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单洞单向特长隧道运营安全保障与救援体系研究
发布:李洪春 发布时间:2020-07-14 浏览次数:226

一、项目概况

本技术成果来源于云南省交通运输厅联合攻关科技项目“单洞单向特长隧道运营安全与防灾减灾救援技术研究”,研究内容包括以下四个方面:

1.单洞单向隧道事故特征及安全影响因素;

2.单洞单向特长隧道救援通道设置方案;

3.灾变条件下单洞单向特长隧道救援体系;

4.单洞单向特长隧道防灾交通安全管理与控制策略。

二、项目研究背景及意义

公路隧道作为交通的咽喉要道,由于环境较为密闭,一旦发生火灾,给人员逃生带来很大的困难。由于隧道都是狭长型的,空间小、通风条件差,一旦发生火灾,可燃物产生的浓烟将从起火部位以一定的速度沿隧道扩散,很快充满整个空间,并呈现聚集不散的状态,难以排出隧道,造成隧道内的烟雾及有毒气体浓度非常高,对人员的生命造成威胁,同时也大大增加了施救工作的难度。隧道火灾一旦发生,往往会造成惨重的人员伤亡和重大的经济损失,后果难以预料。开展单洞单向公路隧道运营安全与防灾减灾救援技术研究,有助于复杂条件下山区高速公路路线的选择,增加了山区高速路线选择的灵活性。

三、项目研究目的

该项目旨在通过技术调研、现场测试、数值模拟与理论分析等手段,揭示单洞单向特长隧道的事故特征及其安全影响因素、给出单洞单向特长隧道救援体系的设置方案、建立灾变条件下单洞单向特长隧道的救援体系、制定运营期间交通安全管理控制的指导性原则和方案,研究提出一套适合于高山峡谷地区特殊地理和自然环境下的单幅公路升级为双幅高速公路过程中出现的单洞单向行车的特长公路隧道事故应急救援管理指导方案及灾变条件下救援预案,为今后国内类似隧道的设计、建设和运营管理提供有效地技术保障。

四、核心技术原理

(1)总结单洞单向隧道事故特征及安全影响因素

总结分析了单向行车、隧道纵坡、火灾临界风速、火灾监控技术与灭火技术为单洞单向公路隧道火灾事故的主要影响因素,而单洞单向公路隧道火灾事故具有发展迅速、排烟困难、疏散救援复杂、危害极大等特征。

(2)提出单洞单向特长隧道救援通道设计方法

调研分析国内外各救援通道设计方案,包括平行导洞、竖(斜)井、独立避难所相邻隧道、紧急停车带(U形回车场)、隧道主动消防系统等,针对单洞单向特长公路隧道疏散出口少、疏散距离长的特点,通过安全性、工程适用性、经济性全方面的评价分析,提出了“常规火灾探测灭火技术”+“隧道主动消防控火系统”相结合人员疏散方案设计方法,为消防系统的设计提供指导;调研分析现有的隧道火灾探测系统及灭火系统进行了调研分析,推荐火灾探测系统选用感温光纤火灾探测系统和图像型火灾探测系统进行温度和火焰视频图像的双重探测,自动灭火系统选用隧道低压细水雾灭火系统。

(3)建立灾变条件下单洞单向特长隧道救援体系

针对芹菜塘隧道火灾实体试验与邱家垭口隧道火灾实体试验,采用FDS软件建立细水雾作用下邱家垭口隧道火灾数值模型,分析细水雾自动消防系统作用下的单洞单向特长公路隧道火灾烟气扩散规律以及人员疏散,得到结论:

①提出了一般规模火灾(20MW)下,火灾通风控制策略与人员疏散路线。

在无机械通风时,3min内火灾产生的烟层高度不会下降到人行高度处以下,应尽快组织人员在此时间范围内疏散;有机械通风时,能有效控制高温烟气的扩散,降低隧道内温度和CO浓度,提高隧道内的可见度,隧道火灾时,横断面的温度分布较均匀,能见度的横向分布呈中线附近的能见度高,衬砌附近的能见度低,人员疏散应沿着隧道中线附近进行;针对本研究具体实例,火灾事故下推荐采用3m/s的通风风速;

②提出了低压细水雾主动控火系统设计方法,提出人员疏散策略。

针对本项目依托工程,隧道低压细水雾消防系统布置于隧道中央时,水雾滴能够基本均匀覆盖整个隧道断面,可有效降低隧道内温度,其中人行范围之内的温度均控制在40℃以下,保证了人员疏散路线的环境温度,另外细水雾系统的喷射效果还是会对烟气层造成轻微的扰动效果,但其对烟气扰动作用并不影响人员与车辆的正常疏散。

③揭示了隧道低压细水雾消防系统灭火控烟机理,验证细水雾消防系统布设方案。

隧道低压细水雾控火系统与纵向风共同作用时,通过水雾颗粒汽化吸热,一方面降低火源表面温度减少火源周围氧气浓度,有效抑制隧道火灾发展并灭火,从而减少火灾烟气生成量与CO浓度,同时降低环境温度、洗刷烟气、提高能见度,保护隧道结构,为人员疏散与救援提供时间与安全空间;当细水雾喷头布置于隧道中央位置时,该系统对于隧道中央火的灭火效果要优于隧道侧壁火。

④提出了图像型火灾探测器与分布式光纤测温系统在隧道中的适用条件与工作效果。

图像型火灾探测器报警响应时间均在20秒以内,报警定位不受风速的影响,而分布式光纤测温系统在隧道中安装敷设方便,但报警定位受风速影响,试验中当风速为3-5m/s时,最大报警定位误差为14米,且报警响应时间均低于图像型火灾探测器。

(4)单洞单向特长隧道交通安全管理与控制策略研究

①通过对隧道火灾工况下的温度场、风流场、烟雾场、人员疏散模型等进行理论分析、数值模拟与现场试验研究,建立包含救援组织计划和隧道灭火救灾预案两个方面的公路隧道火灾防灾救援安全体系结。

②针对大口子与邱家垭口隧道将行车道作为逃生通道的逃生路线特征,建立火灾分区,结合通风控制制定救援方案。

③人员疏散:建立基于可用疏散时间与必要疏散时间的,火灾发展与人员疏散关系模型。通过数值仿真分析不同火灾规模下人员疏散过程,为火灾人员疏散提过有效指导。

五、科研成果创新性

(1)针对单洞单向特长公路隧道的交通特点,建立了相关防灾减灾设计原则和方法,开发了火灾探测灭火技术、隧道主动消防控火系统。

(2)开展隧道运营火灾多工况足尺试验、低压细水雾装置性能及控火可靠性试验,获得了山区两车道隧道火灾场景温度场和烟气场分布特征,提出了隧道内人员疏散策略。

(3)提出了单洞单向特长隧道内逃生最佳时机、控烟回流风速、水雾启动时机、风机响应时间等防灾减灾量化指标及管理模式。

经科技成果评价专家组评价,研究成果达到国际先进水平。

六、取得的社会经济效益

本研究成果单洞单向特长隧道运营安全保障与救援体系推出了“感温光纤和图像型火灾探测+隧道低压细水雾控火”系统,其中“感温光纤和图像型火灾探测”可实现10s左右火灾报警,而隧道低压细水雾自动消防系统启动在隧道火灾试验燃烧100秒时开始启动,在105秒左右隧道火焰正上方温度达到最大值168℃,约200秒左右,隧道顶棚温度均下降到60℃以下,在300秒左右时火焰完全熄灭,能够达到控火灭火的目的,为人员逃生提供安全空间与时间。

研究成果推出的“感温光纤和图像型火灾探测+隧道低压细水雾控火”系统,并在依托工程中得到有效实施。在提升安全性的基础下,为依托工程节省投资1.35亿元(“土建平行导洞”工程造价1.63亿元,“感温光纤和图像型火灾探测+隧道低压细水雾控火”系统工程造价0.28亿元)。

七、推广应用前景

研究成果已在昭会高速公路改扩建工程得到推广应用,提高了单洞单向特长公路隧道运营安全性以及工程经济性,项目成果可在山区高速公路建设工程及低等级公路改扩建等级提升等工程推广应用,提升公路隧道运营安全性,有效防灾减灾。

隧道主动消防系统方案,可以避免隧道土建的额外开挖,节约投资,具有高效、安全、环保、简单的优势。以依托工程为例,隧道主动消防系统的建设成本为0.28亿元左右。通过对比可见,项目研究提出的单洞单向特长隧道事故减灾及人员疏散方案,具备良好的方案安全性、工程可行性及工程经济性,项目成果可在山区高速公路建设工程及低等级公路改扩建等级提升等工程推广应用,提升隧道运营安全性,有效防灾减灾。

项目荣获2019年度云南交通科学技术奖特等奖。


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