高海拔隧道通风、供氧、防灾与节能技术的发展

王明年， 李 琦， 于 丽， 何佳银， 蔡闽金

(1. 西南交通大学土木工程学院， 四川 成都 610031； 2. 西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室， 四川 成都 610031)

高海拔隧道通风、供氧、防灾与节能技术的发展

王明年1， 2， 李 琦1， 2， 于 丽1， 2， 何佳银1， 2， 蔡闽金1， 2

(1. 西南交通大学土木工程学院， 四川 成都 610031； 2. 西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室， 四川 成都 610031)

为保障我国高海拔隧道建设的大力稳固发展，采用调研分析的方法总结近年来我国在高海拔隧道建设、通风、防灾救援以及节能通风等方面完成的研究成果。得到高海拔隧道低压、低氧和低温等环境下的通风控制标准、风机特性、施工供氧技术等综合技术，探明高海拔地区火灾烟气流动特性，明确高海拔地区人员逃生能力及隧道疏散结构参数的确定方法，并介绍高海拔隧道通风照明等节能新技术的发展及应用。

高海拔隧道； 隧道通风； 施工供氧； 防灾救援； 节能技术

0 引言

我国已是世界上隧道及地下工程数量最多、规模最大、地质条件和结构形式最复杂、修建技术发展速度最快的国家[1]。据统计，截至2015年底，我国大陆运营公路隧道1万4 006座，总长1万2 684 km；近2年新增运营公路隧道达到2 647座(3 079 km)[2]。

随着我国交通网络的完善，隧道工程的建设逐渐往西部高海拔地区发展。近年来，新一轮的西部大开发为我国隧道及地下工程领域的技术发展提供了前所未有的契机，高海拔隧道的数量和规模正不断增加。

在高海拔隧道建设事业快速发展的过程中，其所遇到的难题不断，但也进展得平稳顺利，已经先后在隧道通风、防灾救援以及节能技术等方面取得了巨大的成果和进步。目前，我国隧道及地下工程修建技术已整体处于国际先进水平[3]。

1 高海拔隧道建设概况

随着国民经济和社会的发展，我国西部高原地区的公路建设正迅速扩展，特别是川藏和青藏等地区。与平原地区公路隧道相比，西部高原公路隧道具有典型的高海拔寒区公路隧道特征。

高海拔地区由于其特殊的气候环境，给隧道的设计、施工、运营均带来了巨大的难题和挑战。随着西部大开发的实施，我国已连续修建了风火山隧道(海拔4 905 m，长1 338 m)、昆仑山隧道(海拔4 665 m，长1 686 m)、雀儿山隧道(海拔4 372 m， 长7 079 m)、河卡山隧道(海拔3 700 m，长2 315 m)、大坂山隧道(海拔3 200 m，长1 5918 m)、鹧鸪山隧道(海拔3 400 m，长4 448 m)等公路隧道[4]，克服了高海拔地区低温、低压和低氧环境带来的施工和运营难题，并取得了一系列的成果。

迄今为止，我国已建成或正在建设的一些典型的高海拔隧道[5-6]如表1和表2所示。

表1 我国典型的高海拔铁路隧道

表2 我国典型的高海拔公路隧道

2 高海拔隧道通风技术研究

由于高海拔地区特殊的地理环境，在高海拔隧道的修建和运营过程中，主要面临的通风问题有污染物排放量增加、CO控制标准提高、风机效率下降和施工供氧问题等。

2.1高海拔隧道污染物排放量

众所周知，汽车尾气中含有很多有害成分，严重影响了隧道内的空气质量，更是对人的健康构成了威胁。在较为特殊的高海拔地区公路隧道内，由于海拔的不断升高，空气中氧含量迅速下降，柴油车空燃比也随之下降，车辆的碳烟排放量将会大大增加，汽油车的CO排放量也会有所增加[7]；同时，在高海拔地区人体对CO的抵抗能力会降低。因此，在高海拔地区，CO和粉尘排放量的增加造成了高海拔隧道通风系统的设计需要考虑海拔的影响。

严涛等[8]对隧道运营阶段CO和粉尘的海拔高度修正系数进行了详细研究，并进行了大量的现场测试，得到的CO和粉尘海拔高度修正系数如图1和图2所示。

图1 实测的CO海拔高度修正系数

图2 实测的粉尘海拔高度修正系数

考虑到不同车型下车辆的CO和粉尘排放量不同，结合车型比例系数，通过现场测试，最终得到了混合车型下车辆排放的CO和粉尘的海拔高度修正系数，并将其与现行规范所规定的CO与粉尘排放量的海拔高度修正系数进行对比，如图3和图4所示。

图3 考虑混合车型与现行规范的CO海拔高度修正系数对比Fig. 3 Comparison of CO altitude correction coefficients of CO considering hybrid models with current specifications

图4 考虑混合车型与现行规范的粉尘海拔高度修正系数对比Fig. 4 Comparison of VI altitude correction coefficient of VI considering hybrid models with current specifications

由图3和图4可知： CO和粉尘排放量的海拔高度修正系数随着海拔的升高而增大。其中，海拔在2 400 m以上时，考虑了混合车型的CO海拔高度修正系数比规范规定的值稍大；而考虑了混合车型的粉尘海拔高度修正系数则比规范规定的值小很多。说明考虑混合车型系数对污染物排放量的预测和计算很关键。

2.2高海拔隧道CO控制标准

CO的毒性机制是CO与血红蛋白结合，形成碳氧血红蛋白(COHb)。人体吸入CO后形成COHb，其体积分数与时间的关系如图5所示。

由图5可知： 在相同的接触时间内，随着海拔的升高，人体内的COHb体积分数增大，人体容易出现中毒情况。所以，在高海拔地区，人体对CO的承受能力降低。因此，相较于平原地区，高海拔地区隧道的CO控制标准更加严格。经计算，海拔为4 000 m的隧道，其CO控制标准为平原地区的0.37倍。

图5 COHb在不同海拔的变化规率Fig. 5 Variation of COHb varying concentration at different altitudes

2.3高海拔隧道风机选型措施

风机在运转时总是存在一些能效的损失，从而造成风机的机械效率不能达到100%。一般认为，风机的损失主要包括流动、容积、轮阻和机械损失等。在高海拔地区，由于空气密度的降低，使得风机的效率降低，以巴朗山隧道(海拔3 850 m)为例，风机效率仅为标准工况下风机效率的43%。

根据几何相似、速度相似、流量、扬程、压头和功率关系[9]，可得到高海拔隧道与平原隧道风机参数的关系。

风量为：

Q高=Q平。

(1)

风压为：

(2)

(3)

式中：p高为高海拔地区风机风压，Pa；p平为平原地区风机风压，Pa；ρ高为高海拔地区空气密度, kg/m3；ρ平为平原地区空气密度, kg/m3；n高为高海拔地区风机转速，rad/min；n平为平原地区风机转速，rad/min；D高为高海拔地区风机直径，m；D平为平原地区风机直径，m；c1为风机风压海拔高度修正系数。

功率为：

(4)

(5)

式中：N高为高海拔地区风机功率，kW；N平为平原地区风机功率，kW；c2为风机功率海拔高度修正系数。

根据不同海拔下的空气密度，可以得出不同海拔相对于平原地区的风机风压修正系数曲线，通过拟合，可以得出风机风压和功率的海拔修正公式

c1=-0.076 7H+1。

(6)

式中H为海拔高度，km。

对于高海拔隧道，为了保证高海拔地区风机满足通风要求，应采取如下措施进行风机选型。

1)选取功率较小的射流风机[10]。在高海拔地区，随着海拔的不断升高，空气密度越来越小，此时射流风机推力及功率均减小，可选取较小的功率来适应实际所需的小功率射流风机。

2)增加叶片角度，提高射流风机出口风速[10]。随着海拔的上升，密度下降不可避免，为了满足射流风机所需推力及功率，只能改进风机本身性能。通过增加射流风机叶片角度，提高射流风机出口风速，达到风机在标准大气压密度下的推力及功率。叶片角度不能无限制的增大，角度增大到一定程度时，风机效率反而会下降。风机叶片示意图如图6所示。

图6 风机叶片示意图

3 高海拔隧道施工供氧技术

高海拔地区容易出现大气性缺氧，多见于3 000～4 000 m以上的高原高空。而且由于隧道内施工人员和机械设备的耗氧，随着隧道进尺的增加，隧道内的氧含量会逐渐降低，如图7所示。缺氧会导致施工人员的身体不适、昏厥，甚至死亡，因此有必要对隧道施工现场进行供氧，以保证施工人员的安全。

图7 高海拔隧道内氧含量随进尺深度变化示意图Fig. 7 Sketch of variation of oxygen content in high-altitude tunnel with footage depth

高海拔地区供氧方案主要有个人携氧供氧、弥散式供氧和综合供氧等[11]。

1)个人携氧供氧。个人携氧供氧是指施工人员将氧气瓶背在背上，用鼻吸管吸氧，如图8所示。该方法的优点是设备简单，并且施工人员呼吸到的氧气体积分数较高，耗费的氧气量小，在短时间内或某些紧急情况下，该方法比较适用。在高海拔地区施工隧道的特殊环境下，采用个人携氧来补充施工人员所需的氧气是一种常见的、简便的供氧方式。

图8 隧道现场个人携氧供氧Fig. 8 Individual carrying oxygen supply by individually carried oxygen bottle diagram

2)弥散式供氧。弥散式供氧是利用洞口制氧站制氧设备生产氧气后，采用专用输氧管道不断地向洞内掌子面输送氧气。通过高压橡胶软管及快装接头，与掌子面开挖排架上弥散供氧管口连接，开挖排架上布置供氧管道及喷头，现场跟班安全员配置气体检测仪器，实时掌握掌子面施工环境含氧量情况，及时通过阀门控制供氧量及供氧时间，使掌子面一定范围内充满含氧量较高的空气，实现局部富氧，保障掌子面空气中氧气体积分数满足正常人体的呼吸需要[12]。掌子面区域弥散式供氧主要是在掌子面打钻装药、立钢拱架和喷射混凝土期间开启供氧，其工作原理如图9所示。

图9 隧道掌子面弥散式供氧工作原理Fig. 9 Working principle of diffusion type of oxygen supply method

3)综合供氧。综合供氧是采用隧道掌子面弥散供氧和氧吧供氧相结合的供氧方式，可以很好地解决高海拔地区隧道施工的缺氧环境。

除此之外，还有氧吧车供氧和室内鼻息式供氧等，如图10和图11所示。

图10 隧道现场移动氧吧车

图11 隧道现场鼻息式供氧

4 高海拔隧道防灾技术发展

高海拔隧道发生火灾后，其火灾的燃烧特性、人员逃生能力以及疏散结构参数的设置均与平原地区不同。

4.1高海拔隧道火灾烟气特性

高海拔地区具有低温、低氧和低压等特点，发生火灾时的燃烧及扩散特性等与平原地区有很大区别，主要体现在热释放率、烟气温度、产烟量、烟气扩散速度和烟气流动形态等方面[13]。

1)热释放率。高海拔隧道的火源热释放率低于平原地区。

2)烟气温度。高海拔隧道火源点处的最高温度会高于平原地区，但远离火源点处的区域要低于平原地区，并且温度有稳定的分层结构。

3)产烟量。高海拔隧道的产烟量小于平原地区，导致其高温烟气层厚度小于平原地区。

4)烟气扩散速度。由于热释放率低及空气密度低的原因，高海拔隧道洞内各点的烟气扩散速度有起初小于平原地区，而进入火灾稳定段后逐渐大于平原地区的特点。

5)烟气流动形态。高海拔隧道烟气气流稀薄，更易受热升力、火风压的影响，故流动形态更加变化无常。

4.2高海拔隧道人员疏散特性

在高海拔环境下，由于氧气稀薄、寒冷、干燥等不利原因，会对人们的逃生能力产生明显影响，从而直接影响隧道灾害安全控制方法的制定与隧道运营安全。因此，有必要对高海拔环境下人员运动能力进行研究。

在高海拔地区，受少氧、寒冷等气候条件的影响，人员逃生能力会大大降低，特别是在高原地区公路隧道这种狭小空间内，受气候因素和空间等的影响，人员逃生速度的大小将直接影响其逃生效果[14]。人员运动能力表现为人员的逃生速度，随着海拔的升高，人员的疏散速度逐渐降低，即随着海拔的升高，人员的疏散速度与海平面高度地区的疏散速度比值逐渐减小，该比值称为逃生速度海拔高度修正系数，其与海拔的关系如图12所示。

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

4.3高海拔隧道人员疏散结构设施设置

由于人员逃生能力随海拔的升高而降低，为使隧道发生灾害时，尤其是发生火灾时，确保人员能安全地离开隧道，需设置紧急疏散通道。紧急疏散通道的设置参数需要考虑海拔的影响，高海拔隧道的横通道间距应较平原地区小。

对于公路隧道而言，现行设计规范中规定，人行横通道设置间距可取250 m，并且不大于500 m[15]。高海拔公路隧道的横通道一般可按150 m的间距进行设置[15]。公路隧道横通道结构如图13所示。

图13 公路隧道横通道结构

对于铁路隧道而言，其火灾时需要疏散的人员数量多且集中，疏散的空间狭小，人员疏散密度大，容易造成二次伤害。以关角隧道为例，结合高海拔地区的环境参数，对疏散设施结构的参数进行了研究，人员在紧急救援站的疏散如图14所示。

图14 紧急救援站的人员疏散

通过计算，最后确定了关角隧道的紧急救援站横通道间距为50 m，紧急救援站以外的横通道间距平均为420 m。紧急救援站结构示意图如图15所示。

图15 关角隧道紧急救援站结构示意图(单位： m)Fig. 15 Sketch of emergency rescue station of Gaunjiao Ttunnel (unit: m)

5 高海拔隧道节能技术应用

高海拔地区可利用能源主要有风能和太阳能，利用其进行隧道的通风及照明是高海拔隧道节能技术发展的趋势。

5.1高海拔隧道通风节能技术

5.1.1 自然风节能技术

高海拔隧道由于其特殊的地理位置，常位于气象分隔带，这类隧道的进出口气候差异比较大，2个洞口间会形成2个不同的气候区，产生自然风。目前对于自然风的处理，从安全方面考虑，通风计算中通常视自然风向与交通方向逆向，即作为阻力考虑。随着研究的深入，越来越多的学者认识到可以将自然风进行合理利用，从而在隧道的运营中达到节能、增大经济效益的目的[16]。

影响公路隧道自然风的因素主要有洞内外温湿度、隧道进出口大气压差、进出口高程差、洞外风速大小及方向等。当自然风与行车方向相同且自然风速大于设计风速时，利用节能风道进行通风；当自然风小于设计风速时，可利用自然风辅助通风[10]。

节能控制模式可分时段控制或实时控制。分时段控制即根据计算得到的自然风规律，将全年划分成不同的控制时段(例如月)，每个控制时段按该时段内的最不利工况进行控制。实时控制是根据隧道内实时自然风的风速情况，对通风设备进行实时控制。若将控制时段进一步细分，可得到更好的节能效果，但需加强隧道通风控制[17]。

5.1.2 通风变频节能技术

变频调速技术是通过改变供给电机的电源频率以改变电机转速，进而达到控制风机风速的目的。电机的能耗和风机的风速增加呈3次方的关系，因此，降低风机的风速就能大幅降低电机的能耗，以达到高效、节能的目的[18]。交流变频调速通风机电控系统具有可靠性高、调节方便灵活、节能效果显著等优点。

5.1.3 智能通风控制系统

采用前馈控制法的前馈式通风控制系统,通过预测将来的交通流，并计算出之后一段时间内的粉尘和CO体积分数信息(前馈信号)，结合传感器测得的当前粉尘和CO体积分数信息(后馈信号)，由它们共同完成对风机的控制[19]。前馈式控制法或前馈式模糊控制法的通风控制系统除了能明显改善通风效果外，还能增加行车舒适度，提高行车安全性以及预防重大火灾和其他重大交通事故，同时节约电力。

5.2高海拔隧道太阳能节能技术

高海拔地区日照强度较大，适当地利用太阳能可以减少对自然资源的浪费，减轻生态环境的负担。在隧道运营中，可以利用太阳能发电来保障隧道风机和照明的正常运行，从而达到节能的目的。

利用太阳能发电有2大类型： 一类是太阳光发电(也称太阳能光发电)；另一类是太阳热发电(也称太阳能热发电)。太阳能光发电是将太阳能直接转化为电能的一种发电方式。太阳能热发电是先将太阳能转化为热能，再将热能转化成电能，有2种转化方式：一种是将太阳热能直接转化成电能；另一种是将太阳热能通过热机(如汽轮机)带动发电机发电，与常规热力发电类似，只不过其热能不是来自燃料，而是来自太阳能。太阳能发电系统如图16所示。

5.3高海拔隧道照明节能技术

5.3.1 照明节能灯具

欧美等发达国家在改进照明灯具方面做过很多研究，在灯具的结构、外观、质量、功能、材料和光学特性等方面都有所改进。日本、美国、澳大利亚和荷兰等发达国家在白光LED灯面世不久后就开始研究其作为路灯的使用技术[20]。LED光源是一种耗电低、能效高、亮度可无级调控、寿命长、抗震动、无辐射的节能环保型光源，欧美发达国家已经将大功率白光LED灯作为新世纪的新型照明光源。

图16 太阳能发电系统

5.3.2 灯具合理布设与照明配光

隧道中间段布灯主要有中间单排布灯、两侧对称布灯、两侧交错布灯和单排中偏侧布灯4种方式，其所用灯具数量和维护方便程度都不相同[21]，中间单排布灯效果如图17所示。灯具布设的合理性主要通过在满足消除光斑的情况下布设更少的灯具以达到节能的效果来体现。

图17 中间单排布灯效果图

隧道照明有逆光照明、顺光照明与混光照明。逆光照明的特征是光的大部分指向驾驶员，小部分指向物体，这种光没有散射和反射，与顺光照明相比，可提高光效30%[22]，有较好的可见照明对比度。

5.3.3 发光节能涂料

发光涂料可以有效地将人眼无法识别的光波转换为可识别光波并反射，激发人的视觉。发光涂料与照明光源组合照明时能增加亮度，可在隧道路面相同照度的情况下节约20%～25%的LED灯照明功率。

6 结语

面对高海拔隧道所遇到的一系列难题，我国隧道工作者开展了诸多研究，取得了大量的成果和新技术，并且在实际的隧道工程建设中得以应用和验证。然而，我国高海拔隧道的修建技术尚处于起步阶段，仍有大量的难题需要去攻克，本文研究成果可为高海拔隧道的修建和运营技术的发展完善提供参考和指导。今后需把握信息技术高速发展的契机，将高海拔隧道的建设向信息化、智能化和机械化的方向推进。

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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

中国铁路总公司科技研究开发计划课题(2014G004-C)； 国家自然科学基金资助项目(51508475)； 中央高校基本科研业务费理工类科技创新项目(2682016CX017)

王明年(1965—)，男，安徽舒城人，1999年毕业于西南交通大学，桥梁与隧道工程专业，博士，教授，主要从事隧道及地下工程技术研究工作。 E-mail： 1653325765@qq.com。

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

U 45

A

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