王明年， 李 琦， 于 麗， 何佳銀， 蔡閩金

(1. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川 成都 610031； 2. 西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031)

高海拔隧道通風(fēng)、供氧、防災(zāi)與節(jié)能技術(shù)的發(fā)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(xué)土木工程學(xué)院， 四川 成都 610031； 2. 西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031)

為保障我國高海拔隧道建設(shè)的大力穩(wěn)固發(fā)展，采用調(diào)研分析的方法總結(jié)近年來我國在高海拔隧道建設(shè)、通風(fēng)、防災(zāi)救援以及節(jié)能通風(fēng)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(huán)境下的通風(fēng)控制標(biāo)準(zhǔn)、風(fēng)機(jī)特性、施工供氧技術(shù)等綜合技術(shù)，探明高海拔地區(qū)火災(zāi)煙氣流動(dòng)特性，明確高海拔地區(qū)人員逃生能力及隧道疏散結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定方法，并介紹高海拔隧道通風(fēng)照明等節(jié)能新技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用。

高海拔隧道； 隧道通風(fēng)； 施工供氧； 防災(zāi)救援； 節(jié)能技術(shù)

0 引言

我國已是世界上隧道及地下工程數(shù)量最多、規(guī)模最大、地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)形式最復(fù)雜、修建技術(shù)發(fā)展速度最快的國家[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2015年底，我國大陸運(yùn)營公路隧道1萬4 006座，總長1萬2 684 km；近2年新增運(yùn)營公路隧道達(dá)到2 647座(3 079 km)[2]。

隨著我國交通網(wǎng)絡(luò)的完善，隧道工程的建設(shè)逐漸往西部高海拔地區(qū)發(fā)展。近年來，新一輪的西部大開發(fā)為我國隧道及地下工程領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展提供了前所未有的契機(jī)，高海拔隧道的數(shù)量和規(guī)模正不斷增加。

在高海拔隧道建設(shè)事業(yè)快速發(fā)展的過程中，其所遇到的難題不斷，但也進(jìn)展得平穩(wěn)順利，已經(jīng)先后在隧道通風(fēng)、防災(zāi)救援以及節(jié)能技術(shù)等方面取得了巨大的成果和進(jìn)步。目前，我國隧道及地下工程修建技術(shù)已整體處于國際先進(jìn)水平[3]。

1 高海拔隧道建設(shè)概況

隨著國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，我國西部高原地區(qū)的公路建設(shè)正迅速擴(kuò)展，特別是川藏和青藏等地區(qū)。與平原地區(qū)公路隧道相比，西部高原公路隧道具有典型的高海拔寒區(qū)公路隧道特征。

高海拔地區(qū)由于其特殊的氣候環(huán)境，給隧道的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營均帶來了巨大的難題和挑戰(zhàn)。隨著西部大開發(fā)的實(shí)施，我國已連續(xù)修建了風(fēng)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(qū)低溫、低壓和低氧環(huán)境帶來的施工和運(yùn)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(shè)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(fēng)技術(shù)研究

由于高海拔地區(qū)特殊的地理環(huán)境，在高海拔隧道的修建和運(yùn)營過程中，主要面臨的通風(fēng)問題有污染物排放量增加、CO控制標(biāo)準(zhǔn)提高、風(fēng)機(jī)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(yán)重影響了隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量，更是對人的健康構(gòu)成了威脅。在較為特殊的高海拔地區(qū)公路隧道內(nèi)，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(huì)大大增加，汽油車的CO排放量也會(huì)有所增加[7]；同時(shí)，在高海拔地區(qū)人體對CO的抵抗能力會(huì)降低。因此，在高海拔地區(qū)，CO和粉塵排放量的增加造成了高海拔隧道通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要考慮海拔的影響。

嚴(yán)濤等[8]對隧道運(yùn)營階段CO和粉塵的海拔高度修正系數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)研究，并進(jìn)行了大量的現(xiàn)場測試，得到的CO和粉塵海拔高度修正系數(shù)如圖1和圖2所示。

圖1 實(shí)測的CO海拔高度修正系數(shù)

圖2 實(shí)測的粉塵海拔高度修正系數(shù)

考慮到不同車型下車輛的CO和粉塵排放量不同，結(jié)合車型比例系數(shù)，通過現(xiàn)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(shù)，并將其與現(xiàn)行規(guī)范所規(guī)定的CO與粉塵排放量的海拔高度修正系數(shù)進(jìn)行對比，如圖3和圖4所示。

圖3 考慮混合車型與現(xiàn)行規(guī)范的CO海拔高度修正系數(shù)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(xiàn)行規(guī)范的粉塵海拔高度修正系數(shù)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(shù)隨著海拔的升高而增大。其中，海拔在2 400 m以上時(shí)，考慮了混合車型的CO海拔高度修正系數(shù)比規(guī)范規(guī)定的值稍大；而考慮了混合車型的粉塵海拔高度修正系數(shù)則比規(guī)范規(guī)定的值小很多。說明考慮混合車型系數(shù)對污染物排放量的預(yù)測和計(jì)算很關(guān)鍵。

2.2高海拔隧道CO控制標(biāo)準(zhǔn)

CO的毒性機(jī)制是CO與血紅蛋白結(jié)合，形成碳氧血紅蛋白(COHb)。人體吸入CO后形成COHb，其體積分?jǐn)?shù)與時(shí)間的關(guān)系如圖5所示。

由圖5可知： 在相同的接觸時(shí)間內(nèi)，隨著海拔的升高，人體內(nèi)的COHb體積分?jǐn)?shù)增大，人體容易出現(xiàn)中毒情況。所以，在高海拔地區(qū)，人體對CO的承受能力降低。因此，相較于平原地區(qū)，高海拔地區(qū)隧道的CO控制標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格。經(jīng)計(jì)算，海拔為4 000 m的隧道，其CO控制標(biāo)準(zhǔn)為平原地區(qū)的0.37倍。

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

2.3高海拔隧道風(fēng)機(jī)選型措施

風(fēng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)總是存在一些能效的損失，從而造成風(fēng)機(jī)的機(jī)械效率不能達(dá)到100%。一般認(rèn)為，風(fēng)機(jī)的損失主要包括流動(dòng)、容積、輪阻和機(jī)械損失等。在高海拔地區(qū)，由于空氣密度的降低，使得風(fēng)機(jī)的效率降低，以巴朗山隧道(海拔3 850 m)為例，風(fēng)機(jī)效率僅為標(biāo)準(zhǔn)工況下風(fēng)機(jī)效率的43%。

根據(jù)幾何相似、速度相似、流量、揚(yáng)程、壓頭和功率關(guān)系[9]，可得到高海拔隧道與平原隧道風(fēng)機(jī)參數(shù)的關(guān)系。

風(fēng)量為：

Q高=Q平。

(1)

風(fēng)壓為：

(2)

(3)

式中：p高為高海拔地區(qū)風(fēng)機(jī)風(fēng)壓，Pa；p平為平原地區(qū)風(fēng)機(jī)風(fēng)壓，Pa；ρ高為高海拔地區(qū)空氣密度, kg/m3；ρ平為平原地區(qū)空氣密度, kg/m3；n高為高海拔地區(qū)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，rad/min；n平為平原地區(qū)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，rad/min；D高為高海拔地區(qū)風(fēng)機(jī)直徑，m；D平為平原地區(qū)風(fēng)機(jī)直徑，m；c1為風(fēng)機(jī)風(fēng)壓海拔高度修正系數(shù)。

功率為：

(4)

(5)

式中：N高為高海拔地區(qū)風(fēng)機(jī)功率，kW；N平為平原地區(qū)風(fēng)機(jī)功率，kW；c2為風(fēng)機(jī)功率海拔高度修正系數(shù)。

根據(jù)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(qū)的風(fēng)機(jī)風(fēng)壓修正系數(shù)曲線，通過擬合，可以得出風(fēng)機(jī)風(fēng)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(qū)風(fēng)機(jī)滿足通風(fēng)要求，應(yīng)采取如下措施進(jìn)行風(fēng)機(jī)選型。

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

2)增加葉片角度，提高射流風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速[10]。隨著海拔的上升，密度下降不可避免，為了滿足射流風(fēng)機(jī)所需推力及功率，只能改進(jìn)風(fēng)機(jī)本身性能。通過增加射流風(fēng)機(jī)葉片角度，提高射流風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速，達(dá)到風(fēng)機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)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(shí)，風(fēng)機(jī)效率反而會(huì)下降。風(fēng)機(jī)葉片示意圖如圖6所示。

圖6 風(fēng)機(jī)葉片示意圖

3 高海拔隧道施工供氧技術(shù)

高海拔地區(qū)容易出現(xiàn)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(nèi)施工人員和機(jī)械設(shè)備的耗氧，隨著隧道進(jìn)尺的增加，隧道內(nèi)的氧含量會(huì)逐漸降低，如圖7所示。缺氧會(huì)導(dǎo)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(xiàn)場進(jìn)行供氧，以保證施工人員的安全。

圖7 高海拔隧道內(nèi)氧含量隨進(jìn)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(qū)供氧方案主要有個(gè)人攜氧供氧、彌散式供氧和綜合供氧等[11]。

1)個(gè)人攜氧供氧。個(gè)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(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單，并且施工人員呼吸到的氧氣體積分?jǐn)?shù)較高，耗費(fèi)的氧氣量小，在短時(shí)間內(nèi)或某些緊急情況下，該方法比較適用。在高海拔地區(qū)施工隧道的特殊環(huán)境下，采用個(gè)人攜氧來補(bǔ)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(xiàn)場個(gè)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(shè)備生產(chǎn)氧氣后，采用專用輸氧管道不斷地向洞內(nèi)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(xiàn)場跟班安全員配置氣體檢測儀器，實(shí)時(shí)掌握掌子面施工環(huán)境含氧量情況，及時(shí)通過閥門控制供氧量及供氧時(shí)間，使掌子面一定范圍內(nèi)充滿含氧量較高的空氣，實(shí)現(xiàn)局部富氧，保障掌子面空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)滿足正常人體的呼吸需要[12]。掌子面區(qū)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(jié)合的供氧方式，可以很好地解決高海拔地區(qū)隧道施工的缺氧環(huán)境。

除此之外，還有氧吧車供氧和室內(nèi)鼻息式供氧等，如圖10和圖11所示。

圖10 隧道現(xiàn)場移動(dòng)氧吧車

圖11 隧道現(xiàn)場鼻息式供氧

4 高海拔隧道防災(zāi)技術(shù)發(fā)展

高海拔隧道發(fā)生火災(zāi)后，其火災(zāi)的燃燒特性、人員逃生能力以及疏散結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)置均與平原地區(qū)不同。

4.1高海拔隧道火災(zāi)煙氣特性

高海拔地區(qū)具有低溫、低氧和低壓等特點(diǎn)，發(fā)生火災(zāi)時(shí)的燃燒及擴(kuò)散特性等與平原地區(qū)有很大區(qū)別，主要體現(xiàn)在熱釋放率、煙氣溫度、產(chǎn)煙量、煙氣擴(kuò)散速度和煙氣流動(dòng)形態(tài)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(qū)。

2)煙氣溫度。高海拔隧道火源點(diǎn)處的最高溫度會(huì)高于平原地區(qū)，但遠(yuǎn)離火源點(diǎn)處的區(qū)域要低于平原地區(qū)，并且溫度有穩(wěn)定的分層結(jié)構(gòu)。

3)產(chǎn)煙量。高海拔隧道的產(chǎn)煙量小于平原地區(qū)，導(dǎo)致其高溫?zé)煔鈱雍穸刃∮谄皆貐^(qū)。

4)煙氣擴(kuò)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(nèi)各點(diǎn)的煙氣擴(kuò)散速度有起初小于平原地區(qū)，而進(jìn)入火災(zāi)穩(wěn)定段后逐漸大于平原地區(qū)的特點(diǎn)。

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

4.2高海拔隧道人員疏散特性

在高海拔環(huán)境下，由于氧氣稀薄、寒冷、干燥等不利原因，會(huì)對人們的逃生能力產(chǎn)生明顯影響，從而直接影響隧道災(zāi)害安全控制方法的制定與隧道運(yùn)營安全。因此，有必要對高海拔環(huán)境下人員運(yùn)動(dòng)能力進(jìn)行研究。

在高海拔地區(qū)，受少氧、寒冷等氣候條件的影響，人員逃生能力會(huì)大大降低，特別是在高原地區(qū)公路隧道這種狹小空間內(nèi)，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(yùn)動(dòng)能力表現(xiàn)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(qū)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(shù)，其與海拔的關(guān)系如圖12所示。

圖12 逃生速度海拔修正系數(shù)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(jié)構(gòu)設(shè)施設(shè)置

由于人員逃生能力隨海拔的升高而降低，為使隧道發(fā)生災(zāi)害時(shí)，尤其是發(fā)生火災(zāi)時(shí)，確保人員能安全地離開隧道，需設(shè)置緊急疏散通道。緊急疏散通道的設(shè)置參數(shù)需要考慮海拔的影響，高海拔隧道的橫通道間距應(yīng)較平原地區(qū)小。

對于公路隧道而言，現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定，人行橫通道設(shè)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(jìn)行設(shè)置[15]。公路隧道橫通道結(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖13 公路隧道橫通道結(jié)構(gòu)

對于鐵路隧道而言，其火災(zāi)時(shí)需要疏散的人員數(shù)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(guān)角隧道為例，結(jié)合高海拔地區(qū)的環(huán)境參數(shù)，對疏散設(shè)施結(jié)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)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(jì)算，最后確定了關(guān)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(jié)構(gòu)示意圖如圖15所示。

圖15 關(guān)角隧道緊急救援站結(jié)構(gòu)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(jié)能技術(shù)應(yīng)用

高海拔地區(qū)可利用能源主要有風(fēng)能和太陽能，利用其進(jìn)行隧道的通風(fēng)及照明是高海拔隧道節(jié)能技術(shù)發(fā)展的趨勢。

5.1高海拔隧道通風(fēng)節(jié)能技術(shù)

5.1.1 自然風(fēng)節(jié)能技術(shù)

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(jìn)出口氣候差異比較大，2個(gè)洞口間會(huì)形成2個(gè)不同的氣候區(qū)，產(chǎn)生自然風(fēng)。目前對于自然風(fēng)的處理，從安全方面考慮，通風(fēng)計(jì)算中通常視自然風(fēng)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(xué)者認(rèn)識到可以將自然風(fēng)進(jìn)行合理利用，從而在隧道的運(yùn)營中達(dá)到節(jié)能、增大經(jīng)濟(jì)效益的目的[16]。

影響公路隧道自然風(fēng)的因素主要有洞內(nèi)外溫濕度、隧道進(jìn)出口大氣壓差、進(jìn)出口高程差、洞外風(fēng)速大小及方向等。當(dāng)自然風(fēng)與行車方向相同且自然風(fēng)速大于設(shè)計(jì)風(fēng)速時(shí)，利用節(jié)能風(fēng)道進(jìn)行通風(fēng)；當(dāng)自然風(fēng)小于設(shè)計(jì)風(fēng)速時(shí)，可利用自然風(fēng)輔助通風(fēng)[10]。

節(jié)能控制模式可分時(shí)段控制或?qū)崟r(shí)控制。分時(shí)段控制即根據(jù)計(jì)算得到的自然風(fēng)規(guī)律，將全年劃分成不同的控制時(shí)段(例如月)，每個(gè)控制時(shí)段按該時(shí)段內(nèi)的最不利工況進(jìn)行控制。實(shí)時(shí)控制是根據(jù)隧道內(nèi)實(shí)時(shí)自然風(fēng)的風(fēng)速情況，對通風(fēng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。若將控制時(shí)段進(jìn)一步細(xì)分，可得到更好的節(jié)能效果，但需加強(qiáng)隧道通風(fēng)控制[17]。

5.1.2 通風(fēng)變頻節(jié)能技術(shù)

變頻調(diào)速技術(shù)是通過改變供給電機(jī)的電源頻率以改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到控制風(fēng)機(jī)風(fēng)速的目的。電機(jī)的能耗和風(fēng)機(jī)的風(fēng)速增加呈3次方的關(guān)系，因此，降低風(fēng)機(jī)的風(fēng)速就能大幅降低電機(jī)的能耗，以達(dá)到高效、節(jié)能的目的[18]。交流變頻調(diào)速通風(fēng)機(jī)電控系統(tǒng)具有可靠性高、調(diào)節(jié)方便靈活、節(jié)能效果顯著等優(yōu)點(diǎn)。

5.1.3 智能通風(fēng)控制系統(tǒng)

采用前饋控制法的前饋式通風(fēng)控制系統(tǒng),通過預(yù)測將來的交通流，并計(jì)算出之后一段時(shí)間內(nèi)的粉塵和CO體積分?jǐn)?shù)信息(前饋信號)，結(jié)合傳感器測得的當(dāng)前粉塵和CO體積分?jǐn)?shù)信息(后饋信號)，由它們共同完成對風(fēng)機(jī)的控制[19]。前饋式控制法或前饋式模糊控制法的通風(fēng)控制系統(tǒng)除了能明顯改善通風(fēng)效果外，還能增加行車舒適度，提高行車安全性以及預(yù)防重大火災(zāi)和其他重大交通事故，同時(shí)節(jié)約電力。

5.2高海拔隧道太陽能節(jié)能技術(shù)

高海拔地區(qū)日照強(qiáng)度較大，適當(dāng)?shù)乩锰柲芸梢詼p少對自然資源的浪費(fèi)，減輕生態(tài)環(huán)境的負(fù)擔(dān)。在隧道運(yùn)營中，可以利用太陽能發(fā)電來保障隧道風(fēng)機(jī)和照明的正常運(yùn)行，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

利用太陽能發(fā)電有2大類型： 一類是太陽光發(fā)電(也稱太陽能光發(fā)電)；另一類是太陽熱發(fā)電(也稱太陽能熱發(fā)電)。太陽能光發(fā)電是將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能的一種發(fā)電方式。太陽能熱發(fā)電是先將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，再將熱能轉(zhuǎn)化成電能，有2種轉(zhuǎn)化方式：一種是將太陽熱能直接轉(zhuǎn)化成電能；另一種是將太陽熱能通過熱機(jī)(如汽輪機(jī))帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，與常規(guī)熱力發(fā)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(fā)電系統(tǒng)如圖16所示。

5.3高海拔隧道照明節(jié)能技術(shù)

5.3.1 照明節(jié)能燈具

歐美等發(fā)達(dá)國家在改進(jìn)照明燈具方面做過很多研究，在燈具的結(jié)構(gòu)、外觀、質(zhì)量、功能、材料和光學(xué)特性等方面都有所改進(jìn)。日本、美國、澳大利亞和荷蘭等發(fā)達(dá)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(shù)[20]。LED光源是一種耗電低、能效高、亮度可無級調(diào)控、壽命長、抗震動(dòng)、無輻射的節(jié)能環(huán)保型光源，歐美發(fā)達(dá)國家已經(jīng)將大功率白光LED燈作為新世紀(jì)的新型照明光源。

圖16 太陽能發(fā)電系統(tǒng)

5.3.2 燈具合理布設(shè)與照明配光

隧道中間段布燈主要有中間單排布燈、兩側(cè)對稱布燈、兩側(cè)交錯(cuò)布燈和單排中偏側(cè)布燈4種方式，其所用燈具數(shù)量和維護(hù)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(shè)的合理性主要通過在滿足消除光斑的情況下布設(shè)更少的燈具以達(dá)到節(jié)能的效果來體現(xiàn)。

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(fā)光節(jié)能涂料

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

6 結(jié)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(shù)，并且在實(shí)際的隧道工程建設(shè)中得以應(yīng)用和驗(yàn)證。然而，我國高海拔隧道的修建技術(shù)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(yùn)營技術(shù)的發(fā)展完善提供參考和指導(dǎo)。今后需把握信息技術(shù)高速發(fā)展的契機(jī)，將高海拔隧道的建設(shè)向信息化、智能化和機(jī)械化的方向推進(jìn)。

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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(fā)計(jì)劃課題(2014G004-C)； 國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51508475)； 中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)理工類科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2682016CX017)

王明年(1965—)，男，安徽舒城人，1999年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，橋梁與隧道工程專業(yè)，博士，教授，主要從事隧道及地下工程技術(shù)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