高海拔隧道通風、供氧、防災與節能技術的發展

王明年， 李 琦， 于 麗， 何佳銀， 蔡閩金

(1. 西南交通大學土木工程學院， 四川 成都 610031； 2. 西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川 成都 610031)

高海拔隧道通風、供氧、防災與節能技術的發展

王明年1， 2， 李 琦1， 2， 于 麗1， 2， 何佳銀1， 2， 蔡閩金1， 2

(1. 西南交通大學土木工程學院， 四川 成都 610031； 2. 西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川 成都 610031)

為保障我國高海拔隧道建設的大力穩固發展，采用調研分析的方法總結近年來我國在高海拔隧道建設、通風、防災救援以及節能通風等方面完成的研究成果。得到高海拔隧道低壓、低氧和低溫等環境下的通風控制標準、風機特性、施工供氧技術等綜合技術，探明高海拔地區火災煙氣流動特性，明確高海拔地區人員逃生能力及隧道疏散結構參數的確定方法，并介紹高海拔隧道通風照明等節能新技術的發展及應用。

高海拔隧道； 隧道通風； 施工供氧； 防災救援； 節能技術

0 引言

我國已是世界上隧道及地下工程數量最多、規模最大、地質條件和結構形式最復雜、修建技術發展速度最快的國家[1]。據統計，截至2015年底，我國大陸運營公路隧道1萬4 006座，總長1萬2 684 km；近2年新增運營公路隧道達到2 647座(3 079 km)[2]。

隨著我國交通網絡的完善，隧道工程的建設逐漸往西部高海拔地區發展。近年來，新一輪的西部大開發為我國隧道及地下工程領域的技術發展提供了前所未有的契機，高海拔隧道的數量和規模正不斷增加。

在高海拔隧道建設事業快速發展的過程中，其所遇到的難題不斷，但也進展得平穩順利，已經先后在隧道通風、防災救援以及節能技術等方面取得了巨大的成果和進步。目前，我國隧道及地下工程修建技術已整體處于國際先進水平[3]。

1 高海拔隧道建設概況

隨著國民經濟和社會的發展，我國西部高原地區的公路建設正迅速擴展，特別是川藏和青藏等地區。與平原地區公路隧道相比，西部高原公路隧道具有典型的高海拔寒區公路隧道特征。

高海拔地區由于其特殊的氣候環境，給隧道的設計、施工、運營均帶來了巨大的難題和挑戰。隨著西部大開發的實施，我國已連續修建了風火山隧道(海拔4 905 m，長1 338 m)、昆侖山隧道(海拔4 665 m，長1 686 m)、雀兒山隧道(海拔4 372 m， 長7 079 m)、河卡山隧道(海拔3 700 m，長2 315 m)、大坂山隧道(海拔3 200 m，長1 5918 m)、鷓鴣山隧道(海拔3 400 m，長4 448 m)等公路隧道[4]，克服了高海拔地區低溫、低壓和低氧環境帶來的施工和運營難題，并取得了一系列的成果。

迄今為止，我國已建成或正在建設的一些典型的高海拔隧道[5-6]如表1和表2所示。

表1 我國典型的高海拔鐵路隧道

表2 我國典型的高海拔公路隧道

2 高海拔隧道通風技術研究

由于高海拔地區特殊的地理環境，在高海拔隧道的修建和運營過程中，主要面臨的通風問題有污染物排放量增加、CO控制標準提高、風機效率下降和施工供氧問題等。

2.1高海拔隧道污染物排放量

眾所周知，汽車尾氣中含有很多有害成分，嚴重影響了隧道內的空氣質量，更是對人的健康構成了威脅。在較為特殊的高海拔地區公路隧道內，由于海拔的不斷升高，空氣中氧含量迅速下降，柴油車空燃比也隨之下降，車輛的碳煙排放量將會大大增加，汽油車的CO排放量也會有所增加[7]；同時，在高海拔地區人體對CO的抵抗能力會降低。因此，在高海拔地區，CO和粉塵排放量的增加造成了高海拔隧道通風系統的設計需要考慮海拔的影響。

嚴濤等[8]對隧道運營階段CO和粉塵的海拔高度修正系數進行了詳細研究，并進行了大量的現場測試，得到的CO和粉塵海拔高度修正系數如圖1和圖2所示。

圖1 實測的CO海拔高度修正系數

圖2 實測的粉塵海拔高度修正系數

考慮到不同車型下車輛的CO和粉塵排放量不同，結合車型比例系數，通過現場測試，最終得到了混合車型下車輛排放的CO和粉塵的海拔高度修正系數，并將其與現行規范所規定的CO與粉塵排放量的海拔高度修正系數進行對比，如圖3和圖4所示。

圖3 考慮混合車型與現行規范的CO海拔高度修正系數對比Fig. 3 Comparison of CO altitude correction coefficients of CO considering hybrid models with current specifications

圖4 考慮混合車型與現行規范的粉塵海拔高度修正系數對比Fig. 4 Comparison of VI altitude correction coefficient of VI considering hybrid models with current specifications

由圖3和圖4可知： CO和粉塵排放量的海拔高度修正系數隨著海拔的升高而增大。其中，海拔在2 400 m以上時，考慮了混合車型的CO海拔高度修正系數比規范規定的值稍大；而考慮了混合車型的粉塵海拔高度修正系數則比規范規定的值小很多。說明考慮混合車型系數對污染物排放量的預測和計算很關鍵。

2.2高海拔隧道CO控制標準

CO的毒性機制是CO與血紅蛋白結合，形成碳氧血紅蛋白(COHb)。人體吸入CO后形成COHb，其體積分數與時間的關系如圖5所示。

由圖5可知： 在相同的接觸時間內，隨著海拔的升高，人體內的COHb體積分數增大，人體容易出現中毒情況。所以，在高海拔地區，人體對CO的承受能力降低。因此，相較于平原地區，高海拔地區隧道的CO控制標準更加嚴格。經計算，海拔為4 000 m的隧道，其CO控制標準為平原地區的0.37倍。

圖5 COHb在不同海拔的變化規率Fig. 5 Variation of COHb varying concentration at different altitudes

2.3高海拔隧道風機選型措施

風機在運轉時總是存在一些能效的損失，從而造成風機的機械效率不能達到100%。一般認為，風機的損失主要包括流動、容積、輪阻和機械損失等。在高海拔地區，由于空氣密度的降低，使得風機的效率降低，以巴朗山隧道(海拔3 850 m)為例，風機效率僅為標準工況下風機效率的43%。

根據幾何相似、速度相似、流量、揚程、壓頭和功率關系[9]，可得到高海拔隧道與平原隧道風機參數的關系。

風量為：

Q高=Q平。

(1)

風壓為：

(2)

(3)

式中：p高為高海拔地區風機風壓，Pa；p平為平原地區風機風壓，Pa；ρ高為高海拔地區空氣密度, kg/m3；ρ平為平原地區空氣密度, kg/m3；n高為高海拔地區風機轉速，rad/min；n平為平原地區風機轉速，rad/min；D高為高海拔地區風機直徑，m；D平為平原地區風機直徑，m；c1為風機風壓海拔高度修正系數。

功率為：

(4)

(5)

式中：N高為高海拔地區風機功率，kW；N平為平原地區風機功率，kW；c2為風機功率海拔高度修正系數。

根據不同海拔下的空氣密度，可以得出不同海拔相對于平原地區的風機風壓修正系數曲線，通過擬合，可以得出風機風壓和功率的海拔修正公式

c1=-0.076 7H+1。

(6)

式中H為海拔高度，km。

對于高海拔隧道，為了保證高海拔地區風機滿足通風要求，應采取如下措施進行風機選型。

1)選取功率較小的射流風機[10]。在高海拔地區，隨著海拔的不斷升高，空氣密度越來越小，此時射流風機推力及功率均減小，可選取較小的功率來適應實際所需的小功率射流風機。

2)增加葉片角度，提高射流風機出口風速[10]。隨著海拔的上升，密度下降不可避免，為了滿足射流風機所需推力及功率，只能改進風機本身性能。通過增加射流風機葉片角度，提高射流風機出口風速，達到風機在標準大氣壓密度下的推力及功率。葉片角度不能無限制的增大，角度增大到一定程度時，風機效率反而會下降。風機葉片示意圖如圖6所示。

圖6 風機葉片示意圖

3 高海拔隧道施工供氧技術

高海拔地區容易出現大氣性缺氧，多見于3 000～4 000 m以上的高原高空。而且由于隧道內施工人員和機械設備的耗氧，隨著隧道進尺的增加，隧道內的氧含量會逐漸降低，如圖7所示。缺氧會導致施工人員的身體不適、昏厥，甚至死亡，因此有必要對隧道施工現場進行供氧，以保證施工人員的安全。

圖7 高海拔隧道內氧含量隨進尺深度變化示意圖Fig. 7 Sketch of variation of oxygen content in high-altitude tunnel with footage depth

高海拔地區供氧方案主要有個人攜氧供氧、彌散式供氧和綜合供氧等[11]。

1)個人攜氧供氧。個人攜氧供氧是指施工人員將氧氣瓶背在背上，用鼻吸管吸氧，如圖8所示。該方法的優點是設備簡單，并且施工人員呼吸到的氧氣體積分數較高，耗費的氧氣量小，在短時間內或某些緊急情況下，該方法比較適用。在高海拔地區施工隧道的特殊環境下，采用個人攜氧來補充施工人員所需的氧氣是一種常見的、簡便的供氧方式。

圖8 隧道現場個人攜氧供氧Fig. 8 Individual carrying oxygen supply by individually carried oxygen bottle diagram

2)彌散式供氧。彌散式供氧是利用洞口制氧站制氧設備生產氧氣后，采用專用輸氧管道不斷地向洞內掌子面輸送氧氣。通過高壓橡膠軟管及快裝接頭，與掌子面開挖排架上彌散供氧管口連接，開挖排架上布置供氧管道及噴頭，現場跟班安全員配置氣體檢測儀器，實時掌握掌子面施工環境含氧量情況，及時通過閥門控制供氧量及供氧時間，使掌子面一定范圍內充滿含氧量較高的空氣，實現局部富氧，保障掌子面空氣中氧氣體積分數滿足正常人體的呼吸需要[12]。掌子面區域彌散式供氧主要是在掌子面打鉆裝藥、立鋼拱架和噴射混凝土期間開啟供氧，其工作原理如圖9所示。

圖9 隧道掌子面彌散式供氧工作原理Fig. 9 Working principle of diffusion type of oxygen supply method

3)綜合供氧。綜合供氧是采用隧道掌子面彌散供氧和氧吧供氧相結合的供氧方式，可以很好地解決高海拔地區隧道施工的缺氧環境。

除此之外，還有氧吧車供氧和室內鼻息式供氧等，如圖10和圖11所示。

圖10 隧道現場移動氧吧車

圖11 隧道現場鼻息式供氧

4 高海拔隧道防災技術發展

高海拔隧道發生火災后，其火災的燃燒特性、人員逃生能力以及疏散結構參數的設置均與平原地區不同。

4.1高海拔隧道火災煙氣特性

高海拔地區具有低溫、低氧和低壓等特點，發生火災時的燃燒及擴散特性等與平原地區有很大區別，主要體現在熱釋放率、煙氣溫度、產煙量、煙氣擴散速度和煙氣流動形態等方面[13]。

1)熱釋放率。高海拔隧道的火源熱釋放率低于平原地區。

2)煙氣溫度。高海拔隧道火源點處的最高溫度會高于平原地區，但遠離火源點處的區域要低于平原地區，并且溫度有穩定的分層結構。

3)產煙量。高海拔隧道的產煙量小于平原地區，導致其高溫煙氣層厚度小于平原地區。

4)煙氣擴散速度。由于熱釋放率低及空氣密度低的原因，高海拔隧道洞內各點的煙氣擴散速度有起初小于平原地區，而進入火災穩定段后逐漸大于平原地區的特點。

5)煙氣流動形態。高海拔隧道煙氣氣流稀薄，更易受熱升力、火風壓的影響，故流動形態更加變化無常。

4.2高海拔隧道人員疏散特性

在高海拔環境下，由于氧氣稀薄、寒冷、干燥等不利原因，會對人們的逃生能力產生明顯影響，從而直接影響隧道災害安全控制方法的制定與隧道運營安全。因此，有必要對高海拔環境下人員運動能力進行研究。

在高海拔地區，受少氧、寒冷等氣候條件的影響，人員逃生能力會大大降低，特別是在高原地區公路隧道這種狹小空間內，受氣候因素和空間等的影響，人員逃生速度的大小將直接影響其逃生效果[14]。人員運動能力表現為人員的逃生速度，隨著海拔的升高，人員的疏散速度逐漸降低，即隨著海拔的升高，人員的疏散速度與海平面高度地區的疏散速度比值逐漸減小，該比值稱為逃生速度海拔高度修正系數，其與海拔的關系如圖12所示。

圖12 逃生速度海拔修正系數Fig. 12 Correction factor of evacuation speed for varying altitude with respective to sea level

4.3高海拔隧道人員疏散結構設施設置

由于人員逃生能力隨海拔的升高而降低，為使隧道發生災害時，尤其是發生火災時，確保人員能安全地離開隧道，需設置緊急疏散通道。緊急疏散通道的設置參數需要考慮海拔的影響，高海拔隧道的橫通道間距應較平原地區小。

對于公路隧道而言，現行設計規范中規定，人行橫通道設置間距可取250 m，并且不大于500 m[15]。高海拔公路隧道的橫通道一般可按150 m的間距進行設置[15]。公路隧道橫通道結構如圖13所示。

圖13 公路隧道橫通道結構

對于鐵路隧道而言，其火災時需要疏散的人員數量多且集中，疏散的空間狹小，人員疏散密度大，容易造成二次傷害。以關角隧道為例，結合高海拔地區的環境參數，對疏散設施結構的參數進行了研究，人員在緊急救援站的疏散如圖14所示。

圖14 緊急救援站的人員疏散

通過計算，最后確定了關角隧道的緊急救援站橫通道間距為50 m，緊急救援站以外的橫通道間距平均為420 m。緊急救援站結構示意圖如圖15所示。

圖15 關角隧道緊急救援站結構示意圖(單位： m)Fig. 15 Sketch of emergency rescue station of Gaunjiao Ttunnel (unit: m)

5 高海拔隧道節能技術應用

高海拔地區可利用能源主要有風能和太陽能，利用其進行隧道的通風及照明是高海拔隧道節能技術發展的趨勢。

5.1高海拔隧道通風節能技術

5.1.1 自然風節能技術

高海拔隧道由于其特殊的地理位置，常位于氣象分隔帶，這類隧道的進出口氣候差異比較大，2個洞口間會形成2個不同的氣候區，產生自然風。目前對于自然風的處理，從安全方面考慮，通風計算中通常視自然風向與交通方向逆向，即作為阻力考慮。隨著研究的深入，越來越多的學者認識到可以將自然風進行合理利用，從而在隧道的運營中達到節能、增大經濟效益的目的[16]。

影響公路隧道自然風的因素主要有洞內外溫濕度、隧道進出口大氣壓差、進出口高程差、洞外風速大小及方向等。當自然風與行車方向相同且自然風速大于設計風速時，利用節能風道進行通風；當自然風小于設計風速時，可利用自然風輔助通風[10]。

節能控制模式可分時段控制或實時控制。分時段控制即根據計算得到的自然風規律，將全年劃分成不同的控制時段(例如月)，每個控制時段按該時段內的最不利工況進行控制。實時控制是根據隧道內實時自然風的風速情況，對通風設備進行實時控制。若將控制時段進一步細分，可得到更好的節能效果，但需加強隧道通風控制[17]。

5.1.2 通風變頻節能技術

變頻調速技術是通過改變供給電機的電源頻率以改變電機轉速，進而達到控制風機風速的目的。電機的能耗和風機的風速增加呈3次方的關系，因此，降低風機的風速就能大幅降低電機的能耗，以達到高效、節能的目的[18]。交流變頻調速通風機電控系統具有可靠性高、調節方便靈活、節能效果顯著等優點。

5.1.3 智能通風控制系統

采用前饋控制法的前饋式通風控制系統,通過預測將來的交通流，并計算出之后一段時間內的粉塵和CO體積分數信息(前饋信號)，結合傳感器測得的當前粉塵和CO體積分數信息(后饋信號)，由它們共同完成對風機的控制[19]。前饋式控制法或前饋式模糊控制法的通風控制系統除了能明顯改善通風效果外，還能增加行車舒適度，提高行車安全性以及預防重大火災和其他重大交通事故，同時節約電力。

5.2高海拔隧道太陽能節能技術

高海拔地區日照強度較大，適當地利用太陽能可以減少對自然資源的浪費，減輕生態環境的負擔。在隧道運營中，可以利用太陽能發電來保障隧道風機和照明的正常運行，從而達到節能的目的。

利用太陽能發電有2大類型： 一類是太陽光發電(也稱太陽能光發電)；另一類是太陽熱發電(也稱太陽能熱發電)。太陽能光發電是將太陽能直接轉化為電能的一種發電方式。太陽能熱發電是先將太陽能轉化為熱能，再將熱能轉化成電能，有2種轉化方式：一種是將太陽熱能直接轉化成電能；另一種是將太陽熱能通過熱機(如汽輪機)帶動發電機發電，與常規熱力發電類似，只不過其熱能不是來自燃料，而是來自太陽能。太陽能發電系統如圖16所示。

5.3高海拔隧道照明節能技術

5.3.1 照明節能燈具

歐美等發達國家在改進照明燈具方面做過很多研究，在燈具的結構、外觀、質量、功能、材料和光學特性等方面都有所改進。日本、美國、澳大利亞和荷蘭等發達國家在白光LED燈面世不久后就開始研究其作為路燈的使用技術[20]。LED光源是一種耗電低、能效高、亮度可無級調控、壽命長、抗震動、無輻射的節能環保型光源，歐美發達國家已經將大功率白光LED燈作為新世紀的新型照明光源。

圖16 太陽能發電系統

5.3.2 燈具合理布設與照明配光

隧道中間段布燈主要有中間單排布燈、兩側對稱布燈、兩側交錯布燈和單排中偏側布燈4種方式，其所用燈具數量和維護方便程度都不相同[21]，中間單排布燈效果如圖17所示。燈具布設的合理性主要通過在滿足消除光斑的情況下布設更少的燈具以達到節能的效果來體現。

圖17 中間單排布燈效果圖

隧道照明有逆光照明、順光照明與混光照明。逆光照明的特征是光的大部分指向駕駛員，小部分指向物體，這種光沒有散射和反射，與順光照明相比，可提高光效30%[22]，有較好的可見照明對比度。

5.3.3 發光節能涂料

發光涂料可以有效地將人眼無法識別的光波轉換為可識別光波并反射，激發人的視覺。發光涂料與照明光源組合照明時能增加亮度，可在隧道路面相同照度的情況下節約20%～25%的LED燈照明功率。

6 結語

面對高海拔隧道所遇到的一系列難題，我國隧道工作者開展了諸多研究，取得了大量的成果和新技術，并且在實際的隧道工程建設中得以應用和驗證。然而，我國高海拔隧道的修建技術尚處于起步階段，仍有大量的難題需要去攻克，本文研究成果可為高海拔隧道的修建和運營技術的發展完善提供參考和指導。今后需把握信息技術高速發展的契機，將高海拔隧道的建設向信息化、智能化和機械化的方向推進。

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DevelopmentofNewTechnologiesforVentilation,OxygenSupply,DisasterPreventionandEnergySavingforHigh-altitudeTunnels

WANG Mingnian1, 2, LI Qi1, 2, YU Li1, 2, HE Jiayin1, 2, CAI Minjin1, 2

(1.SchoolofCivilEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China; 2.KeyLaboratoryofTransportationTunnelEngineeringofMinistryofEducation,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China)

The recent studies of high-altitude tunnels are summarized in terms of construction, ventilation, disaster prevention and rescue, energy-saving ventilation so as to guarantee the rapid development of high-altitude tunnel in China. The ventilation control standard, fan characteristics, oxygen supply during construction in high-altitude, low-pressure, low-oxygen and low-temperature environment are obtained. The characteristics of fire and smoke flow in high-altitude tunnels are identified. The method for determining personnel escape ability and evacuation structure parameters in high-altitude tunnels is demonstrated. Finally, the development and application of new energy saving technologies for ventilation and illumination in high-altitude tunnels are introduced.

high altitude tunnel; ventilation; oxygen supply; disaster prevention and rescue; energy saving technology

2017-04-19;

2017-08-15

中國鐵路總公司科技研究開發計劃課題(2014G004-C)； 國家自然科學基金資助項目(51508475)； 中央高校基本科研業務費理工類科技創新項目(2682016CX017)

王明年(1965—)，男，安徽舒城人，1999年畢業于西南交通大學，橋梁與隧道工程專業，博士，教授，主要從事隧道及地下工程技術研究工作。 E-mail： 1653325765@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.10.002

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1672-741X(2017)10-1209-08