双向行车公路隧道的通风及防灾研究.docx
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双向行车公路隧道的通风及防灾研究
双向行车公路隧道的通风及防灾研究
北方交通大学隧道及地下试验研究中心 陆懋成王梦恕刘维宁
摘要：
阐述了公路隧道防灾的时效性，提出一种新型斜墙式半横向通风的通风方式和另一项风机反转制动消防技术以及它们在火灾时的作用。
关键词：
公路隧道，通风方式，防灾措施
1、隧道通风防灾存在的问题及国外火灾教训
1.1公路隧道是一个半封闭的空间，行驶的车辆燃料为易燃品,一旦着火烟雾迅速向两端漫延,逃避的车辆及旅客也只能从两个方向疏散,其危害性比地面大得多.由于救护困难,极易成为恶性灾难事故。
1.2在隧道通风设计时，追求土建和运营的低造价,忽视了通风的消防功能。
1.3国外隧道重大火灾见（表1）。
隧道重大火灾一览表 表1
隧道名称
国名
火灾起因
损失
时间
勃朗峰11.6km
法国
车辆起火
41人死36辆车毁
1999.3.24
陶恩隧道
奥地利
车辆相撞
12人死亡50人受伤
1999.5
隧道3.2km
奥地利
缆绳断裂
153人死亡
2000.11.11
纽约霍兰隧道2.6km
美国
66人中毒,毁坏10辆卡车、13辆小车
1949
维尔森隧道0.78km
荷兰
碰车
死5人伤6人2辆货车4辆小车毁
1978
日本板隧道2.05km
日本
碰车
死7人伤2人189辆车毁
1979
加州隧道
美国
碰车
死7人伤2人7辆车毁
1972
1.4勃朗峰隧道火灾是近年来最惨重的一次，应引起我国建设单位、设计院、运营管理等有关部门的高度重视。
1.5多次事故使西欧有关方面关注隧道的安全标准，他们调查发现，全欧洲共同体25条隧道有三分之一的标准太低，表现在通风排烟能力和排出事故速度两方面，这两大要素与造成事故的灾害程度密切相关，很有必要研究经济，及时、有效的隧道消防措施。
1.6双向行车隧道火灾消防难度最大，特别是采用了纵向通风方式的隧道，通风几乎失去了消防的功能，甚至会风助火势，扩大灾害规模。
1.7国内双向行车的二郎山隧道，鹧鸪山隧道采用纵向通风，并再建一条平行服务坑道用于灾害排烟，火灾时须判断火灾发生位置，才做出消防救援方案，救灾延时。
有时，排烟通道与人员逃离通道共用，洞内又无横向新风流，消防功能不佳。
2、斜墙式半横向通风方式介绍（4）
2.1公路隧道通风方式根据风流在隧道中流动的方向分为横向式（图1），半横向式（图2）和纵向式三种，其各自的特点见表2（摘自《公路隧道通风照明设计规范》JTJ026.1-1999）。
双向交通隧道通风方式主要特点 表2
通风方式
全横向式
半横向式
纵向式
基本特征
空气在隧道内横向流动
隧道内空气半横向流动
空气在隧道内纵向流动
代表形式
吸出式
射流式
适用长度
不限
3000km
1500km
活塞风利用
不好
不好
不好
洞内环境
好
较好
不好
火灾控制
排烟方便
排烟较方便
排烟不方便
工程造价
高
较高
低
管理维护
不便
一般
一般
运营费用
高
较高
低
洞外环保
有利
一般
不利
图1全横向式通风 图2半横向式通风
2.2从表2中可以看出全横向式通风效果好，功能全，在控制火灾时排烟方便,送风侧可均匀地提供新鲜空气，旅客不受烟雾熏呛,无须判断火灾位置，有利于逃避。
我国深圳梧桐山隧道发生过多次火灾，均成功地补灭，无一人伤亡。
但是，全横向式通风的土建费用和运营费用是最高的。
半横向式通风在洞内有纵向风流，不同断面风速不等，还存在中性点，在控制火灾功能次于全横向式通风，土建和运营费用低于全横向式。
纵向式通风在双向行车的隧道中防灾性能最差，土建和运营费用也最低。
2.3消防系统关系见流程图
图3隧道火灾消防系统流程图
2.4斜墙式半横向通风方式（ZL012364460）将全横向式通风和半横向式通风二者扬利抑弊，把全横向式通风纵隔墙改为斜墙（见图4），正常情况下用半横向通风,火灾时迅速改为全横向通风，风道呈三角型，风道口初始风速高区段，风道面积增大，风速降低，阻力呈平方关系下降，功率自然比全横向式小。
图4斜墙式半横向通风方式示意图
2.5斜墙式半横向通风方式，火灾时无需判断火灾发生位置，只需将一侧风机反转，变半横向通风方式为全横向式通风即可，旅客从隧道两端疏散，救灾迅速，动作简单（见下图）、可靠即时，控制烟雾扩散，降低灾害程度。
图5斜墙式半横向通风方式消防系统图
2.6隧道拱部做风道本身就是一种利用，土建费用小于再建一条服务通道。
2.7抵抗火灾烟雾扩散的风速；日本人曾经在1.5km隧道中进行过火灾烟雾扩散试验，只要保持大于2.0m/s速度，正向压力即可阻止烟雾扩散。
2.8斜墙式半横向通风方式符合烟控制的两条基本原理：
一条是使邻近区域的压力高于烟气区，气流可用来阻止气流流过的空间，另一条是存在引导烟雾的负压区。
将排烟道与人群疏散通道分开。
2.9均匀送（排）风道的压力计算方法：
V
X
L
Pn
P1
图6均匀送排风示意图
均匀送风压力计算可参考荷兰（Holland）隧道的计算原理。
（2）
⑴送风风道：
式中：
P1；风道内任意一点的总压力损失
p；隔樯处压力
y；空气的密度
D；水的比重
V；风道进口的风速
g；重力加速度
a；混凝第一摩檫系数（0.0035）
b；混凝第二摩檫系数（0.01433）
L；风道的总长度Z=
X；风道进口到任意点的距离
m；水力半径
k；紊流常数（0.615）
⑵排风风道：
式中：
C；吸气口紊流常数（0.25）
其它符号同送风计算式
3、风机快速反转制动技术（4）
3.1排除烟雾的反应速度慢，是不能满足隧道消防要求的重要原因之一，火灾时，风机在正常运转情况下，能否立即反转，达到反向送风，排出烟雾、控制受灾规模的目的？
是一个未能解决又被忽视的问题，假如等待风机自然停止转动，时间约8—10分钟，而火灾烟雾在洞内扩散速度为1.2～1.5m/s，10分钟扩散700—900m，已经形成灾害。
3.2风机反转制动专利（ZL254714.7）技术，在风机安装此装置后，反转仅需要30s，提高排出事故的反应速度16～20倍。
4、几点看法
4.1斜墙式半横向通风方式风道口初始风速与半横向通风方式基本相等，其受隧道长度的限制，与半横向式也大致相同。
4.2从通风空调专业的角度看，采用全横式通风方式也应将直隔墙改为斜墙。
4.3非等截面风道均匀送排风压力计算方法的准确性有待研究，还应通过模型和工程验证。
泄风口大小，除计算外还需现场调试确定。
4.4现建成的双向行车隧道事故隐患不但存在而且危险，应引起管理部门、设计者的高度重视，完善其消防功能。
4.5隧道通风系统的设置不仅只是满足于交通运输的需要，它的目标要满足环保、劳保、消防等法定,法规的要求。
4.6建议对我国已经建成的2km以上双向行车隧道进行安全评价，并给予可能的补救。
对将来建造的隧道制定新的消防标准。
参考文献：
1.柴慧娟；高层建筑空调设计。
中国建筑工业出版社。
1995
2.《TUNNEL ENGINEERING HANDBOOK》U·S·A；JOHNO．BICKEL.1996。
3.公路隧道通风照明设计手册。
.中华人民共和国行业标准.JTJ026.1-1999。
4.专利受理通知书，中华人民共和国知识产权局。
5.勃朗峰隧道惨剧，人民日报，1999，4，13
作者简介
陆懋成：
隧道通风高级工程师。
北方交通大学隧道及地下试验研究中心环控室主任。
王梦恕：
中国工程院士、北方交大教授。
刘维宁：
北方交大教授。
鹧鸪山高原隧道施工通风设计与实施
中铁隧道设计院陆懋成武雪都唐上明贾冬
中铁隧道集团一处王华平王兴彬曲天祥
【摘要】：
鹧鸪山隧道海拔3500米，含氧量为13.7%。
本文介绍高原气候条件下，无风门射流隧道施工通风方法。
【关键词】：
隧道施工 通风 高海拔
1鹧鸪山隧道工程概况
鹧鸪山隧道进口位于四川省阿坝州理县境内，为国道317线翻越鹧鸪山改线工程，隧道起止里程为K0+220～K4+643，全长4423米。
该隧道地处川西高原东北部的邛崃山脉，属高山、高原过度带的侵蚀深切高山地貌，洞口海拔3250米。
该隧道为单孔双向行车隧道，断面积为75m2左右，为了运营通风防灾等需要，另建有一条平行服务通道，面积为36m2左右。
2有平行导坑的无风门巷道通风方法
2.1矿井巷道式通风方法
在有平行导坑作辅助坑道时，过去一直是采用矿井巷道通风的方法，并在平导口设制风门，安装大功率主扇风机，其工程实例有图1：
采用风门巷道式通风有以下痹病：
1）主扇风机功率特别大，能耗高。
2）风门漏风多，约15%-30%
3）需修建风机房，风道，风门等临时工程。
4）给施工造成频繁干扰，使进料出渣运输受阻。
2.2无风门射流巷道式通风
自广—渝（广安—重庆）高速公路华莹山隧道在施工通风中引入射流技术后[1]，设置风门的巷道式通风的缺陷完全被克服，并产生了巨大的经济效益，其实施方法简单、经济。
见图2
3鹧鸪山隧道施工通风设计
3.1鹧鸪山隧道施工通风设计条件
（1）隧道洞内的大气压力为68000Pa;
（2）隧道洞内的含氧量为13.7%;
（3）隧道洞内地区年最低气温-31OC；
（4）隧道掘进深度为2200米；
（5）隧道施工采用内燃机作业，无轨运输出渣
3.2通风系统
笔者认为：
施工通风的目的是改善洞内作业环境，而爆破、喷锚、出渣、打眼、装药各工序污染量不一样，通风量还随隧洞的延深而加大。
因此，通风设计分阶段进行，通风量应是动态的、才经济合理。
鹧鸪山隧道东口工区施工通风方式参照华莹山隧道东口的平行双洞无风门射流通风的模式，用射流风机诱导的风量稀释运输车辆所产生的内燃废气，而风管提供的风量主要用于稀释掘进面的炮烟，并为工人提供新鲜空气。
（图3）
图3 鹧鸪山隧道施工通风示意图
施工通风分为两个阶段（见设计图3）。
第一阶段是单风机单风管运行。
此时的掘进距离短，所需风量小，采用变极多速风机（三速），变风量送风。
当污染小时，开低速档；当污染量大时，开高速档。
当高速档不满足需要风量时，进入第二阶段。
增加一台单速风机和一根
（1）1300风管，与三速风机配用，仍然达到变风量的目的。
设备数量及性能表如下所示：
设备性能及数量表
项目名称
型 号
性能
数 量
风 管
φ1300
维尼龙布基
8000米
风 机
SDS-φ900
22KW 1250m3/min
3台
风 机
SD-No.10
27kwX21000m3/min
2台
风 机
SD-No.10
27kwX2（三速）1000m3/min
2台
随着隧道掘进进尺的增加、内燃机械的增多，需根据测定内燃机械的排污量，在洞内的污染程度，有通风专业人员根据测试结果，反馈信息，变化供风量使其达到允许浓度。
3.3通风量确定
按隧道设计规范计算的通风量，经多个工点实践证明：
采用内燃机械作业，通风量是偏小的。
按每马力配3m3/mm风，不能满足施工需要。
只能参照2Km左右已建成隧道的经验。
在鹧鸪山地区，考虑到气压低、含氧量低的因素，内燃机的排污增大，加大了1.5-2.0的系数。
总风量最高可达7000m3/min，其中4000mj/mm供工作面。
以保证内燃作业的顺利进行。
3.4射流风台数选择
射流风机台数的计算与运营通风略有不同
所需射流机台数 n=△Pc/△Pj
式中：
n一射流风机台数
△Pc一通风阻力
ξ—局部阻力系数
λi—隧道内不同地段沿程磨擦阻力系数
Li—隧道内不同地段的长度
di—隧道内不同地段的面积
Vi—隧道内所需满足的风速
ρ—空气容重
△Pj=ρ/2·Vj·2·φ·（1-）·1/K
K—喷流系数1.2φ
Vj—射流风机出口风速
φ—面积比 φ=Fj/Fs
FJ射流风机的出面积
FS—隧道横断面积
ψ—速度比 ψ=VS/Vj
VS—隧道内风速
4.通风管理
4.1风量配置
目前实际风速及风量测定如下表：
平导
正洞
一台高速
一高、一中
开启一台电机
开启两台电机
出口风速（m/s）
6.6
11.8
6.5
14.0
距风口10m处风速
1.0
2.4
1.2
1.4
距风口15m处风速
0.7
1.5
0.8
0.9
实际风量（m3/min）
525
939
517
950
洞内最大风量
939
1900（两台风机同时开启）
额定风量
1000
2000
（风速均为平均值）
4.2风机维护
风机应有专人看守，并记录电机的工作电流和电压及U型管压力。
U型管安装在风机出口的10～20m处，U型压力管可粗略了解风机的工作压力，以免造成风阻过载而烧毁电机。
如果由通风专业人员管理，可参考“利用性能曲线监测通风管路故障”（《风机技术》19946），能准确知道风机的工作点。
4.3阶段调整
在隧道开挖初期阶段，通风采用单风机单风管运行。
开挖一定进度后，通风采用双机双风管运行。
每个横通道打通后，也要做阶段调整。
4.4通风设备
由于鹧鸪山地区含氧低，平原地区通风机到高原后出力骤减，在华莹山工地通风距离长达2000m通风机，到鹧鸪山连风管都无力鼓圆，不能满足200m隧洞的通风。
通风机的改型成为高原隧道的特珠问题，风机叶片调整技术难度很大，请来的生产厂家力不从心。
北方交通大学隧道试验中心接受了风机调试的工作，风机叶片更换为三元气动理论设计的镁铝合金叶片，并按在低气压区的调整方法进行调整，其规律见图4。
在重新调整风机后，风机的风量有了较大的提高。
单风机在调整后风量达到了800m3/mm，在打眼、装药时能够满足道内的需要，只是在喷浆、爆破和出渣等需风量增大的工序时开动第二级风机，风机在调整后的最大风量更是达到了1150m3/min，满足隧道通风的设计要求。
在调整风机同时发现原风机叶片的不均匀问题（见下表）。
显然未作动平衡调试，易造成风机脱流、喘振、烧电机的原因。
鹧鸪山隧道西口也随之更换了新型叶片。
原风机叶片的不均匀测定表
叶片编号
质量
左侧长
右侧长
顶部长
底部长
顶厚
底厚
1
1820
20.9
21.4
18.4
20.2
0.7
2.0
2
1810
20.8
21.3
18.2
20.1
0.9
2.2
3
1820
20.7
21.7
18.1
20.2
0.75
2.1
4
1785
20.6
20.8
18.3
20.0
0.75
1.9
5
1835
21.0
21.4
18.1
20.3
0.7
2.2
6
1795
20.8
21.2
18.2
21.3
0.8
2.0
7
1815
20.8
21.2
18.0
20.0
0.8
2.0
8
1770
20.6
21.2
18.0
20.0
0.9
2.0
9
1830
20.9
21.1
18.1
20.2
0.8
2.2
10
1800
20.8
21.2
18.4
20.4
0.7
2.3
11
1755
20.5
21.5
17.6
19.8
0.8
2.2
各项最大值
1835
21.0
21.7
18.4
21.3
0.9
2.3
各项最小值
1755
20.5
20.8
17.6
19.8
0.7
1.9
差值
80
0.5
0.9
0.8
1.5
0.2
0.4
注：
上表中，质量单位为克，长度单位均为厘米。
鹧鸪山隧道的通风效果涉及工程进度和职工生命，必需高度重视通风管理工作。
为了防止缺氧中毒现象的发生，有通风专业人员参与管理。
每天对洞内的风量、含氧量、CO量、湿度等环境参数进行量测、记录、存档。
根据近二个月检测，现行的通风方式在出渣车未装涡轮增压机的情况下（装载机增装涡轮增压机），出渣工序的能见程度较低外，其他工序均能在劳卫标准范围内。
各工序不同地段CO浓度测试见下表;
各工序不同地段CO浓度测试表（单位：
ppm）
正洞
平导
单机台数
掌子面
弯道处
洞口
掌子面
弯道处
洞口
正洞
平导
爆破5分钟
3
27
16
5
31
21
4
2
出渣30分钟
11
36-52
33
17
21-34
24
4
2
喷浆
2
6
3
3
5
0
2
1
打眼
0
3
1
1
2
0
0
0
前喷浆、后出渣
5
20-64
20
10
27-48
23
4
2
前打眼、后出渣
2
16-47
12
3
21-40
17
3
2
前喷浆、后铺底
4
18-42
18
7
21-33
13
3
2
前打眼、后铺底
1
12-30
10
2
19-27
11
2
1
5结束语
我们认为;高原隧道的通风难点;一是内燃机因缺氧而燃烧不完全导致污染量增大，使得含氧的补给成为一个重要课题；二是由于大气压力低造成空压机、通风机出力不够。
设备的“高原反应”给无轨内燃作业带来种种困难，而采用有轨电瓶车作业，对电力、场地、管理要求更高，有时甚至不能达到。
洞口倒运，洞内装渣仍要内燃机械，大大加大工程成本。
无轨内燃作业相对简单、灵活，成本低。
“通风出效益、环控保健康”在高原隧道施工中体现更为突出！
参考文献：
[1]陆懋成 华莹山瓦斯隧道施工新模式介绍 西部探矿工程，1999（3）
[2]陈 鹏 高原严寒地区小断面长隧洞施工技术 西部探矿工程，2001（3）
[3]铁道部衡广复线建设指挥部;衡广铁路复线建设技术总结（第二册）中国铁道出版社
[4]陆懋成“利用性能曲线监测通风管路故障”（《风机技术》1994,6），
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