长大高速公路隧道通风与运行安全分析_邓长平

文章编号:100926825(2010)022*******长大高速公路隧道通风与运行安全分析收稿日期:2009209214作者简介:邓长平(19742),男,硕士,工程师,江西省高等级公路管理局,江西南昌　330025邓长平摘　要:对影响隧道安全等级的主要因素进行了分析,从分段纵向通风理论模型中通风动力可控制、阻力可预测、环路单一的特点进行了论述,指出利用分段纵向通风模式可最大程度地解决山岭高速公路隧道正常运行与防火减灾的统一问题。

关键词:隧道,安全等级,纵向通风,防火减灾中图分类号:U453.5文献标识码:A 在坚持可持续发展,切实保护生态环境和有限土地资源的战略指导下,公路隧道的建设任务必然越来越重,技术要求越来越高。

隧道是高速公路上的特殊路段,空间环境狭窄、光线变化大、视野不清,存在潜在的交通事故危险。

因此采取合理的通风模式,实现长大高速公路隧道的正常运行与防火减灾是高速公路隧道建设和运营者需要特别关注的问题。

1　隧道安全等级的影响要素1.1　隧道长度依据公路隧道长度分类,确定隧道防火等级的最低长度为0.5km ,不同等级划分的特征长度分别为1.0km ,3.0km ,5.0km ,10.0km 。

1.2　平纵面线形隧道内设置小半径平曲线应慎重。

车速80km/h 时平曲线半径不应小于500m ,车速100km/h 时平曲线半径不应小于800m ,才能满足《公路工程技术标准》规定的隧道内最小停车视距。

小半径的平曲线也会在隧道内产生较大的路面超高横坡,从而影响隧道结构断面的变异。

隧道内平曲线半径必须保证隧道路面不加宽。

尽量避免在洞口设置缓和曲线,隧道洞口段应采用直线段或采用同一半径的平曲线,曲线段的路线转角应大于7°。

对于长度大于2km 的隧道,纵坡宜控制在2.0%～2.5%以下;对于1km 以下的山区公路隧道,由于车辆单向行驶产生的活塞风和自然风就足以稀释隧道内的有害气体和烟雾,一般不需要机械通风。

1.3　交通流量断面交通量按照高速公路的最低要求为10000veh/d 。

小于10000veh/d ,以隧道长度分级;大于10000veh/d ,以隧道长度和交通量的乘积大小分级。

不同等级划分的特征交通流量为10000veh/d ,20000veh/d ,30000veh/d ,40000veh/d 。

显然交通量的大小起着决定性的作用。

2　隧道通风模式选择2.1　常见通风模式目前,国内外关于长大公路隧道的通风方式,一般分为全横向、半横向、分段纵向和混合式。

上述通风方案各有利弊。

最新动态显示,双洞单向交通,分段纵向通风,在欧洲各国也逐渐增多[2]。

我们国内的通风方式也经历了由最初的全横向、半横向向分段纵向逐渐过渡的过程。

目前,关于长大公路隧道的通风形式,采用双洞单向交通,分段纵向通风已经达到普遍共识。

2.2　纵向通风技术[4]纵向通风采用临界风速设计。

临界风速的影响因素颇多,包括火灾强度、燃料类型、隧道坡度、断面形状、送风温度等。

1)与火灾强度相比,送风温度对临界风速的影响很小,可以忽略不计。

2)当Q ≤30MW 时,临界风速对Q 反应敏感,随着Q 的增大显著增加;当40MW ≤Q ≤80MW 时,模拟风速变化明显趋于缓慢。

2.3　纵向通风理论模型建立2.3.1　隧道通风阻力模型[5]隧道本身具有的通风阻力可分为两类:1)沿程阻力;2)局部阻力。

由于隧道长度、截面积、湿周对于建成的隧道是固定不变的。

当流体运动进入完全紊流状态时,沿程阻力系数仅取决于隧道内壁的相对光滑度,一定时间内是不变的,故沿程阻力系数可视为常数。

局部阻力系数的主要差别在于不同类型的局部阻力[3]　王　民,伍朝晖,张　峰,等.Eliminator 防水体系在钢桥面铺装中的应用[J ].中国建筑防水,2008(11):31233.[4]　张　寒,卢国彪,马春艳,等.浇筑式沥青混凝土桥面铺装的应用研究[J ].吉林交通科技,2008(1):30233.[5]　梅秀荣.钢桥面环氧沥青混凝土铺装抗滑性能研究[J ].山西建筑,2008,34(15):3252326.[6]　王笑风,卢飞宇,任军锋.钢桥面沥青铺装层间处理技术[J ].桥梁机械与施工技术,2006(9):39241.The interformational treating technologyand method of Chaotianmen Yangtse River bridge pavementNIU Shi 2chao FENG H ong 2yaoAbstract :Based on steel bridge pavement disease ,the interformational treating technology of Chaotianmen Y angtse River bridge paving plan 2ning was analyzed ,in which the interformational treatment of paving down layer and steel were introduced critically.The diseases provoked by interformational bonding worse were listed ,the paving down layer and steel bridge plate interformational treating new material over Chaotian 2men Y angtse River bridge were discussed so as to accumulate related treating experience.K ey w ords :interformational treatment technology ,bridge disease ,anti 2corrosion layer ,bonding layer・313・ 第36卷第2期2010年1月 山西建筑SHANXI ARCHITECTUREVol.36No.2Jan.　2010具有不同局部阻力系数,但在具体条件下是确定不变的常数。

空气密度随空气温度、湿度、气压的变化而变化,但隧道内空气密度变化不大,也可视为常量,所以通风支路风阻系数也为常量。

2.3.2　风机风压—风量曲线单台射流风机风压—风量曲线(H —Q 曲线)的数学表达式常用曲线拟合的方法获得。

在H —Q 曲线上选取足够点数的H i ,Q i 值,用最小二乘法拟合多项式,通式可写成:H f =b 1+b 2Q +b 3Q 2+…+b n Qn -1。

解算出系数b 1,b 2,b 3,…,b n ,风机特性曲线的数学表达式即可确定。

多台风机并联的特性曲线的数学表达式,只需按相同风压各风机风量相加的原则,对H —Q 曲线所选点的H i ,Q i 值进行计算,再用最小二乘法拟合多项式即可[5]。

2.3.3　交通风压模型隧道交通风力的计算公式可表示为:H t =A m A r ρ2n +(v t (+)-v r )2-A m A r ρ2n -(v t (-)+v r )2。

由于货车所占比例较大,交通风力相对自然风力来说非常可观。

2.3.4　自然风力模型隧道内自然风压的产生主要由两方面因素促成:1)隧道及竖井各进出口间的超静压差;2)隧道及竖井内外因空气温度不同引起密度变化而形成的热位差。

超静压差的计算方法:ΔP 静=∑N +・K ・ρ2・v 2N -∑N -・K ・ρ2・v 2N ;热位差的形成源于洞内空气与外界发生了热能或其他形式能量的交换而促使空气做功,以克服隧道通风阻力,维持空气流动。

热位差的计算方法:按流体静力学公式,隧道两洞口的空气压差d P =ρd z ,就一般隧道而言,可近似认为属等容过程,ρ可视为常量,积分上式有:H n =ρ0Z 0-ρt Z t ,可按ρ=0.0464PT计算,压力P 按毫米汞柱代入,T 按绝对温度代入。

按照经验,在无实测数据的情况下,洞内空气相对湿度可取60%,进风口的气温可取该处地表的月平均气温,出风口的气温可按该处岩体温度减去1℃～2℃计算[6]。

2.3.5　火灾烟流阻力模型火灾时,烟流受到节流效应、摩擦、浮力效应的联合作用,烟流阻力是以上3种效应引起阻力的代数和,即:H h =H j +H m +H b 。

火灾过程中,洞内火焰燃烧段和烟流流过段的烟流,其温度、体积、密度的变化差别较大,故将火灾区分为着火区和烟流污染区,对应的烟流阻力分别为火区烟流阻力和污染区烟流阻力。

火区长度相对整个流程是很短的,在计算火区烟流摩擦阻力时简化烟流温度和速度,近似按线性规律变化;污染区内沿程烟流的温度分布满足负指数规律[3]。

对于水平洞烟流的浮力效应很小,可忽略不计。

分段纵向通风模型简单,具有通风动力可控制、阻力可预测、环路单一的特点。

因此为我们提供了一条利用改善通风组合条件来达到防火减灾目的的思路。

3　公路隧道火灾起因引起高速公路隧道火灾的常见原因有:1)汽车化油器燃烧起火;2)紧急刹车时制动器起火;3)汽车交通事故起火;4)车上装载的易燃物品起火;5)维修养护时动用明火起火;6)隧道电气线路或电器设备短路起火[2]。

4　公路隧道火灾时的通风控制以大广高速泰和—赣州段佛子岭隧道(ZK2975+560～ZK2977+376,YK2975+600～YK2977+395)为例,说明分段纵向通风与防火救灾的射流风机配置与调配。

该隧道位于半径为1300的平曲线上,纵坡坡率分别为1.5%和0.74%,变坡点在K2976+221,隧道内正常风速:v ≤10m/s 。

2008年平均昼夜交通量21639辆,2004年～2008年年均增长率20%,其中过境货车占40%。

双洞一共安装了24个射流风机(单个<1120,30kW ),远期规划32个。

根据检测到的CO 浓度和隧道内的能见度情况及风速风向调节风机的运转,实现节能和保持风机较佳寿命的运行。

1)隧道正常运营过程中,可以对通风系统的风机开启组合进行优化。

按近期设计年限2019年的交通量,只需开启60%的射流风机;遇突发事件时,射流风机需要全部开启。

2)按远期设计年限2029年交通量,正常情况下就需要开启全部32个风机。

5　结语隧道运行安全是一个综合管理系统,包括通风、照明、消防、监控、交通治理、教育培训、应急预案等,其中任何一个流程脱节都会导致意想不到的结果。

依靠控制通风模式来改善安全运行环境的设想切实可行,但并非万能。

笔者认为,仍然可以从以下方面继续改善长大高速公路特别是重载交通公路隧道的安全运行条件:1)选用防火建筑材料和附属设施。