公路隧道通风的问题与创新

陕西省交通建设集团公司SHAANXIPROVINCIALCOMMUNICATIONCONSTRUCTIONGROUP公路隧道通风的问题与创新张东省教授级高工陕西省交通建设集团公司2017年元月陕西省交通建设集团公司张东省目录一公路隧道通风必要性和现状三目前隧道通风面临的问题隧道通风的主要形式二四解决通风问题的探讨与创新陕西省交通建设集团公司张东省一公路隧道通风现状我国是一个多山国家，高速公路依赖隧道穿山越岭。目前我国公路隧道12500多座，总长度约11000多公里，居世界首位。包茂高速秦岭终南山高速公路隧道18.02公里，建设规模和长度也居世界高速公路首位。隧道，是公路一个特殊的组成部分。隧道的狭长和半封闭性，使得它比露天公路的运营管理和控制的难度都大。其主要问题就是通风换气。在隧道内烟尘和汽车尾气都会对司乘和工作人员的健康不利，并且影响能见度，增大了车辆的事故隐患。特别是对于距离长、交通量大的隧道，汽车排出的一氧化碳、氮氧化合物、碳氢化合物、亚硫酸气体和烟雾粉尘等有害物质将造成隧道内空气的严重污染。在隧道内，当ＣＯ质量浓度过大时，会危及人的健康；烟雾粉尘则会影响视线，降低了车辆安全行驶的视距；尤其在隧道内因交通事故而塞车、甚至发生火灾的情况下，隧道通风系统就显得尤为重要。为了保证人员和车辆在隧道中安全，需要对隧道中有害废气的浓度和能见度进行观测和控制，因此必须在长大隧道中建设庞大复杂的通风系统。诸如陕西秦岭终南山隧道的通风系统。陕西省交通建设集团公司张东省二、隧道通风的主要形式通风方式自然通风机械通风交通风（活塞风）纵向通风射流风机式集中送入式竖(斜）井送排风式竖(斜）井排出式吸尘式通风半横向通风横向通风组合通风送风式排风式1.目前隧道通风方式：2.陕西省目前普遍采用的隧道通风方式射流风机纵向通风方式模式图rPjjmPtP（1）射流风机纵向通风方式射流风机优点：空气污染浓度呈直线分布；沿车道纵向风速较为均匀。缺点：当排风方向与自然风相反时废气不能有效排出。需风机连续运行，耗能巨大。（2）竖井送排式纵向通风方式竖井送排式纵向通风方式图纵向分段式通风方式通风系统采用三竖井纵向分段式通风技术，属国内首创，为隧道良好通风与行车安全提供了保障。三竖井纵向分段式通风技术秦岭终南山公路隧道钢筋混凝土中隔板2号竖井是目前世界最深的大口径通风竖井，井深661米。风机机房通风竖井工程设有三座地下风机机房，共安装32台大型轴流风机，其中送风风机17台，排风风机15台；隧道内安装144台射流风机。两者合理化开启，组合作用，共同工作，达到通风预定效果。144台射流风机32台大型轴流风机优点：通风效果好，自动化、智能化程度高。缺点：建设投资巨大，需风机连续运转，能源消耗巨大，运营维修费用高。陕西省交通建设集团公司张东省三、目前隧道通风面临的问题1.能耗的问题长大公路隧道的成功修建，提高了公路等级，减少了公路里程，汽车运营能耗降低，避免了对山体大填大挖，保护了生态环境。但公路隧道尤其是长大公路隧道的通风设施却是能源消耗大户，其高额的通风电费使运营单位难以承担，节能问题尤为突出。据统计，目前普遍使用的隧道射流风机通风方式，双向隧道平均每公里约需设置6台射流风机，每月每公里仅隧道通风一项的电费约3万元。以我国最长的山区高速公路隧道——秦岭终南山公路隧道为例，仅每个月通风的电费就达100多万元。2.火灾救援的问题公路隧道其独具的封闭性、狭长性、四面不可及性等特点，以及在通风、照明和视距上的限制，造成驾驶人员通过隧道时心里上产生恐惧。急于高速驶出，使隧道内易发生事故，甚至次生火灾事故。受隧道内通风条件限制，救援困难，极易造成重大灾难和人员伤亡。据有关研究■高速公路隧道火灾发生率要比其他隧道高；■卡车火灾发生率要比小汽车高；■在隧道内的事故中，火灾事故占10%；■隧道内的火灾40%将由司乘人员扑灭，60%需要专业消防队救助。隧道火灾研究状况隧道安全最大的敌人——隧道火灾事故陕西交通集团隧道重大火灾案例（一）2013年5月8日凌晨2:30，陕西交通集团所辖西长高速六十里梁隧道入口K1790+001，一辆货车与三辆小型客车发生连环追尾事故，引发火灾。事故造成6人死亡2人受伤，4车全部烧毁。（二）2013年9月15日，交通集团所辖福银高速公路蓝商段李家河三号隧道发生一起甲醇运输车因两车追尾导致甲醇燃烧的火灾事故。火灾造成隧道路面、装修损坏，机电系统损失惨重。约700米隧道机电系统（包括通讯、监控、通风等设备）烧毁，火灾严重段沥青混凝土路面和水泥混凝土路面烧毁。从发生的隧道火灾事故情况分析，隧道内一旦发生火灾事故，火灾将在较短时间内快速发展、蔓延，首先会烧毁隧道内的线缆和机电设备，造成隧道内供电瘫痪，照明、通风等机电设备无法正常运行。由此可见：隧道通风直接影响着隧道的运营安全：在正常工况下，良好的空气质量和能见度是保证运营安全、减少事故的前提；在交通事故和车辆拥堵工况下，空气质量和能见度是保证司乘人员健康的根本；在火灾工况下，控制排除烟尘是逃生和救援的关键。：有关研究表明：人员逃生能够承受的周围空气温度不能高于80℃，在80℃时，人可以承受15分钟。80℃，可承受15分钟逃生的能见度：隧道火灾工况下消光系数为0.4以上。能见度在7m以上人能在烟气中平稳的行走；能见度达15m可看清路标。因此，逃生最小能见度应该在7m－15m之间。二、防灾救援关键技术烟雾浓度为逃生的控制因素只要保证隧道中的最小能见度，就能够保证有害气体浓度在人员能够逃生的限度之内，即控制烟雾浓度是关键。通过隧道通风系统控制烟雾浓度是隧道火灾救援逃生的关键。采用射流风机通风存在一定的弊端和隐患，它会使隧道内烟尘进一步蔓延，对于人员逃生及火灾救援均会造成极大的困难和危害，且火灾极易烧坏射流风机的电缆，造成射流风机供电中断，影响隧道内通风。结论：陕西省交通建设集团公司张东省五、对解决隧道通风救援问题的创新研究解决火灾通风问题势在必行。隧道火灾发生后，目前通风方式往往不能满足排烟需求，同时供电系统易受损坏、瘫痪。所以要基于火灾工况下，研究诸如不用电能且能通风等新的隧道排烟、换气模式，以满足节能防灾救援的需要。无电能耗隧道通风技术无电能耗隧道通风技术是陕西省交通运输厅科研项目，交通集团组织实施完成。该技术利用五种能量：太阳能、风能、地热能、隧道内车辆排放能和车辆行驶动能。综合三种效应：烟囱效应、太阳能集热效应、负压抽风效应。解决两大问题：运营期间通风节能问题；火灾时人员逃生的安全问题。实现了四个效果：节能、环保、安全、长效。无电能耗隧道通风模型技术原理1.负压抽风效应技术：当自然风从烟囱上方刮过时,在烟囱出口处产生动压对烟囱形成负压抽吸作用,使烟囱内压力降低，从而起到引导烟囱内气气流上升的作用。负压抽风效应技术正是利用了这一原理。负压抽风装置原理图技术原理2.太阳能集热效应技术：太阳能集热效应技术是一种能够利用太阳能强化自然通风压头和风量的技术。它是一种热压作用下的自然通风设备，是利用太阳辐射为空气流动提供浮升力，将热能转化为动能，将竖井底部进气口处的空气引入竖井，产生烟囱效应，从而起到通风换气的作用。太阳能集热效应通风系统将两类技术：太阳能集热棚技术、烟囱效应技术合为一体。技术原理3.灰尘、烟雾排出装置：通过集热棚对竖井排出的空气进行加热，加快上升，竖井下部的灰尘、汽车尾气、烟雾等伴随上升气流聚集到隧道顶部，再通过隧道顶部设置的排风管道，竖井排出隧道，新鲜空气不断从洞口两端流入补充。从而保障隧道内的空气质量。无能耗隧道通风技术包括三大系统：通风系统：利用烟囱效应、太阳能集热技术和负压抽风技术，使隧道通风管道出风口与进风口产生气压差，从而带动洞内空气自然向洞顶流动，达到提高隧道内空气质量的目的。主要通过竖井、太阳能集热棚、聚光墙和山顶烟囱实现这一效果。无电能耗隧道通风系统的组成自动控制系统:自动控制系统主要为防止隧道内发生火灾后因通风系统烟囱效应助长火势而使灾情扩大。当有火灾险情发生时，隧道内监测点将当前的火灾报警信号发送给主控制系统，立即控制通风管道上的总闸板，控制出风量，限制隧道内的空气流速，达到阻燃的效果。发电系统：安装在通风系统中端和末端，利用自然风和管道内热气流驱动特制发电叶轮发电。同时，自然风较大时，特制叶轮快速旋转离心驱动叶轮内废气快速排出，管道内气压下降，增强通风效果。发出的电力用在为监测设备供电和看管房屋照明等，并将再进一步探索为隧道内提供照明供电的可能性。无电能耗隧道通风系统的效能1.提升隧道内空气质量:通过竖井、太阳能集热和负压抽风等装置，使隧道内产生的废气及时排出，同时新鲜空气不断从隧道两端注入，使得废气和新鲜空气不混合，保证了隧道内的空气质量，提高了隧道的能见度，为司乘人员提供了污染较少的空气和良好安全的行车环境。2.大大降低了通风系统电费和运营维修费用:该技术在保证隧道持续通风的情况下，不用外供电能和通风机械。使隧道通风电费和维修成本大大降低。具有明显的应用价值和社会经济效益。与国家发展循环经济，保护生态环境，加快建设资源节约型、环境友好型社会，促进经济发展与人口、资源、环境相协调的战略相适应。3.为隧道火灾救援提供了可靠的通风保障:由于该通风系统不用电能，所以在隧道发生火灾后，相关设施仍可以正常、有效运转。并且通过控制系统可以将隧道风速控制在合适范围，为火灾救援和人员逃生提供可靠保障。应用效果：该研究项目以咸旬高速公路雷家坡1#隧道（左洞长2111.4m，右洞长2097m）为依托实施。建设费用较安装现行通风系统低约10%。自2014年12月3日通车以来，“不用电动力隧道通风技术”使咸旬雷家坡隧道在不开启风机的情况下能够24小时持续保持良好的通风状态，同时节约电费200多万元，有效减少了运营成本。达到了预期目标。陕西省交通建设集团公司SHAANXIPROVINCIALCOMMUNICATIONCONSTRUCTIONGROUP