展，坡段长度最好不小于远期到发线的长度。
4.坡段衔接
对于铁路隧道来说，为了行车平顺，两个相邻坡段坡度的代数差值不宜太大，否则会引起车辆之间仰俯不一，车钩受到扭力，容易发生断钩。因此，在设计坡度时，坡间的代数差要有一定的限制。从安全的观点出发，两坡段间的代数差值Δi不应大于重车方向的限坡值i。TB 10003—2005规定，旅客列车设计行车速度小于160km/h的铁路段，相邻坡段的坡度差大于3‰时，应以圆曲线型竖曲线连接，竖曲线的半径应采用10000m；旅客列车设计行车速度为160km/h的铁路段，相邻坡段的坡度差大于1‰时，应以圆曲线型竖曲线连接，竖曲线的半径应采用15000m，竖曲线不宜与平面圆曲线重叠设置，困难条件下，竖曲线可与半径不小于2500m的圆曲线重叠设置；特殊困难条件下，经技术经济比较，竖曲线可与半径小于1600m的圆曲线重叠设置。
隧道内线路坡度不但要考虑上述因素，还要检算列车在相应坡段上的行车速度。因为列车上坡需要有一定的速度，才能将动能转为势能。如果列车开始上坡时，还有足够的前进能力，行至中途机车的效能就会有所降低，逐渐衰减以至趋近于不能前进而出现打滑、停车甚至倒退等危险情况。即使能勉强爬上，缓缓而过，洞内行车时间过长，产生的污浊空气会使机车乘务人员以及旅客感到非常不舒服，甚至酿成窒息、晕倒等事故。
二、公路隧道
公路隧道的坡道形式也分为单面坡和人字坡，纵坡坡度以不妨碍排水的缓坡为宜。在变坡点应放入足够的竖曲线。隧道纵坡过大，无论是对汽车的行驶还是对施工及养护管理都不利，公路隧道控制坡度的主要因素是通风问题，汽车排出的有害物质随着坡度的增大而急剧增多，一般把纵坡保持在2%以下比较好，超过2%时有害物质的排出量迅速增加；纵坡大于3%是不可取的。不存在通风问题的隧道，可以按普通公路设置纵坡。对于单向通行的隧道，设计成下坡的隧道，因为两端洞口高差是决定自然通风效果的重要因素之一，所以坡度和断面都应适当加大。
从施工中和竣工后的排水需要考虑，在隧道内不应采用平坡。在施工时，为了使隧道涌水和施工用水能在坑道内的施工排水侧沟中流出，需要0.3%的坡度。如果预计涌水量相当大，则需采用0.5%的坡度。竣工后的排水，包括涌水、漏水、清洗隧道用水、消防用水等，如果能满足施工排水的需要，其最小坡度不宜小于0.2%。在高寒地区，为了减少冬季排水沟产生冻害，适当加大纵坡，使水流动能增加，对排水有利。采用人字坡从两个洞口开挖隧道时，施工涌水容易排出；采用单坡从两个洞口开挖隧道时，处于高位的洞口，涌水不能自然向外流出，设计时应综合考虑这些问题。陡坡隧道，且涌水量又大时，应考虑减缓坡度。