为什么高铁隧道口是向外凸出的鱼嘴形，而普通铁路隧道口是平的呢？

你观察得很仔细，高铁和普通铁路隧道口的设计确实有所不同，高铁隧道口那“鱼嘴形”的凸起是有其非常实际和重要的工程考量的。这背后涉及到空气动力学、列车运行安全以及成本效率等多个层面。

普通铁路隧道口的平直设计：历史与需求

首先，我们来看看普通铁路隧道口的设计。绝大多数普通铁路隧道口是相对平直的，或者说与隧道主体形状相似，只是入口做了简单的加固和装饰。这主要是基于以下几个原因：

1. 速度相对较低： 普通铁路的运营速度远低于高铁。传统的蒸汽机车或早期内燃机车，以及现在的大部分普速列车，最高时速通常在120200公里/小时之间。在这个速度区间，空气阻力虽然存在，但远没有达到需要特别设计的程度。

2. 对气动效应的顾虑较小： 当列车以相对较低的速度进出隧道时，对隧道口附近的空气扰动、压力波传播等方面的影响相对较小，不会引发像高铁那样严重的“冲击波效应”。

3. 施工成本和简便性： 平直的隧道口设计是最简单、最经济的。挖掘一个标准尺寸的洞口，然后进行衬砌加固即可，施工难度和成本都比较低。

4. 结构稳定性考虑： 在地质条件复杂的情况下，平直的开挖和衬砌更容易保持围岩的稳定，减少对周边土体的扰动。

高铁隧道口的“鱼嘴形”设计：应对高速挑战

而高铁的出现，彻底改变了这个问题。高铁列车的速度动辄达到250公里/小时以上，甚至300350公里/小时。在这种高速运行下，空气动力学效应变得异常关键。高铁隧道口之所以设计成“鱼嘴形”（也称为喇叭形、靴形或散流式），主要是为了解决以下几个核心问题：

1. 缓解列车进出隧道时的“活塞效应”和“冲击波”：
活塞效应： 当高速列车以极快的速度进入隧道时，就像一个巨大的活塞一样，压缩隧道内的空气，并将这股压力向前推进。这会形成一个强大的压力波，沿着隧道传播。
冲击波（Mickelson Wave）： 更严重的是，当列车进入隧道时，会产生一个高压波（正压），而当列车驶离隧道时，会产生一个低压波（负压）。在隧道口，特别是从外部进入隧道时，列车快速占据空间，迫使周围空气向外排出，形成强大的局部气流。如果隧道口是平直的，这种气流会被急剧压缩，然后以非常高的速度冲出隧道口，形成一个高速的“气流冲击”。
“鱼嘴形”的作用： 这种向外凸出的喇叭形设计，就像一个扩散器一样，能够有效地将列车进入隧道时被迫排出的空气，以更缓慢、更分散的方式排出。它扩大了出口的截面积，减缓了气流的速度，从而显著降低了冲出隧道口时的冲击强度和噪音。

2. 降低噪音污染： 高速列车进出隧道产生的强气流和压力波，会在隧道口区域产生巨大的噪音，对周边环境造成影响。鱼嘴形设计通过分散和减缓气流，能够有效地降低这种噪音的产生和传播。

3. 保障乘客舒适度和设备安全：
乘客舒适度： 强烈的气动冲击会通过列车结构传导到车厢内部，可能导致乘客感到不适，如耳鸣、晕眩等。优化的隧道口设计可以减轻这种冲击。
设备安全： 强烈的气动冲击也可能对列车外部的设备（如转向架、车钩等）造成额外的压力和损耗。同时，如果隧道口产生的气流过强，也可能对隧道口附近的建筑、标志物等造成影响。

4. 减少气动阻力： 虽然听起来有点矛盾，但在某些情况下，优化的隧道口设计（包括进出口的设计）可以帮助减缓气流的剧烈变化，从而在一定程度上减小列车整体的气动阻力，这对高速列车的能耗和运行效率也有积极影响。

技术细节与演变

这种“鱼嘴形”并非一个简单的形状，而是经过复杂的流体力学计算和模拟得出的优化结果。具体的角度和曲线会根据以下因素进行调整：

列车设计速度： 速度越高，对气动效应的控制要求越精细。
隧道长度和截面积： 隧道越长，内部空气压缩和释放的效应越显著。
隧道内部衬砌的光滑度： 衬砌越光滑，空气流动阻力越小。
隧道口附近的地形和环境： 考虑气流如何与外部环境交互。
列车编组的长度和形状： 列车的前端和后端形状对气流有影响。

最初的高铁隧道口设计可能相对简单，随着对高速列车运行过程中空气动力学效应认识的深入，以及模拟技术的进步，设计也越来越精细和复杂，以达到最佳的降噪、减噪和乘客舒适度的效果。你看到的“鱼嘴形”就是这种工程智慧的体现。

总而言之，普通铁路的平直隧道口是基于其较低的速度和对气动效应的要求不高而产生的经济实惠的设计。而高铁的“鱼嘴形”隧道口，则是为了应对高速列车带来的强大气动压力和冲击波，通过优化空气流动的路径，来保障运行安全、乘客舒适度和降低环境噪音的必然选择。这是一个从“能用就行”到“用好、用安全、用舒适”的技术升级过程。

网友意见

说起来，日本也有人利用了模型铁路来模拟不同隧道结构与车辆形状，探讨这些因素对隧道微气压波的影响，B站有朋友制作了中译的视频：

【【中字】【前篇】用N比新干线模型再现隧道咚！（隧道微气压波）-哔哩哔哩】 https://b23.tv/0kaizVy

【【中字】【中篇】用N比新干线模型再现隧道咚！（隧道微气压波）-哔哩哔哩】 https://b23.tv/9LvvhW0

不过暂时后篇未上载，大家可能要用梯子来看生肉了。。。

------以下为原回答------

事实上，连 @中国铁路 的回答也没有全面的探讨高铁隧道口特殊设计的因由。

高铁隧道口需要特殊设计，这个问题是1980年代日本的新干线进行第一次提速的时候开始出现的。在1980年代，新干线开始进行提速，东海道/山阳新干线从210km/h提速至230km/h，而东北/上越新干线则分两阶段，从210km/h提速至240km/h。但在提速运行的同时，居住于新干线隧道口附近的民居，开始受到一些新问题困扰。他们投诉说，有时候在隧道口附近，突然会出现一声好像打雷一样的爆响，这不单对民居构成惊吓，有时候连窗户的玻璃也因强大的爆响而破碎。

当时是国铁民营化分割后不久，新近成立的铁道总研，与参与运营新干线的JR会社（当时有三家：运营东海道新干线的JR东海、运营山阳新干线的JR西日本，与运营东北/上越新干线的JR东日本），共同研究问题的成因。很快地，他们发现有两个共通点：

1. 爆音是在有列车驶出隧道以前发生的。
2. 爆音是在使用无砟道床的隧道发生的。

通过进一步实际的列车行驶试验，各铁道会社大致上理出这种爆音出现的过程。

1. 列车高速进入隧道。
2. 由于隧道截面较小，列车行驶时会快速推动前方的空气，但由于空气难以向后推送，于是只能被前进的列车不断往前推，因而产生往前的高压，并形成具冲击性的压力波。这种压力波称为“隧道微气压波（日语：トンネル微気圧波）”。
3. 如果隧道的道床是普通的有砟道床，隧道微气压波会因为具弹性的道砟阻尼而消减。但是，在无砟道床的场合，由于刚性道床无法有效阻尼隧道微气压波，再加上高速列车前进的共同作用，隧道微气压波只会一直往前以音速运动并不断增强，到了隧道口会因为突然变大的外部空间而扩散，产生类似于雷声的爆响。

其实这种“隧道微气压波”，在某种程度上也可以在地铁一类的系统感受到。如果你站在站台后端，用手贴着末端的屏蔽门，随着列车接近（通常地铁列车有70-80km/h，如果是快线地铁，更有可能达到120km/h），你可能会感觉到屏蔽门会好像突然被撞击的一样，这就是被列车往前推的隧道微气压波，撞击末端的屏蔽门而导致的。当然这个程度的隧道微气压波，并不会发生爆音，但也会对屏蔽门的结构产生压力，这也是很多时候，地铁列车接近车站需要减速到某个程度的原因，一些有快车服务的地铁，也由于这个原因，在通过车站的时候要进行减速。

问题是，当各JR会社发现这个隧道微气压波的问题时，已经有新的列车投入运营，包括东海道/山阳新干线的100系，以及东北/上越新干线较后设计的200系，虽然这些列车的车头设计可以减少行驶时的风阻，但对于消减隧道微气压波的问题则无能为力。既然如此，唯有就在隧道出口想办法，初期的做法，是追加建造隧道口的缓冲结构，主要的目的是让被推挤的空气，有更多的地方疏散出来，分散隧道微气压波的能量，但是到1990年代，随着更高车速的诉求，JR各会社也需要开发新的列车，不单是为了减少车身风阻，还有是需要减少列车将空气往前推的程度，减少隧道微气压波的威力。正因如此，新干线列车开始出现了车身高度大幅下降的情况，例如100系高4.4米，但车速更高的300系（营业最高270km/h），车身高度减少至3.7米，这样可以减少列车截面与隧道截面的比例，令空气更容易向后流动，而车头也因此需要造得更长，例如500系的15米（对比先头车的27米，这实在很长），或者使用看来更古怪的车头设计，例如700系的鸭嘴形车头，与N700系的双翼型车头。这样才可以让东海道/山阳新干线的运营速度，提升至现在的285-300km/h。

同样的，JR东日本也因应开发出275km/h的E2系，320km/h的E5系等，也是使用同样的设计原理，减少车身高度，以及有特别设计的车头，而同样有对隧道口进行缓冲结构的加建，来应对同样的隧道微气压波问题。

来到中国的高铁，我们在先天上有更好的基建优势，例如比起日本新干线更大的隧道截面，也有前几十年从其它地方累积的经验，也可以在初始基建上，先行设计隧道口的结构，例如斜向的鱼嘴形结构，旁边与顶部开通风口等，都可以消减隧道微气压波所带来的影响，当然更不能缺少科学化的列车设计，今天中国高铁能达到最高350km/h的运营速度，而不会产生当初新干线的隧道微气压波问题，也是仗赖于这些技术改进才能实现的。。。

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