基于氣動效應的特長隧道斷面優化探討

馬 輝， 吳 劍， 高明忠， 王海云

(1. 中鐵二局集團有限公司， 四川 成都 610032； 2. 中鐵西南科學研究院有限公司， 四川 成都 611731； 3. 四川大學， 四川 成都 610065； 4. 西藏開發投資集團有限公司， 西藏 拉薩 850000)

0 引言

中國高速鐵路建設雖然起步較晚，但發展迅速。截至2018年底，我國高速鐵路運營里程已達2.9萬km，穩居世界第一。高速鐵路要求線路的最小曲線半徑要大，所以其選線設計必然會出現大量的隧道工程。在鐵路隧道斷面設計中，凈空面積是需要重點考慮的因素。目前城際及高速鐵路隧道斷面凈空面積的確定主要考慮隧道建筑限界和機車車輛限界[1]。但是，隨著列車速度的提高，列車通過隧道時會誘發顯著的空氣動力學效應，包括瞬變壓力、微氣壓波、空氣阻力等[2-5]，其中車內瞬變壓力會對旅客耳膜健康和乘車舒適度產生較大影響，是隧道凈空面積設計中需要重點考慮的問題。例如，在高鐵技術發達的日本，就通過提高列車密封水平來增加舒適度，使得新干線單洞雙線隧道凈空面積只有62～64 m2。雖然我國鐵路規范對車速為200、200～250、300～350 km/h車內瞬變壓力和隧道洞口微氣壓波標準做出了具體規定,但現場測試發現，在有些情況下，列車通過隧道時車內的瞬變壓力會“超標”。另外，列車高速通過一些長大隧道時，洞口微氣壓波也會超過相關標準，嚴重的時候會產生“音爆”現象[6]。這說明規范規定的隧道凈空面積在我國列車實際密封水平條件下，是否能夠符合國內外現行的瞬變壓力和洞口微氣壓波標準仍需論證。

已有學者探討了列車氣動效應與鐵路隧道凈空面積的關系，并進行了優化研究。如： 鄭長青[7]運用三維商業流體力學軟件Fluent計算隧道洞口微氣壓波峰值，對單線隧道斷面和緩沖結構進行了優化； 劉俊等[8]考慮車內瞬變壓力變化對乘客舒適度的影響，得到了不同速度和密封條件下地鐵隧道最優斷面面積； 吳劍等[9]研究了車內瞬變壓力對城際鐵路隧道凈空面積的影響； 王兆祺等[10]利用一維非定常流模型探討了空氣阻力與隧道斷面之間的關系。

總體來看，目前關于氣動效應對高速鐵路隧道斷面影響的研究主要集中在車內瞬變壓力、微氣壓波、空氣阻力3方面，而且僅考慮了單一因素。然而，考慮單一因素對隧道凈空面積進行優化時，無法考慮其他因素變化，甚至會出現其他因素“超標”的現象。因此，本文嘗試綜合考慮瞬變壓力、微氣壓波和空氣阻力這3個因素，對現行斷面設計規范進行論證，并針對特長隧道提出斷面凈空面積優化建議。相關研究成果可為今后國內外城際和高速鐵路隧道設計提供參考。

1 城際及高速鐵路隧道氣動效應計算方法研究

1.1 基本假設

高速列車隧道空氣動力學問題通常為非定常、可壓縮、不等熵、黏性問題。試驗測試表明，在高速列車快速通過隧道時，引起的氣體溫度變化不超過0.5 ℃，所以可不考慮溫度的變化及熱量的傳遞。對馬赫數小于0.3的空氣流動,可以按不可壓縮黏性流處理,但列車隧道會車流動問題中,空氣受到強烈擠壓,應考慮空氣的可壓縮性[11-12]。考慮到計算的可行性，本文將高速列車通過隧道引起的空氣流動物理模型假設為非定常、可壓縮、等熵、無黏。

1.2 車外瞬變壓力的計算方法

一般來說，列車在隧道內運行時引起的空氣流動是復雜的三維、可壓縮、非定常的紊流流動[13]。但是當隧道的長度遠遠大于其橫截面直徑時，可以把隧道內空氣流動簡化為一維、可壓縮、非定常的流動。這一結論被國外大量的現車試驗、模型試驗和數值模擬結果所證實[14-16]。因此，可以從質量守恒、動量定理和能量守恒定律，推導出描述隧道內空氣運動的基本方程組。其連續方程、動量方程和能量方程分別為：

(1)

(2)

(3)

式(1)—(3)中ρ、t、u、p、G、a、q、k分別為空氣密度、時間、空氣流速、空氣壓力、摩擦項、當地聲速、傳熱項、空氣比熱容。

式(1)—(3)是一階擬線性偏微分方程組,引入廣義黎曼變量后，可以在量綱為1的時間與距離的X-Z圖上形成正交的網格,離散特征方程，然后按廣義黎曼變量特征線法求解[17-19]。列車在隧道內運行所形成的計算網格有變長度網格和不變長度網格2類型式[20]。不變長度網格計算由特征方程完成。變長度網格計算通常采用wood的方法[21]。該方法的缺點是不僅要生成4組坐標方向不一的網格系統，而且要顧及由于列車前方及后方分界點移動而帶來的網格重新排序以及相關的一系列問題，非常繁瑣。本文首先把整個隧道劃分為一系列網格，然后通過跟蹤車頭及車尾的位置確定列車前方空間、列車以及列車后方空間所占的網格，不再把列車分為2段，也不需設置和移動分界點，因而使計算過程得到簡化，如圖1所示。

圖1 瞬變壓力計算網格系統

1.3 車內瞬變壓力的計算方法

車內氣壓波動可以通過列車動態密封指數與車外氣壓波動聯系起來[9],即

(4)

式中：pe和pi分別為車外壓力和車內壓力；τ為列車動態密封指數；t為氣壓波動所經歷的時間；K為常數。

1.4 微氣壓波的計算方法

日本學者A. Yamamoto等[22]基于線形聲學理論，得出列車進入隧道誘發的壓縮波波前梯度最大值為：

(5)

隧道出口外某點(距洞口r處)微氣壓波與到達隧道出口的壓縮波關系為：

(6)

式(5)和式(6)中：ρ0為空氣標準密度；c0為標準音速；v為列車進隧道速度；β為阻塞比；d為隧道的水力直徑；Ma為馬赫數;Ω為反映出口地形條件的空間立體角；r為到隧道洞口的距離；t為時間；τ為反應壓力上升時間的參數；At為隧道的有效面積。

1.5 空氣阻力

列車在隧道中運行時，不同運行工況對應的空氣阻力不同[23-24]。例如高速列車在運行時，隧道內的空氣阻力顯著大于隧道外的阻力。限于篇幅，這里僅列出單列列車完全駛入隧道時的空氣阻力。

D=ΔphAv+ΔptAv+Dcheshen；

(7)

(8)

式(7)和式(8)中：At和Av為隧道、列車平均斷面面積； Δph和Δpt分別為車頭、車尾氣壓差，可由一維特征線法計算得到；ρ為空氣密度；l為列車長度；w和w′分別為隧道和列車相對環狀空間氣流速度；λ和λ′為隧道壁面、列車壁面摩擦因數；St和Sv為隧道、列車平均濕周。

2 城際及高速鐵路隧道凈空斷面的論證

根據前述一維模型特征值法，本節從瞬變壓力、微氣壓波和空氣阻力3方面對國內規范中規定的城際和高速鐵路隧道凈空斷面進行論證。

2.1 從車內瞬變壓力角度對隧道凈空斷面的論證

通過計算各種工況時車內瞬變壓力來論證現有規范下隧道凈空斷面計算方法的合理性。根據文獻[1]，選取單線單車0.80 kPa/3 s、雙線交會1.25 kPa/3 s的舒適度標準作為論證依據，以城際鐵路實際運營時采用的CRH6型動車組、高速鐵路實際運營時采用的CRH2型動車組為研究對象，計算城際列車動態密封指數分別為1、2、3、4、5、6、12 s時，高速列車動態密封指數分別為6、8、10、12、14、16、18、20 s時，單線單車和雙線交會在各種車速下對應的車內瞬變壓力計算結果。限于篇幅，這里僅給出城際列車車速為200 km/h和高速列車車速為350 km/h時列車車尾瞬變壓力的計算結果，如圖2—5所示。對計算結果進行分析可以發現，若需要現有規范規定的隧道凈空面積滿足舒適度要求，則必須對列車密封指數嚴格規定。規范斷面滿足舒適度標準時最小動態密封指數如表1所示。從表1中可以看到： 在滿足舒適度要求下，城際列車對密封要求比較低，各類型的列車只需要動態密封指數小于6 s即可滿足各種類型隧道斷面舒適度要求； 而高速鐵路隧道由于車速較高，對列車密封性能要求比較高，尤其是車速350 km/h以上時，以密封指數要求較高的單線隧道來講，單列列車密封指數要求達到14 s以上，重聯列車密封指數要求達到18 s以上。目前我國運行的CRH系列靜態密封指數達到了36 s，按照動態密封指數為靜態密封指數的1/3～1/2估算，其動態密封指數為12～18 s，實際密封效果仍需現場測試。基于此，課題組在現場開展了密封指數實測，測試結果見表2。從表2中可以看到，現場實測的CRH2、CRH3型動車組的實際動態密封指數大部分在6 s以上，同一車型現場測試數據差異較大，最大實測密封指數達到15 s以上。結合動態密封指數估算值和現場測試值，可以認為現有列車密封水平能夠滿足車速350 km/h及以下舒適度標準，但車速350 km/h以上時，現有列車密封性能難以滿足舒適度要求，需要調整規范設計斷面值或提高列車密封性能。

圖2 單線單車隧道長度與車內氣壓變化值(200 km/h)

Fig. 2 Variations of in-train air pressure with length of single-line single-track tunnel(200 km/h)

圖3 雙線交會時隧道長度與車內氣壓變化值(200 km/h)

Fig. 3 Variations of in-train air pressure with length of tunnel at intersection of double-lines (200 km/h)

圖4 單線單車隧道長度與車內氣壓變化值(350 km/h)

Fig. 4 Variations of in-train air pressure with length of single-line single-track tunnel(350 km/h)

圖5 雙線交會時隧道長度與車內氣壓變化值(350 km/h)

Fig. 5 Variations of in-train air pressure with length of tunnel at intersection of double-lines (350 km/h)

表1 規范斷面滿足舒適度標準時最小動態密封指數

2.2 從隧道洞口微氣壓波角度對隧道凈空斷面的論證

通過計算各種工況時洞口微氣壓波值，對現有規范下隧道凈空斷面進行論證。選取隧道洞口外20 m處微氣壓波峰值不大于50 Pa的標準，各種車速時距隧道出口20 m處微氣壓波峰值的計算結果如表3所示。

由表3可知： 以常用的洞口空間角取π為例，車速在250 km/h及以下時，隧道洞口20 m處的微氣壓波最大值基本不超過50 Pa，可以滿足國內規范的規定； 當車速在300 km/h及以上時，隧道洞口微氣壓波峰值明顯增大，且均大于50 Pa。應注意采取微氣壓波緩解措施，如洞口微氣壓波緩沖結構、輔助坑道及豎井等。

2.3 從空氣阻力角度對隧道凈空斷面的論證

目前國內規范中沒有對列車空氣阻力做出要求，實際上判斷列車空氣阻力是否合理的依據是列車的牽引能力，而列車的牽引能力又與隧道內的坡度有關。本節僅給出不同車速和隧道長度下對應的列車空氣阻力，從而為下文從空氣阻力方面優化斷面提供依據，如圖6—9所示(單列列車長度為200 m，重聯列車長度為400 m，下同)。從圖6—9中可以看到，單線隧道內列車空氣阻力較雙線隧道內空氣阻力大，所以單線隧道對列車的牽引能力要求更高。因為單、雙線隧道均采用同一牽引能力的機車，因此在優化隧道斷面時均取單線隧道空氣阻力。

表2 列車動態密封指數現場測試數據

表3鐵路隧道洞口微氣壓波峰值和凈空面積論證

Table 3 Demonstration of microbarometric wave peak value at portal and clearance area of railway tunnel

運營工況車速/(km/h)現有凈空面積/m2洞口微氣壓波峰值/Pa空間角π/2空間角π空間角3π/2單線隧道雙線隧道120338.24.12.71604221.010.57.02005238.419.212.925058108.254.136.230070315.4157.7105.735070500.6250.3167.738070579.4289.7194.142070690.8345.4231.4120647.63.82.51607618.69.36.22008038.819.413.025092110.655.337.1300100327.6163.8109.7350100519.8259.9174.1380100603.0301.5202.0420100725.2362.6242.9

圖6 單線單車空氣阻力曲線

圖7 雙線單車空氣阻力曲線

圖8 單線重聯空氣阻力曲線

圖9 雙線重聯空氣阻力曲線

3 特長城際與高速鐵路隧道凈空斷面的優化

嘗試綜合考慮瞬變壓力、微氣壓波和空氣阻力3個因素，對國內規范中規定的城際和高速鐵路隧道凈空斷面進行優化。首先，依據我國高速鐵路舒適度標準，結合計算得出的車內瞬變壓力對特長隧道凈空面積進行初步優化，同時提出對應的列車密封指數要求； 然后，在初步優化后的隧道凈空面積下，對隧道洞口微氣壓波峰值進行計算，提出滿足標準時微氣壓波應有的緩解程度，以50%為界，微氣壓波緩解不超過50%時，則認為優化后的隧道斷面是可行的，否則進一步限定優化斷面作用的隧道長度范圍； 最后，依據考慮車內瞬變壓力和洞口微氣壓波后確定的隧道凈空面積對列車空氣阻力進行計算，給出不同車速、不同隧道長度下對應的列車空氣阻力，供設計人員調整隧道坡度時參考。

3.1 從車內瞬變壓力角度對特長隧道凈空斷面的優化

針對特長隧道(10 km及以上，下同)車內瞬變壓力數值對隧道凈空斷面進行研究優化。具體而言，就是找出各工況下隧道長度在10 km及以上的車內瞬變壓力最大值，若其滿足舒適度標準，則縮小隧道凈空斷面，直至車內瞬變壓力剛好滿足舒適度標準為止。

2.1節論證發現，城際列車組只需要滿足動態密封指數6 s即可滿足各類規范斷面下的舒適度標準，而車速350 km/h以上時，列車動態密封指數要求較高。因此，本節假設城際列車均采用同一車型，要求單線隧道運營動車組的動態密封指數不小于6 s； 同時以車速350 km/h為標準，將高速列車單列列車動態密封指數設為14 s、重聯列車動態密封指數設為18 s。此時各種車速下特長鐵路隧道車內瞬變壓力計算結果和凈空面積優化可能如表4—6所示。

在列車密封性能能夠保證的前提下，對于特長城際鐵路隧道而言，車速為120、160、200 km/h時，單線隧道凈空斷面可由原來的33、42、52 m2分別優化至30、34、45 m2； 雙線隧道凈空斷面可由原來的64、76、80 m2均優化至60 m2。對于特長高速鐵路隧道而言，列車車速為250、300、350 km/h時，單線隧道凈空斷面可由原來的58、70、70 m2分別優化至34、42、52 m2； 雙線隧道凈空斷面可由原來的92、100、100 m2分別優化至60、65、72 m2。

表4特長城際鐵路隧道單列列車車內瞬變壓力和凈空面積優化可能(列車密封指數為6s)

Table 4 Optimization of transient pressure and clearance area of single train in extra-long intercity railway tunnel (train seal index of 6 s)

運營工況車速/(km/h)現有凈空面積/m2發生位置瞬變壓力最大值/(kPa/3 s)是否可優化滿足標準凈空面積/m2單線單車雙線交會12033車尾0.481是<3016042車尾0.558是3420052車尾0.654是4512064車尾0.224是<6016076車尾0.308是<6020080車尾0.473是<60

注： 滿足標準的隧道凈空面積，單線小于30 m2、雙線小于60 m2時，則認為車內瞬變壓力非凈空面積確定的控制因素； 滿足標準的隧道凈空面積，單線大于70 m2、雙線大于100 m2時，則認為實際工程難以滿足標準，下同。

表5特長高速鐵路隧道單列列車車內瞬變壓力和凈空面積優化可能(列車密封指數為14s)

Table 5 Optimization of transient pressure and clearance area of single train in extra-long intercity railway tunnel (Train seal index of 14 s)

運營工況車速/(km/h)現有凈空面積/m2發生位置瞬變壓力最大值/(kPa/3 s)是否可優化滿足標準凈空面積/m2單線單車雙線交會25058車尾0.416是3430070車尾0.462是4235070車尾0.586是5225092車尾0.320是<60300100車尾0.374是<60350100車尾0.457是<60

表6特長高速鐵路隧道重聯列車車內瞬變壓力和凈空面積優化可能(列車密封指數為18s)

Table 6 Optimization of transient pressure and clearance area of single train in extra-long intercity railway tunnel (Train seal index of 18 s)

運營工況車速/(km/h)現有凈空面積/m2發生位置瞬變壓力最大值/(kPa/3 s)是否可優化滿足標準凈空面積/m2單線單車雙線交會25058車尾0.415是3430070車尾0.459是4235070車尾0.571是5025092車尾0.328是<60300100車尾0.391是65350100車頭0.551是72

3.2 從隧道洞口微氣壓波角度對隧道凈空斷面的優化

根據規范，選取隧道洞口20 m處微氣壓波峰值不大于50 Pa作為論證依據。選取3.1節優化后的斷面規格，計算得到特長城際及高速鐵路隧道中各種車速下隧道洞口微氣壓波最大值，見表7。

表7隧道斷面優化前后洞口微氣壓波峰值

Table 7 Microbarometric wave peaks at tunnel portal before and after tunnel cross-section optimization

運營工況車速/(km/h)現有凈空面積/m2洞口20 m處微氣壓波峰值/Pa優化凈空面積/m2優化后洞口20 m處微氣壓波峰值/Pa單線隧道雙線隧道120331.2301.3160424.9346.52005219.14519.42505850.93450.130070148.942147.9350245.052240.1120641.2601.2160766.0606.22008019.36018.42509252.06050.8300100154.765148.3350254.472243.7

由表7可知： 城際鐵路隧道斷面優化后能夠滿足隧道洞口微氣壓波標準，且不需要設置微氣壓波緩解設施，僅需滿足動態密封指數不小于6 s即可； 同理，車速為250 km/h高速鐵路隧道斷面優化后也能滿足隧道洞口微氣壓波標準，亦不需要設置微氣壓波緩解設施，只需保證單列列車動態密封指數不小于14 s、重聯列車動態密封指數不小于18 s即可。

但是車速為300 km/h和350 km/h時，為達到隧道洞口微氣壓波標準，所需緩解設施的緩解能力超過50%，所以從微氣壓波角度來講，此時隧道斷面的優化是不合理的。為此，本文嘗試調整優化隧道斷面作用隧道長度范圍，使上述得出的優化隧道凈空面積能夠繼續發揮作用。隧道長度調整后的洞口微氣壓波峰值如表8所示。可見，滿足洞口微氣壓波標準的優化隧道凈空斷面作用隧道長度范圍如下：

1)隧道洞口設置緩沖結構的情況下(緩沖結構對洞口微氣壓波的最大緩解率為50%)，車速為300 km/h時，單線及雙線隧道的長度不應小于11 km；車速為350 km/h時，單線及雙線隧道的長度不應小于13 km。

2)隧道洞口未設置緩沖結構的情況下，車速為300 km/h時，單線及雙線隧道的長度不應小于13 km； 車速為350 km/h時，單線及雙線隧道的長度不應小于15 km。

上述結論的前提仍只需保證單列列車動態密封指數不小于14 s、重聯列車動態密封指數不小于18 s。

表8 隧道斷面優化后洞口微氣壓波峰值與隧道長度關系

3.3 從空氣阻力角度對隧道凈空斷面的優化

考察隧道斷面優化前后隧道長度為10～30 km范圍內列車空氣阻力的差異，可以判斷優化后的隧道斷面在列車空氣阻力上的變化情況。因此，本節計算不同車速下，隧道斷面優化后作用在隧道長度范圍內列車空氣阻力與優化前的比較，計算結果如圖10—15所示。

本文以隧道斷面優化后列車空氣阻力較優化前增大值不超過50 kN為基準，來判斷優化隧道斷面是否滿足空氣阻力要求。在這一基準下，可以發現： 對城際鐵路隧道斷面的優化是合理的。車速為250、300、350 km/h的高速鐵路雙線隧道斷面優化值也是可行的，單線隧道斷面優化值也可確保單列列車運行時增大的空氣阻力在控制范圍(50 kN)內； 但列車重聯時增大的空氣阻力均超過了50 kN，考慮到高速列車在單、雙線隧道內運行時具有相同的牽引能力，則特長高速鐵路隧道在斷面優化后列車所受的空氣阻力的增加量應取單、雙線空氣阻力增加量的最大者。因此，車速為250、300、350 km/h的單線高速鐵路隧道斷面應進一步調整。

圖10 車速120 km/h城際鐵路隧道斷面優化前后空氣阻力

Fig. 10 Air resistance of intercity railway at 120 km/h before and after tunnel cross-section optimization

圖11 車速160 km/h城際鐵路隧道斷面優化前后空氣阻力

Fig. 11 Air resistance of intercity railway at 160 km/h before and after tunnel cross-section optimization

圖12 車速200 km/h城際鐵路隧道斷面優化前后空氣阻力

Fig. 12 Air resistance of intercity railway at 200 km/h before and after tunnel cross-section optimization

圖13 車速250 km/h高速鐵路隧道斷面優化前后空氣阻力

Fig. 13 Air resistance of high-speed railway at 250 km/h before and after tunnel cross-section optimization

圖14 車速300 km/h高速鐵路隧道斷面優化前后空氣阻力

Fig. 14 Air resistance of high-speed railway at 300 km/h before and after tunnel cross-section optimization

圖15 車速350 km/h高速鐵路隧道斷面優化前后空氣阻力

Fig. 15 Air resistance of high-speed railway at 350 km/h before and after tunnel cross-section optimization

以單線隧道內重聯列車空氣阻力較優化前增大值不超過50 kN為依據，可得出進一步優化后的車速為250、300、350 km/h單線隧道斷面為42、50、56 m2。按此斷面對車內瞬變壓力進行計算，得出滿足舒適度標準的列車動態密封指數同樣為單列列車不小于14 s、重聯列車不小于18 s。按此斷面對洞口微氣壓波進行計算，得出250、300、350 km/h單線隧道作用長度，如表9所示。

表9隧道斷面優化后的作用隧道長度

Table 9 Suitable tunnel length after optimization of tunnel cross-section

線路類型運營工況車速/(km/h)優化凈空面積/m2作用隧道長度范圍/km是否需要設置微氣壓波緩解設施高速鐵路單線隧道25042≥10否30050≥10 隧道長度在12 km以下時設置35056≥12 隧道長度在14 km以下時設置

3.4 特長隧道凈空斷面優化小結

根據上述研究成果，在保證特長城際鐵路隧道列車動態密封指數為6 s、高速單列列車動態密封指數為14 s、重聯列車動態密封指數為18 s的前提下，首先，依據滿足舒適度標準的車內瞬變壓力獲得了特長城際、高速鐵路隧道凈空斷面的初步優化可能(見表4—6)； 然后，根據斷面優化前后洞口微氣壓波峰值不大于50 Pa的要求，對相應優化斷面隧道提出了長度范圍限制要求(見表7和表8)； 最后，再根據優化前后列車空氣阻力情況，對車速為250、300、350 km/h單線隧道斷面進行進一步優化，優化后的隧道斷面同時也滿足舒適度標準和洞口微氣壓波峰值(見表9)。綜合考慮以上3方面的因素，得到了特長城際和高速鐵路隧道優化斷面及其作用隧道長度范圍和列車密封性能要求，如表10所示。可以看到，在滿足列車相應動態密封指數的要求下，只需針對不同隧道長度要求設置微氣壓波緩解設施，即可對現行特長城際及高速鐵路隧道凈空斷面進行優化，尤其是特長高速隧道，其凈空面積優化效果更加顯著。

表10特長城際及高速鐵路隧道凈空斷面優化建議值及相關要求

Table 10 Suggested values and relevant requirements for optimizing clearance cross-section of extra-long intercity railway and high-speed railway tunnels

線路類型運營工況車速/(km/h)現有凈空面積/m2優化凈空面積/m2列車動態密封指數要求/s作用隧道長度范圍/km是否需要設置微氣壓波緩解設施城際鐵路高速鐵路單線隧道雙線隧道單線隧道雙線隧道12033301604234200524512064601607660200806025058423007050350705625092603001006535010072單車≥6≥10否≥10否單車≥14≥10隧道長度在12 km以下時設置重聯≥18≥12隧道長度在14 km以下時設置≥10否≥11隧道長度在13 km以下時設置≥13隧道長度在15 km以下時設置

4 結論與討論

本文假設隧道內空氣流動為一維、可壓縮、非定常的流動，根據一維特征值法和簡化wood網格系統推導出列車車內瞬變壓力、洞口微氣壓波和列車空氣阻力公式，然后結合以上3個指標從凈空面積上對隧道斷面進行了優化，主要結論如下。

1)分別從車內瞬變壓力、洞口微氣壓波和空氣阻力3方面對現有城際及高速鐵路隧道斷面進行論證，結果表明在滿足一定的列車密封性能和微氣壓波緩解措施下，現有城際及高速鐵路隧道斷面總體上是合理的，部分隧道斷面設計可以適當調整與優化。

2)綜合考慮車內瞬變壓力、洞口微氣壓波和空氣阻力3方面的影響，對現有特長城際及高速鐵路隧道斷面進行優化，對優化后的隧道斷面提出了相應的密封性和微氣壓波緩沖結構要求，同時對隧道長度作出了定量化限制。

影響城際和高速鐵路隧道斷面設計參數的因素較多，除了本文重點討論的3個氣動效應指標及車輛密封性能外，還受機車形狀、洞內輔助設施、軌道結構、動力能耗、線路運維機制等因素的影響，不能單以本文重點討論因素確定斷面優化幅度，但本文的研究結論仍不失其理論和現實價值，可為今后國內外城際和高速鐵路隧道設計提供參考。