（道路与铁道工程专业论文）公路隧道运营安全技术研究.pdf

摘要 随着公路隧道的长大化发展、车流密度的增长和行车速度的提高，公路隧道的许多 运营安全问题大量出现。近年来国内外发生多起隧道安全事故，造成了巨大的经济损失 和严重的社会影响。我国目前既没有公路隧道运营管理的行业规程，也没有一部完整的 长大公路隧道防灾救灾预案。因此，对公路隧道运营安全技术展开研究，日益显得重要。 本文提出了“设施是基础，管理是关键，监控是核心，预案是保障 的公路隧道安 全运营管理体系；将公路隧道的防灾救灾对策系统划分为指导思想、安全等级、宣传教 育、交通管理、通风控制、监控与消防系统、建筑材料和附属设施以及救灾体系八个子 系统，对应于每一个子系统，提出了详细的防灾对策。论文给出了我国公路隧道安全等 级的划分，同时考虑隧道的规模和交通量，把我国公路隧道的安全等级从高到低划分为 i 、i i 、v 五个级别；详细地给出了不同安全等级公路隧道对应的防火设施配 置表；给出了我国长大公路隧道运输危险物品时的交通控制表。 国内外现有的公路隧道火灾通风设计计算，没有考虑火灾发生后的烟流阻力的影 响。本文对隧道火灾烟流模型以及烟流阻力的计算公式进行了简化，将节流效应烟流阻 力、浮力效应烟流阻力( 火风压) 计入隧道火灾通风计算中，改进了传统的火灾通风计 算公式。算例表明：烟流阻力数值较大，在火灾通风计算时，必须计及它们的影响；在 采用竖井分段纵向通风系统中，如果着火点离竖井底很近，竖井内的火风压将会较大， 对于排风竖井，其火风压甚至可以大于隧道内形成临界风速需要的升压力，即无需开启 轴流风机，就可以自动排烟。 针对当前对公路隧道火灾特性研究较多，而与防灾救灾结合较少的现象，本文进行 了隧道火灾时基于温度的人员逃生与救援研究。通过对克拉尼( c r a n e e ) 公式的修改， 给出了发生火灾时公路隧道内人员基于温度的逃生条件。采用有限元数值模拟方法，详 细研究了公路隧道内不同风速条件下，一辆小车、一辆卡车和两辆卡车相撞发生火灾时 的温度场，将计算结果与人员逃生和消防救援相结合，详细地给出了不同火灾规模时， 隧道内人员的逃生方向、安全区域和消防救援的具体安全位置；同时研究了横通道开启 对人员逃生区域和救援位置的影响。 在上述研究成果的基础上，本文以雁门关公路隧道( 5 6 5 k m ) 为工程依托，详细地 制定了长大公路隧道交通事故、火灾事故和危险品事故防灾救灾预案；为了检验预案的 可行性，在雁门关隧道举行了灭火救灾现场演习。记录了演习过程中各部门反应时间， 并检测了现场环境指标。为科学合理地制定长大公路隧道的防灾救灾预案和运营管理手 册，提供了大量翔实的现场资料。 结合以上研究成果，论文最后给出了我国长大公路隧道运营管理手册的编制框架。 关键词：隧道工程，运营安全技术，防灾救灾，对策，烟流阻力 数值模拟，逃生，预案，管理手册 i l a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n go ft u n n e ll e n g t h ，t r a f f i cd e n s i t ya n dv e h i c l es p e e d ，t h eo p e r a t i n g s a f e t yp r o b l e mo fh i g h w a yt u n n e ls e e m sm o r ea n dm o r es e r i o u s t h i ss i t u a t i o nh a sb e e nw e l l i n d i c a t e db yt h ei n c i d e n t so c c u r r e da l lo v e rt h ew o r l di nt h er e c e n ty e a r s ，w i t hh u g ee c o n o m i c l o s sa n da d v e r s es o c i a l i m p a c t i nc h i n a ，t h e r ea r en ot r a d er e g u l a t i o n sf o ro p e r a t i n g m a n a g e m e n ta n dc o u n t e r p l a nf o rd e f e n d i n ga n ds a l v a g i n gd i s a s t e ro fh i g h w a yt u n n e l t h e r e f o r e ，i ti su r g e n tt os t u d yt h eo p e r a t i n gs a f e t yt e c h n o l o g yo fh i g h w a yt u n n e l i nt h i st h e s i s ，o p e r a t i n gm a n a g e m e n ts y s t e mo fh i g h w a yt u n n e li sp u tf o r w a r d i nt h i s s y s t e m ，t h ef a c i l i t i e s ，m a n a g e m e n t ，m o n i t o r i n ga n dc o u n t e r p l a na r es p e c i f i e dt ow o r ka sb a s e ， k e y , c o r ea n dg u a r a n t e e ，r e s p e c t i v e l y t h ec o u n t e r m e a s u r es y s t e mf o rd e f e n d i n ga n ds a l v a g i n g d i s a s t e ro fh i g h w a yt u n n e lc a nb ed i v i d e di n t oe i g h ts u b s y s t e m ss u c ha sg u i d e l i n e ，s a f e t y g r a d e ，p r o p a g a n d i s ma n de d u c a t i o n ，t r a f f i cm a n a g e m e n t ，v e n t i l a t i o nc o n t r o l ，m o n i t o r i n ga n d f i r ef i g h t i n g , b u i l d i n gm a t e r i a l sa n da d d i t i o n a le s t a b l i s h m e n t s ，a n ds y s t e mo fs a l v a g i n g d i s a s t e r c o r r e s p o n d i n gt oe a c ho ft h es u b s y s t e m s ，t h ed e t a i l sa r ep r e s e n t e d w i t hs p e c i a l r e f e r e n c et ot u n n e ll e n g t ha n dt r a f f i c ，s a f e t yg r a d es y s t e mo fh i g h w a yt u n n e li nc h i n ai s d e f i n e da sf i v eg r a d e s ，i e ，i ，i i ，h i ，i va n dv c o r r e s p o n d i n gt oe a c ho ft h eg r a d e s ，t h ef i r e p r e v e n t i o nf a c i l i t i e sc o l l o c a t i o nt a b l ea n dt r a f f i cc o n t r o lt a b l ef o rt r a n s p o r t i n gd a n g e r o u s g o o d sa r ep r e s e n t e d a tp r e s e n t ，t h ee f f e c to ff i r ef u m er e s i s t a n c ei sn o ti n c l u d e di nt h eh i g h w a yt u n n e lf i r e v e n t i l a t i o nd e s i g nc a l c u l a t i o n i nt h i st h e s i s ，as i m p l i f i e df i r ef u m em o d e la n dt h ec a l c u l a t i n g e q u a t i o n so ff i r ef u m er e s i s t a n c ea r ep r o p o s e d t h ee q u a t i o n so ft r a d i t i o n a lt u n n e lf i r e v e n t i l a t i o na x em e n d e d , i n c l u d i n gt h ee f f e c to ff u m er e s i s t a n c ef o rt h r o t t l ee f f e c ta n df u m e r e s i s t a n c ef o rf l o a t a g ee f f e c t ( p r e s s u r eo ff i r ew i n d ) t h er e s u l t so ft h ec a s es t u d i e si n d i c a t e t h a tf i r ef u m er e s i s t a n c ei st o ol a r g et ob ei g n o r e di n f i r ev e n t i l a t i o nc a l c u l a t i o n ；t h a tt h e p r e s s u r eo ff i r ew i n di ns h a f ti sl a r g ee n o u g ht op u s hf u m eo u tt u n n e li nal o n g i t u d i n a l v e n t i l a t i o ns y s t e mw i t hs h a f t ，o nc o n d i t i o nt h a tt h ek i n d l i n gp o i n to ft h ef i r ei sm u c hn e a rt o t h es h a f t ，t h ep r e s s u r eo ff i r ew i n dc a l le v e nb el a r g e rt h a nr a i s ep r e s s u r e ，w h i c hi sr e q u k e dt o m e e tt h ec r i t i c a lv e l o c i t yf o rf i r ev e n t i l a t i o n a sar e s u l t ，t h ea x i a lf a np r e s s u r ei sn e e d l e s s t h e r ea r en u m e r o u sr e s e a r c h e so nt h ec h a r a c t e r i s t i co ff i r ei nh i g h w a yt u n n e l ，b u tt h e r e a r eaf e ws t u d i e sr e l a t i n gt od e f e n d i n ga n ds a l v a g i n gf i r es i m u l t a n e o u s l y i nt h i st h e s i s ，t u n n e l u s e r se s c a p ea n dr e s c u ea r es t u d i e d ，w i t hs p e c i a lr e f e r e n c et ot e m p e r a t u r eo ff i r ei nt u n n e l b y i m p r o v i n gc r a n e ee q u a t i o n ，t h ee s c a p ec o n d i t i o n so ft u n n e lu s e r sw i t ht e m p e r a t u r ea r e 1 1 1 p r e s e n t e d u s i n gn u m c d c a lm e t h o d s ，t h et e m p e r a t u r ef i e l d so fb u r n i n g o fo n ec a r , o n et r u c k a n dt w ot u c k sa r es t u d i e du n d e rv a r i o u sw i n ds p e e d s b a s e do i lt h es i m u l a t i n gr e s u l t sa n dt h e e s c a p ec o n d i t i o n s ，t h ee s c a p ed i r e c t i o n ，s a f e t ya r e a s a n da r e af o rf i r e s u p p r e s s i o na r e p r e s c r i b e di nt h et e m p e r a t u r ef i e l d su n d e rv a r i o u ss c a l e so ff i r e b e s i d e s ，t h ei n f l u e n c eo f o p e n i n gc o s sp a s s a g eo nt h el o c a t i o n so fe s c a p ea n dr e s c u es e c t i o n si sg i v e nu n d e rf i r e i n h i g h w a yt u n n e l t h ea b o v em e n t i o n e dc o n c l u s i o n sa r ea p p l i e dt oy a n m e n g u a nt u n n e l ，5 6 5 k ml o n g i n t h i st h e s i s ，t h ec o u n t e r p l a n sf o rd e f e n d i n ga n ds a l v a g i n gd i s a s t e rt ot r a f f i ci n c i d e n t ，f i r ea n d d a n g e r o u sg o o d st r a n s p o r t a t i o na r ee s t a b l i s h e d i no r d e rt oc h e c kt h ec o u n t e r p l a n s ，ap r a c t i c a l e x e r c i s ei ny a n m e n g u a nt u n n e li sc a r r i e do u ti nt e r m so fb o t he x t i n g u i s h i n ga n dr e s c u ed u r i n g f i r ep e r i o d t h er e s p o n s et i m eo ft h er e l a t e dg r o u p sa r er e c o r d e di nd e t a i l s ，a n d t h e e n v i r o n m e n tp a r a m e t e r sa r et e s t e da ts i t e t h ee x e r c i s ep r o v i d e sl o c a l ei n f o r m a t i o nf o r e s t a b l i s h i n gc o u n t e r p l a n sf o rd e f e n d i n ga n ds a l v a g i n gd i s a s t e ra n do p e r a t i o n a lm a n a g e m e n t m a n u a l b a s e do nt h er e s e a r c h e so ft h i st h e s i s ，ac o m p i l i n gg u i d e l i n et oo p e r a t i o n a lm a n a g e m e n t m a n u a lo fl o n gh i g h w a yt u n n e li sp r e s e n t e d k e yw o r d s ：t u n n e le n g i n e e r i n g ，o p e r a t i n gs a f e t yt e c h n o l o g y , d e f e n d i n ga n ds a l v a g i n gd i s a s t e r , c o u n t e r m e a s u r e ，f u m er e s i s t a n c e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，e s c a p e ，c o u n t e r p l a n , m a n a g e m e n t m a n u a l i v 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 甲 才c 0 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 冽喀叩和月沙日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导 锄壤叩年昭月z 日 狷i 钼 长安大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 我国公路隧道建设回顾 我国是个多山国家，7 5 左右的国土是山地或重丘。过去，在山区修筑的公路，由 于建设资金严重短缺，多以盘山公路为主。这种公路不仅等级低，绕行里程长，占用耕 地多，而且能耗高，安全隐患多，生态环境破坏大，因而造成了巨大的经济损失和大量 的人员伤亡。随着我国国民经济的迅速发展以及国家西部大开发政策的实施，公路隧道 建设不仅在山区和丘陵地区公路建设中，而且在东部江河桥隧跨越方案比选中，日益受 到重视，并有了很大发展。 上世纪五十年代我国仅有公路隧道3 0 多座，总长度约2 5 k i n ，且单洞长度都比较小。 在六七十年代，我国干线公路上曾修建了l o o m 以上的公路隧道。1 9 6 4 年修建的北京至 山西原平公路上，有两座2 0 0 m 以上的隧道，这在当时已是非常大的工程。进入八十年 代，我国公路隧道发展速度加快，据统计，1 9 7 9 年我国公路隧道通车里程仅为5 2 k m 3 7 4 座，1 9 9 3 年增加到1 3 6 k m 6 8 2 座，2 0 0 0 年又增加到6 2 8 k m 1 6 8 4 座，隧道平均长度分别 为1 3 9 m 、1 9 9 m 和3 7 3 m 【1 1 。截止到2 0 0 5 年底，我国公路隧道通车里程为1 5 2 7 k m 2 8 8 9 座，其中特长隧道1 6 5 9 k m 4 3 座，长隧道6 2 5 1 k 邮8 1 座，中隧道3 4 1 8 k m 4 8 5 座，短 隧道3 9 4 3 k m 1 9 8 0 座 2 1 。代表性的工程有甘肃七道梁隧道( 1 5 6 k m ) 、深圳梧桐山隧道 ( 1 2 1 k i n ) 、上海打浦路隧道( 2 7 6 k m ) 、重庆中梁山隧道( 3 1 6 5 k m ) 、北京潭峪沟隧道 ( 3 4 k i n ) 、浙江大溪岭隧道( 4 1 0 k m ) 、四川二郎山隧道( 4 1 6 k m ) 、台湾八卦山隧道 ( 5 k i n ) 、山西雁门关隧道( 5 6 5 k m ) 、台湾雪山隧道( 1 2 k r n ) 以及陕西秦岭1 号隧道 ( 6 1 k m ) 、秦岭终南山隧道( 1 8 0 2 k m ，世界规模第一、长度第二，2 0 0 7 年1 月2 0 日 建成通车) 等。目前，我国在建的还有湖南雪峰山隧道( 6 9 5 k m ) 、浙江苍岭隧道( 7 6 k i n ) 、 浙江括苍山隧道( 8 1 k m ) 、湖北龙潭隧道( 8 6 9 k i n ) 、山西袁家庄隧道( 1 0 9 2 k i n ) 、陕 西包家山隧道( 1 1 2 k i n ) 、甘肃大坪里隧道( 1 2 3 k i n ) 等十多座长大、特长隧道，而贯 穿中国沿海大走廊的渤海海峡隧道、琼州海峡隧道以及台湾海峡隧道正在研究中。可以 说，我国正在成为世界上公路隧道最多、最复杂、发展最快的国家。 近二十年来，通过大量的工程实践和科学研究，我国的公路隧道建设技术在不断提 高和成熟。交通部门每年投入大量科研经费，围绕隧道工程的实际问题开展了科学研究， 在隧道的设计、施工、管理、通风、照明、监控、防灾、维护等许多领域均取得了许多 成果。在此基础上，交通部组织编写了公路隧道的设计、施工、通风照明设计、养护技 1 第一章绪论 术、交通工程设计等规范【3 叼，对我国公路隧道建设起到了促进与推动作用。 但是，从总体上说，我国公路隧道建设技术还适应不了我国隧道发展的要求，与国 外先进水平相比，还存在较大的差距。具体表现在：一是新技术应用率较低，隧道建成 后裂缝、渗漏水较为普遍，造成洞内设施及衬砌结构破坏；二是特长公路隧道的关键技 术问题，如通风、防灾救灾问题还没有很好解决，制约了高等级公路的发展：三是我国 公路隧道在照明、通风、消防和报警系统以及火灾自动检测系统、紧急电话系统、隧道 通讯系统、电视监视系统、隧道交通检测控制系统等方面还不符合标准规范的有关要求； 四是特长隧道的运营管理存在严重问题，例如交通主管部门重视程度不够、隧道管理机 构设置不合理、管理人员专业技术水平低下等。 1 2 公路隧道运营安全面临的问题 如果说前二十年是我国公路隧道的建设期的话，那么现在就是我国公路隧道的运营 管理期。但遗憾的是，目前我国公路隧道的管理远远落后于建设，许多问题相继出现， 隧道运营中影响安全的问题经常发生，例如隧道衬砌开裂、渗漏水，寒区隧道发生冻害， 路面破损、磨损，通风、照明不良，交通事故、火灾事故、危险品事故频发，监控、救 援不力等。而我国目前既没有一部完整的公路隧道运营管理行业标准，又没有一套比较 科学合理的专门针对公路隧道防灾救灾的预案，使得隧道运营管理部门长期面临巨大的 压力。组织人力物力对公路隧道运营管理中一系列问题进行深入系统的研究，是我们公 路隧道工程界新一轮的重大课题。 目前，我国公路隧道在运营安全方面主要面临以下几个问题。 ( 1 ) 建设遗留问题 在我国许多已经建成的公路隧道中，由于工期、资金、技术，甚至于人为干涉等方 面的原因，在隧道建成后就出现了先天不足，给后期的运营管理带来了极大的困难和压 力。我国前期建设的隧道，由于结构和防排水的设计和施工存在缺陷，普遍出现隧道衬 砌裂损、渗漏水和路面破损、磨损现象，严重影响了隧道结构的稳定性，危及隧道运营 安全。在隧道安全设施方面也存在很多不足，例如华北一5 k m 多的长大隧道，竖井已经 打通，但风道没有完成；另一4 k m 多的长隧道，两洞间没有一个连通道，而且隧道离最 近的互通远达2 7 k m ；西北一特长隧道，竖井没有打通就通车运营，而且洞外一侧没有 撤离场地；华南一3 k m 多的长隧道，虽然洞中有电视监控，但既没有情报板，又没有喇 叭和电话；另一中长隧道，情报板设置既不合理，刚通车情报板又全部不能使用；有的 隧道虽然有消防栓，但没有水源；有的隧道汽车设置了车行横通道，但角度不合理，使 2 长安大学博士学位论文 得车辆转弯很困难；有的横通道只设置一道卷帘门；有的隧道火灾报警元件技术落后， 甚至无法使用。这些由于建设中先天留下的问题，不仅给隧道管理部门带来了极大的困 难和压力，而且也对隧道的运营安全留下了隐患。 ( 2 ) 政策法规问题 1 ) 技术规范缺项较大 通风照明规范缺项较多。公路隧道的运营管理涉及到隧道的通风、照明、供配电、 监控、安全等一系列技术问题，但是我国目前的技术规范远远不能满足隧道建设和管理 的要求。例如就隧道的通风照明而言，国内1 9 9 9 年颁布了公路隧道通风照明设计规 范( j t j0 2 6 1 1 9 9 9 ) ，这在我国已经是一个具有开创性的成果，但还是存在较多问题。 例如，通风设计中基础参数较为陈旧，风道细部参数缺项较多，送排风短道长度不合理， 交通阻塞规定不明确，风机房结构细部参数没有等；照明设计中基础参数不合理，导致 进口段灯具布设太密，而运营中又不全开。 运营监控设计没有规范标准。现在国内有四十多座隧道设置了运营监控设施，但 至今我们没有一套关于公路隧道运营监控的设计规范或者标准。 没有公路隧道安全等级。我国现在公路隧道已有近3 0 0 0 座，长大、特长隧道数 十座，但是我们至今没有一个公路隧道的安全等级标准，使得设计人员在设计中，要么 是安全设防过高，造成不必要的浪费，要么是虽然有设防，但标准又不够，更有甚者是 根本不设防，留下事故隐患。 2 ) 政策法规混乱和缺项 危险品运输管理问题较多。目前，我国的危险品运输实行“点对点”的申报制度， 即如果危险品从a 地运往b 地，只要有a 地签发的起运证明和b 地的接收证明，而在 途经的所有路段就和普通的货运一样。对此，我国先后有多个部委发布过有关危险货物 的法规和文件。从危险货物名称、危险货物分类和品名编号、危险货物包装标志，到运 输车辆标志、安全运输规程、装卸货物的规定等都有详细明确的规定，可以说国家各部 委对危险货物运输还是相当重视的。但是，这些法律条文的重叠性太多，又是垂直管理， 操作起来存在许多实际困难。对于长大或者特长隧道，其管理部门应该了解危险品通过 的信息，但是，在目前的危险品运输管理法规中，没有指明任何单位给隧道管理部门通 报危险品运输信息。隧道管理部门如果要检查危险品，甚至于禁止危险品通过，又没有 法律支持。 紧急事故封闭隧道交通责任不清。当隧道发生重大灾害事故后，急需立即封闭隧 3 第一章绪论 道交通，但是隧道管理部门目前无权封闭，如果和交警部门沟通就会耽误时间，甚至于 发生扯皮现象和承担法律责任。 没有公路隧道运营管理的行业标准。我国目前有数十座长大、特长公路隧道已经 通车运行，但是至今没有一部公路隧道运营管理的行业标准。虽然各个长大公路隧道的 管理部门，都不同程度地制定了自己的运营管理手册，但是水平参差不齐，有的甚至于 隐患较多。 ( 3 ) 管理问题 1 ) 重建设轻管理。许多建设单位，特别是交通主管部门，对于长大公路隧道的建 设非常重视，但一旦建成通车，对其运营管理无论是从人力、物力还是技术方面都重视 不够。 2 ) 机构设置不合理。国内现在长大公路隧道的运营管理机构是五花八门。有的是 管理处、有的是管理公司；有的单独设立，有的隶属于其他单位；有的与路政、交警统 属一个单位，有的与路政、交警放开。导致职责不明确，业务含糊不清。 3 ) 运营管理手册不科学。由于国家没有公路隧道的运营管理行业规程，所以，许 多长大公路隧道管理部门虽然经过一定阶段的运营实践，制定了自己的运营管理手册， 但还存在一定的不足：内容比较简单，技术含量不高；行政管理多，业务管理少；交通 控制多，防灾救灾少。 4 ) 设备配置不合理。由于技术、经济和认识上的差距，有的隧道基础设施，特别 是交通安全设施配置极为不合理，消防救援设施配置认识差距较大。 5 ) 管理人员专业技术较为缺乏。许多隧道配置了许多监控人员，但人员的专业技术 水平较缺乏，特别是缺乏应对突发灾害时的专业技术。 6 ) 没有防灾救灾预案。大部分的隧道管理部门都没有做到结合自己的隧道实际情 况，科学合理地制定其防灾救灾预案。有的虽然也编制了预案，但流程较为简单，可操 作性差：概念性多，量化的少。 7 ) 火灾演习缺乏实战。许多公路隧道都举行过防灾救灾演习，但基本上仍为消防 灭火演习，真正做到灭火救灾，人员逃生的演习较少，接近实战的演习更少。 8 ) 重业务管理轻宣传教育。国内几乎所有的隧道管理部门，虽然对本隧道的运营 管理很重视，但都忽视了对过往司乘人员和周围群众的宣传教育。 ( 4 ) 技术问题 1 ) 监控问题。目前国内的所有长大隧道都有监控设施，建设的越晚，设施越先进。 4 长安大学博士学位论文 但几乎所有的公路隧道，都是监多控少，而且所能够做到的也只是交通控制，照明控制 和通风控制。由于缺乏真正的防灾救灾预案，所以对于灾害过程中隧道内的设施控制、 人员逃生引导非常有限。 2 ) 防火救灾问题。隧道火灾是公路隧道常见的、危害最大的灾害之一，长大公路 隧道的火灾只能是减少而绝对无法避免。国内虽然有不少单位进行公路隧道火灾研究， 但重复性的研究较多，没有国家级或者部门性的公路隧道火灾研究的统一规划；基础性 的研究不够，一般性的已知结论太多；没有我国自主研发的隧道火灾数值模拟软件；火 灾的物理试验太少，并且已有的试验过程太简单；没有把火灾研究和隧道火灾安全等级 研究联系起来；更没有把火灾研究与防火救灾预案的制定结合起来【6 】。 3 ) 通风控制问题。在所有的长大公路隧道通风控制方案中，都设计有通过c o 、v i 的门槛值自动控制的方式，但在实际运营管理中，由于检测元件的灵敏度影响，或者由 于经济原因，大都是靠管理人员手动操作。甚至于在发生火灾时，由于火灾探测元件的 反应滞后，也不得不采用手动控制。手动控制的结果，经常会使得隧道的运营环境达不 到舒适性，甚至于达不到卫生标准的要求。 4 ) 照明控制问题。关于国内公路隧道的照明，普遍的现象是建设时按照规范设计， 隧道进口的灯具布设密密麻麻，而运营时灯具的开启很少超过一半，甚至有的中长隧道 只开四分之一。究其原因，一是设计本身就不合理，二是为了节约运营成本。 5 ) 危险品管理问题。我国关于危险品的管理已有不少法律规定，但是对危险品车 辆如何通过长大、特长隧道没有规定。隧道管理部门既不掌握危险品运输的信息，即使 了解又无权进行绝对禁止通行，只能是规劝和引导。 6 ) 救援设施不适用。由于对公路隧道的防灾救灾研究不深入系统，长大公路隧道 的救援设施如何配置也无章可循，有的配置过当，有的严重不足。另外，普通的救援设 施在隧道中也难以发挥作用，专用的公路隧道救援设施相对缺乏。 1 3 国内外研究概况 如上所述，公路隧道运营安全涉及的内容比较广泛，包括建设遗留、政策法规、技 术标准、运营管理等多个层面，所涉及的每一项具体内容对隧道的安全运营都十分重要， 但其中技术难度最大、存在问题最多的是长大公路隧道的通风及防灾救灾。因此，本文 仅对隧道通风、火灾及防灾救灾两个方面的国内外研究概况进行综述。 1 3 1 公路隧道通风研究概况 5 第一章绪论 通风问题的研究，最早出现于铁路隧道中。后来，由于公路隧道的出现，特别是在 近几十年内公路隧道建设高速发展，针对公路隧道的通风研究也就空前活跃。1 9 7 3 年成 立的空气动力学和隧道通风国际研讨会( i n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u mo nt h e a e r o d y n a m i c sa n dv e n t i l a t i o no fv e h i c l et u n n e l s ) ，每三年召开一次，会上各国隧 道通风专家展示自己的研究成果，大大推进了通风技术的发展。 隧道通风的研究方法，主要是通过理论计算、模型实验分析以及结合实地量测并运 用计算机数值模拟，获得隧道内风速场、压力场、温度场的分布，从而制定出隧道通风 的最佳方式和最佳控制方案。 ( 1 ) 国外的研究概况 公路隧道通风一维常规计算理论已趋完善。其理论基础是空气动力学中的连续方 程、动量方程和能量方程。计算思路为：根据稀释隧道内污染物达到卫生标准的要求， 求出需要新风量，从而得到隧道内风速；再依照流体力学中计算流管的沿程阻力、局部 阻力的方法算出隧道内气流的能量损失，根据能量守衡原则求出需要提供的动力，配置 射流风机和轴流风机。日本隧道界对公路隧道纵向通风作出了重大贡献，并得出了不论 交通方式如何，不论隧道长短，均可采用分段加静电除尘器的纵向通风的结论。他们编 制的日本道路公团设计要领【剐，已被很多国家借鉴。 各国的隧道通风专业人员都致力于通风计算的程序化。最具代表性的是瑞典的a x c l b r i n g 等在i d a ( 输入数据汇编程序) 环境下编制的一套用模块模拟的程序【9 】【l o 】。所有 数学模型都是按中性模型格式( 江f ) 用公式表示。隧道系统任一路段中的空气流量是 根据整个隧道的空气质量流量与总压力的平衡进行推导的，稳定流能量方程是计算的基 础，能量损失( 或增益) 以类似于一般管流计算的方式进行模拟。模拟结果包括空气压 力、流速和隧道沿线的污染浓度。与传统的程序相比，该程序的优点是灵活，易于维护， 适用性、可延展性好和执行时间适中。不足之处是模拟计算功能单一，不便于进行方案 比选和各种计算之间的转换，模拟参数中的经验值太多，影响计算结果的精度，且没有 一个友好的界面。 m a g a i l l a r d 针对瑞士圣哥达低线铁路隧道的通风与温度控制问题进行了数学模 拟研究【1 1 】【1 2 】。为了得到该隧道通风及冷却系统的最后设计，他编写了两种计算程序。这 些程序分别考虑了隧道中空气的非恒定的空气动力学和热力学状态，此外还计及了洞外 气象条件、各种速度及车型组成的双向交通、风机特性及以周围岩石热交换状况诸因素 带来的重要影响。程序采用有限差分法求解。 6 长安大学博士学位论文 a l a nv a r d y l l 3 】【1 4 】就某隧道通风系统计算机模拟计算程序的理论基础、模拟计算值与 实测值的比较、通风系统的优化和通风卫生标准的选用、峰值浓度或平均浓度的影响因 素作了重点讨论和简述。并对法国太思隧道进行了模拟计算。 隧道火灾通风问题是通风研究中不可缺少的部分。虽然公路隧道火灾发生几率很 小，但一旦发生，对人员生命安全和隧道设施安全的危害是极大的。国外很早就开展了 对火灾通风的研究。为了确保必要通风量来有效地控制火灾发生时的烟雾不产生逆流， 在纵向通风常规计算中一般用一个临界风速作为风速下限值f 1 5 - 2 4 】。而对于多维和动态研 究，由于其复杂性，一般通过模型实验和计算流体动力学方法进行模拟分析。 ( 2 ) 国内的研究概况 我国的公路隧道建设起步较晚，对隧道通风的研究也落后于欧洲和日本。对于公路 隧道纵向通风设计一维常规计算，我国大体上是借用日本道路公团设计要领的相关 方法，并于1 9 9 9 年颁布了公路隧道通风照明设计规范( j t j0 2 6 1 1 9 9 9 ) 。至于纵向 通风设计计算程序化问题，1 9 9 5 年西南交通大学结合成渝高速公路中梁山隧道的建设首 次作了探索性的研究【2 5 1 。但编制的程序互相独立，且只是针对单一的通风系统如全射流 纵向通风系统或竖井吸出式纵向通风系统。2 0 0 0 年以来长安大学在隧道通风程序化方面 做了大量的工作，王永东运用组合结构法原理编制了计算程序l v s r t l 2 6 】【明，可以对隧 道纵向通风各种系统进行正向和反向计算；夏永旭、赵峰编制了隧道通风计算程序 v d s h t 2 8 埘】，实现了纵向、横向、半横向及混合通风系统的计算。 对于多维和动态情况，西南交通大学作了初步研究闭，他们用空气动力学模型、交 通模型、污染模型以及控制模型对竖井吸出式纵向通风系统进行了动态数值模拟。兰州 铁道学院的许云峰、高孟理利用有限差分法对射流通风系统的流场进行了分析【3 2 1 。长安 大学的王永东、石平对公路隧道通风系统进行了局部多维数值分析1 7 - 6 1 1 3 3 _ 3 5 1 。 至于火灾情况下的通风问题，虽然我国在近十年才开始研究，但也取得了一定的成 果。在纵向通风常规计算中也依照国外引用了临界风速的概念【2 5 瑚】【3 1 】【3 6 】。 1 3 2 公路隧道火灾研究概况 随着公路隧道向长大化发展，以及车流密度的增长和行车速度的提高，公路隧道的 交通事故、火灾事故、危险品泄漏事故等也随之大量出现。而交通事故、可燃性危险品 泄漏事故极易导致火灾事故发生，所以公路隧道的火灾是目前大家普遍关注的问题。表 1 - 1 给出近年来世界各国公路隧道发生的一些重大火灾事故的统计情况。表1 - 2 给出了 我国近几年来公路隧道发生火灾的统计情况。由于隧道火灾具有随机性大、成灾时间短、 7 第一章绪论 烟雾大、温度高、扑救困难、疏散困难等特剧3 7 枷】，一旦发生，后果往往极其严重。 表1 - 1 近年来各国公路隧道重大火灾事故统计表 序号发生时间 隧道名称伤亡情况车辆损伤 11 9 9 3 意大利s e r r ar i p o l i 隧道( o 4 4 k i n ) 4 死，4 伤烧毁车辆1 6 辆 21 9 9 3 挪威h o v d e n 隧道( 1 3 k m )5 伤烧毁车辆3 辆 31 9 9 4 南非h u g u e n o t 隧道( 3 9 k m ) 1 死，2 8 伤 烧毁车辆1 辆 4 1 9 9 5 澳大利亚p f a n d e r 隧道( 6 7 k m ) 3 死，4 伤烧毁车辆4 辆 51 9 9 6 意大利i s o l a d e l l ef e m m i n e 隧道( 0 1 4 8 k m )5 死，2 0 伤 烧毁车辆2 0 辆 61 9 9 9 0 3 法、意m o n tb l a n c 公路隧道( 1 1 6 k i n ) 3 9 死烧毁车辆3 6 辆 71 9 9 9 0 5 奥地利t a u e m 公路隧道( 6 4 k i n )1 3 死，4 9 伤烧毁车辆4 0 辆 82 0 0 0 挪威s e l j e s t a d 隧道( 1 2 7 k m ) 6 伤 烧毁车辆8 辆 92 0 0 1 意大利p r a p o n t i n 隧道( 4 4 k i n ) 1 9 伤 不详 1 02 0 0 1 1 0 2 4 瑞士s tg o t t h a r d 公路隧道( 1 6 8 2 k i n )1 3 死烧毁车辆2 3 辆 1 12 0 0 5 6 4 法意弗雷瑞斯公路隧道( 1 2 8 k m )2 死，2 0 伤不详 表1 2 我国公路隧道火灾事故统计表 序号发生时间 隧道名称起因伤亡情况车辆损坏 1 1 9 9 1 3 2 3 上海打浦路隧道( 2 6 k m ) 钢筋摩擦地面起火4 死，1 5 伤烧毁车辆1 辆 2 1 9 9 8 7 0 7 福建盘陀山隧道货物火灾无车辆烧毁1 辆 32 0 0 1 2 2 5 陕西琥珀山隧道( 0 5 k m ) 货物火灾无烧毁车辆1 辆 4 2 0 0 1 1 1 5 吉林某隧道客车发动机着火无无 52 0 0 2 1 1 0 浙江猫狸岭隧道( 3 6 k m ) 货物火灾无烧毁车辆1 辆 62 0 0 5 8 1 浙江雁荡南隧道( 1 6 1 u n ) 货物火灾无烧毁车辆1 辆 72 0 0 5 8 1 浙江牛廷岭隧道发动机着火无无 82 0 0 6 3 2 1 广东温泉隧道车辆自燃无烧毁车辆1 辆 9 2 0 0 6 7 0 6 浙江大溪岭隧道( 4 6 k m ) 货物火灾无烧毁车辆1 辆 1 02 0 0 6 7 2 0 福建阳门岭隧道车辆自燃无烧毁车辆1 辆 1 1 2 0 0 6 7 3 0 山西雁门关隧道( 5 6 5 k m ) 车辆相撞起火无烧毁车辆1 辆 1 22 0 0 7 5 3 1 安徽试刀山隧道 发动机起火无烧毁车辆1 辆 ( 1 ) 国外的研究概况 对于隧道火灾研究，国外起步相对较早，研究的方式主要有三种，一是统计分析方 法，二是模型试验方法，三是数值模拟方法。 1 ) 统计分析研究 8 长安大学博士学位论文 8 0 年代初期，为改善公路隧道、铁路隧道和城市地铁的防火条件，前联邦德国运输 部委托有关部门进行了一次综合性的调型4 1 。在这项目研究中，他们对1 9 7 0 - 1 9 8 5 年间世界范围内8 5 个城市中隧道火灾情况进行调查，而且对火灾的频率、起因、范围、 防火方法以及火灾造成的损失，作了详细的调查分类，形成了大量的宝贵文献。通过统 计分析，提出了相应的隧道防火救灾对策。 2 ) 实物及模型试验研究 上世纪6 0 年代，日本在矿山巷道( 断面为拱形，高宽= 2 x 1 5 m ，长8 0 m ：火源 为木材) 进行了火灾模型试验，目的主要是针对采矿的安全，制定防护措施。试验内 容包括火灾燃烧的温度、燃烧传播速度、火灾带长度、防火带长度等。 1 9 6 5 年，瑞士以汽油为火源，在o f e n e g g 隧道进行火灾试验【4 1 】，测试在