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  秦岭终南山公路隧道建设与运营管理关键技术  
  日期:2012-10-31    来源:  
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——2010年度国家科技进步奖一等奖

 

    秦岭自古有蜀道难,难于上青天之称,山大沟深,地势陡峭,沟谷纵横,地形十分复杂,地质复杂多变。国家高速公路包头至茂名线穿越秦岭方案的确定及其隧道方案的通风、防灾救援、监控、建设与运营管理等关键技术均属世界性难题。交通运输部通过秦岭终南山特长公路隧道关键技术研究公路隧道智能联动控制技术研究等西部项目的立项,组织多学科、跨行业联合攻关,走出了一条自主创新与集成创新之路,形成了特长公路隧道建设与运营管理成套技术体系,奠定了我国公路隧道国际领先地位。该项目荣获2010年度国家科技进步奖一等奖。

    一、主要技术创新点

    “秦岭终南山公路隧道建设与运营管理关键技术”由52家单位和科研院所、1000多名技术人员,历经8年攻关,取得数据550万组,获得科研成果11大类40余项,获得国家专利3项,出版专著5部,发表论文380篇,项目总体达到国际领先水平。

    (一)创立了特长公路隧道通风理论

    本项目建设规模世界第一,不同工况下的通风技术是核心难题。按照通风分区不超过3000米的已有技术,本项目至少需要6个竖井,其中2个深度超过1000,在高地应力下施工难度极大,直接影响隧道建设方案能否成立;现有污染物排放和卫生控制标准,也不符合汽车产业环保节能发展实际。

    1.不同火灾工况下的动态网络通风理论

    特长公路隧道发生火灾事故,主要危害是烟雾蔓延导致人员窒息。为解决烟雾控制,本项目建立了国内外长大公路隧道火灾数据库,进行了大规模隧道火灾物理模型试验,揭示了火灾时不同工况的温度场、压力场、污染物浓度分布和流动规律,引入时间因素,提出了火灾模式下动态网络计算方法,制定了节流效应烟流阻力、火风压、烟流阻力等因素的计算方法和控制基准,解决了不同火灾工况下最佳救援时间、通风量和通风方式等技术难题。

 

  

图1 1:24物理模型                         图2 1:8物理模型

 

    2.一氧化碳、烟雾新基准排放量

    当时国内标准是参照上世纪80年代国外标准制定的,按此计算,需风量巨大,不符合汽车产业环保节能发展实际。本项目通过对单车路试、台架试验及隧道内测试,给出了符合我国现有车辆基准排放量,分别为0.007m3/.km2.0m3/.km,比原标准下降了30%25%以上,为特长公路隧道通风设计提供了可靠依据,其成果已纳入《公路隧道通风设计细则》修编送审稿中。

    3.不同运营工况下通风需求量理论

    国内外长期研究隧道内污染物浓度而未考虑人体能够接受的程度。医学表明,人体内碳氧血红蛋白浓度达到2.5%时就会产生不良反应,据此本项目以2.0%安全值为限,确定洞内一氧化碳允许浓度限值的计算理论,解决了正常运营工况下不同车流量隧道需风量的动态控制标准问题,做到了安全、环保和经济的有机结合。

    综上所述,本项目通过自主构建特长公路隧道复杂网络仿真平台和物理模型试验平台,创立了特长公路隧道通风理论,对隧道通风方案进行了系统验证和优化,最终确定了2洞身3竖井71横洞的网络通风系统,使分区通风长度由3000m突破至4949m,解决了埋深大、设置竖井难问题。

    (二)特长公路隧道施工关键技术

    为早日打通秦岭终南山公路隧道,完善国家高速公路网,如何提高施工生产效率,解决施工作业面少且工作狭小,岩质坚硬、开挖进尺慢、超大深竖井施工技术,成为首要任务。

    1.大断面洞身快速掘进技术

    本项目主隧道穿越了38条地质断裂带,面对塌方、突涌水、岩爆等严重威胁,自主研发了大断面坚硬岩层快速安全钻爆技术及成套设备,提高了钻爆、出渣效率,刷新了钻爆法单个开挖面月进尺429的全国纪录,形成了国家级《大断面隧道钻爆法快速施工工法》。

    2.深竖井施工成套技术

    本项目突破国内外大直径深竖井施工技术及装备的局限,自主研发了分瓣式机械一体化滑模衬砌技术等为代表的大直径深竖井的成套技术和装备,解决了直径12.4m、深661m竖井施工难题,创造了全断面开挖月进尺80m、衬砌236m两项世界记录。

    (三)特长公路隧道运营安全关键技术

    欧洲多起隧道火灾事故的严重教训,对特长隧道安全运营提出了更高要求。

    1.防灾救援系统关键技术

    根据自主创新的通风理论计算得到“10分钟内为最佳救援时间”这一结论,建立了以“中心控制系统”为核心,以监视、通信、通风、报警、消防救援、疏散逃生为一体的防灾救援系统,计算机自动生成防灾救援预案,通过洞外设置危险品检测站、洞内设立消防摩托车值守点措施,建立了以检查、消防、值守和医疗救助为一体的安全联勤联动反应机制,形成了5分钟到达隧道任意事故现场的高效快速、灵活处置能力。

    2.智能化监控系统关键技术

    本项目提出了系统设施配置规模的功能设计法,开发集成超过2.3万点监控业务模型的中心控制系统,通过分布式信息采集和策略自动生成软件实现事件快速、准确的联动控制。共设置392台固定摄像机、39公里感温光纤报警系统和188路视频事件检测器,实现了无盲区、全天候、快速、准确的智能化控制,满足了特长隧道监控系统实时、准确、可靠的要求,编制了交通运输部行业标准《公路隧道火灾报警系统技术条件》、《公路隧道环境检测设备技术条件》。

 

 

图3 监控系统模型                      图4 监控中心

    3.特殊灯光带技术

    本项目在隧道左右线分别设置了3处长150米的特殊灯光带,采用灯光成像技术,模拟自然景观,缓解驾驶人员的视觉疲劳,保证了行车安全。

 

图5 视觉景观带

    (四)特长公路隧道环保节能技术

    通过多方案论证比选,优选18公里特长隧道方案,极大降低了路线高程,缩短了公路里程,减少了汽车爬坡尾气对环境的污染,实现了低碳排放。

    本项目采用前馈式通风控制技术和动叶可调轴流风机,通过对洞内一氧化碳、烟雾浓度实时检测,以及对下一周期的交通流及其污染物浓度预测,实现了风机智能控制。

    采用电效管理系统和多回路自动控制技术,提高照明质量,降低隧道能耗,照明节电20%以上,灯具损坏降低30%以上。

    二、应用推广及效益

    研究成果直接应用于四川、云南、广东等11个省(自治区、直辖市)78公里以上特长公路隧道、14338公里长隧道,内容涵盖建设管理、通风、防灾和监控等系列研究成果。本成果直接应用于穿越秦岭的西汉高速公路,在“512汶川大地震”时,全国救援物资的80%从西汉高速入川,被称为“生命线”。

    陕西省社会科学研究院报告显示:秦岭终南山公路隧道缩短里程64公里,通车3年降低运输成本9.2亿元、减少交通事故损失1522万元、节约时间效益7260万元,直接经济效益10.08亿元;预测未来20年创造直接效益183.25亿元。秦岭终南山公路隧道通车后,陕西南部3个地市2007年-2009年国民生产总值与2006年相比,累计增长727.87亿元,有力地助推了“陕南突破发展”。

    本隧道对完善国家高速公路网,沟通黄河经济圈和长江经济圈的经济、文化交流具有非常重要的作用。随着我国经济发展,高速公路向边远山区延伸,必将修建更多特长隧道,本研究成果具有广泛的推广应用前景。

  
 
 
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