海拔对隧道救援站列车火灾烟气蔓延特性的影响

采用三维非定常N-S方程和完全浮力修正的RNG k-ε湍流模型,基于滑移网格技术实现列车在隧道内的运动过程模拟,构建高海拔隧道紧急救援站列车火灾数值模拟方法,并利用现有动模型试验和隧道静止火灾试验数据验证数值模拟方法的可靠性和正确性,研究海拔对事故隧道、紧急救援站和列车中部车厢附近横通道内的烟气流速和温度分布的影响规律。研究结果表明:当着火列车驶入隧道紧急救援站时,活塞风主导了火灾烟气的蔓延趋势;在列车停车瞬间,随着海拔增大,事故隧道拱顶处和列车中部车厢附近横通道拱顶处的烟气流速峰值及温度峰值逐渐增大;列车停车后,活塞风逐渐衰减,烟气开始在隧道拱顶处向火源上游逆流;随着海拔增大,紧急救援站下游高温区域蔓延范围逐渐扩大,事故隧道拱顶处温度峰值随之升高;随着时间推移,高海拔与低海拔隧道拱顶处的温度峰值差异逐渐增大,可能对更高海拔隧道救援站内的人员安全造成更大的威胁;不同海拔处列车中部车厢附近横通道内人眼高度处的温度均超过330 K(对人体有危害),且在同一时刻,海拔越高,横通道内高温烟气层高度越低,烟气沉降速度明显加快。

高海拔铁路隧道紧急救援站排烟结构尺寸参数及排烟效果

为明确高海拔铁路隧道紧急救援站排烟结构合理的尺寸参数,以某高海拔铁路特长隧道为工程依托,数值模拟并分析救援站联络排烟道数量、直径以及平行排烟道尺寸对排烟效率、站内温度和能见度的影响。结果表明:总体上距火源越近,排烟效率、拱顶及疏散站台温度越高,且火源前端能见度显著高于后端,但不同排烟结构参数下的具体分布规律差异显著;随着联络排烟道数量增加,救援站排烟效率略有增加,救援站后端拱顶温度显著降低,部分联络排烟道会出现烟气倒流,救援站疏散站台特征高度能见度低于10 m的范围显著增加;随着联络排烟道直径增加,救援站排烟效率及救援站两端拱顶温度均降低,救援站能见度显著下降;平行排烟道尺寸对救援站排烟效率及站内温度分布影响较小,但随着尺寸增加,救援站疏散站台特征高度能见度低于10 m的范围呈“先增后减”的变化趋势,紧急救援站内联络排烟道数量设置不宜过多,推荐联络排烟道直径为3 m,平行排烟道断面宽度为5 m。

高海拔严寒地区隧道冻害研究现状及展望

针对高海拔严寒地区隧道冻害问题,结合隧道冻害的相关研究,从冻害类型及原因分析、冻害机制、温度场、处置措施等4个方面的现状进行阐述和分析,对当前研究存在的不足和未来的发展方向进行探讨。主要成果为:1)通过对高海拔严寒地区隧道工程实例进行分析,总结4种冻害类型及4种冻害原因;2)基于含水风化层冻胀理论、整体性围岩冻胀理论、衬砌背后积水冻胀理论、裂隙水冻胀理论等4种冻胀理论,建立多年冻土区以整体性围岩冻胀理论为主、季冻区以裂隙水冻胀理论为主的多理论联合分析的方法;3)温度场研究方法分为现场监测、理论解析、模型试验、数值模拟等4种,其中现场监测是对洞内外温度进行监测,而理论分析、模型试验、数值模拟则是对监测结果进行验证分析;4)冻害处置措施有防排水措施、保温防寒措施、抗冻措施等3种,防冻的关键是将三者相结合进行综合治理;5)指出冻害机制适用性、温度场研究方法现状、处置措施适用性等方面的不足,未来应在高海拔严寒地区建立多种冻胀理论、多种研究方法综合应用的研究体系,并在隧道防排水、保温防寒、抗冻等方面给出处置措施。

高海拔隧道施工期污染物扩散规律

为了探究高海拔隧道施工通风过程中的污染物扩散规律,依托川藏铁路芒康山隧道工程,采用数值模拟和现场测试的方法,研究高海拔隧道施工通风过程中粉尘和CO的扩散规律.研究结果表明,粉尘主要是以贴壁流动的形式向洞外扩散,在该过程中会聚集成为“粉尘团”.粉尘扩散主要是受到重力影响发生沉降,隧道内风速过大,不利于降低粉尘质量浓度.CO以“气团”的形式从掌子面附近向洞口迁移,在迁移过程中CO气团体积逐渐扩大,质量浓度峰值不断下降,逐渐形成“U形”的分布趋势,CO质量浓度的现场测试结果与数值模拟结果基本吻合.随着海拔高度的上升,隧道内的CO质量浓度会增大,隧道内同一位置CO质量浓度达到规范要求的时间会增加.推导基于海拔高度的隧道通风过程中CO质量浓度修正系数计算公式,对当前规范中CO的海拔高度修正系数进行很好的补充.

高海拔铁路隧道斜井机械化配套与快速施工

为解决高海拔高寒地区斜井施工存在气压低、含氧量低、温差大、严寒干燥等问题,以某高海拔铁路隧道斜井工程为背景,结合围岩等级、断面大小、海拔高度,根据斜井施工机械化配套原则,提出高海拔陡坡长斜井机械化安全快速进洞施工工法,并选配超前支护、钻爆、装运、喷锚支护、衬砌等机械化作业线的成套设备。基于高度机械化的设备配套,提出“快挖、快运、快支”的高效施工技术以及各工序快速衔接工艺。以控制围岩变形为核心,构建一套积极干预加固围岩、注重早期支护并快速闭合的主动支护体系。结果表明:与普通钻爆法施工相比,采用三臂凿岩台车高度机械化配套施工效率高,月最快进尺为180 m,较人工钻爆法施工月进尺为130 m相比提高了近30%,施工质量稳定,作业人员投入少,且拱顶沉降和周边收敛均小于规范要求值,衬砌强度可靠,可实现高海拔小断面隧道“快挖、快支、主动支、快封闭”。

基于安全稀释法的柴油车CO综合海拔系数研究

为准确进行高海拔隧道施工通风设计,对高海拔隧道施工通风需风量计算方法及参数展开研究。对柴油车辆CO排放量进行多海拔测试,得到柴油车CO海拔系数;采用安全稀释法,推导出不同海拔下单位功率需风量及同时考虑CO排放量和控制标准变化的综合海拔系数。结果表明,柴油车CO浓度随海拔增高而增大,当海拔为3172 m时,柴油车释放的CO浓度约为平原地区(海拔590 m)的2倍;现有规范中柴油车CO海拔系数明显偏大,海拔3000 m处实测值较规范值减少25.61%;基于安全稀释法的施工通风需风量可根据海拔高度分3段计算,其结果较额定功率法计算需风量明显增大;根据现场测试结果,提出不同海拔区间(海拔2000 m以下、2000~3000 m和3000 m以上)柴油车CO综合海拔系数计算模型;安装DOC尾气净化器可以减少作业面处80%的CO排放量,在净化效率仅达到60%的情况下,基于安全稀释法计算的海拔5000 m处的计算需风量只有6.59 m^(3)/(kW·min)。

高海拔长大水工隧洞群挡烟垂壁控烟机制

针对长大水工隧洞群施工期火灾疏散救援难和挡烟垂壁作用机制不清晰的挑战,采用数值模拟方法对大型棋盘状隧洞群通风网络火灾烟气蔓延特征及控烟机制开展系统研究,包括烟气扩散路径及能见度分布,设置挡烟垂壁对烟气扩散速度、能见度及温度的影响及控烟效果。结果表明:火灾后烟气首先沿单一隧洞轴线双向传播,扩散至施工支洞时部分支路产生烟气逆转、逆退现象,500 s计算时长内烟气几乎充满整个通风网络,烟气层与下层空气的分层界面不稳定,网络交汇处烟气层高度明显降低。设置挡烟垂壁对烟气沿隧洞轴向传播具有促进作用,效果随传播距离增长而减弱;对烟气沿施工支洞轴线传播具有累积阻滞作用;挡烟垂壁对烟气温度的影响随扩散距离增加不断减弱;挡烟垂壁前方形成储烟池,增强烟气逆流程度,后方为烟气减速增压区,烟气层升高。

超高海拔隧道施工人员生理指标变化及劳动强度研究

为评估超高海拔隧道施工人员劳动强度,采用理论分析法确定施工人员劳动强度评价指标,并依托某超高海拔隧道采用可穿戴设备监测分析不同工序施工过程中人员生理指标变化,进而计算不同工序人员劳动强度及劳动效率。研究结果表明:不同工序施工人员劳动过程中生理指标变化存在明显区别,其中,二衬钢筋布设人员心血管负荷超过卫生限值,机械操作人员血氧饱和度(SpO 2)低于规范值;超高海拔隧道二衬钢筋布设劳动强度为Ⅴ级,底板施工与仰拱钢筋绑扎劳动强度等级为Ⅲ级,二衬防水布铺设与机械操作人员劳动强度等级为Ⅱ级;海拔4700 m时,隧道施工人员劳动效率仅为平原地区的76%~88%;完成与平原地区相同的工作量,相应工序的人工工日消耗需要增加13.63%~31.58%。

高海拔隧道施工体力劳动强度模型实验研究

为保障在高海拔隧道低压缺氧环境下工人的合理作息,从心率、血氧饱和度、脉搏、肺通气量和能量代谢率5个指标探究工人体力劳动强度等级,设计实验并分析得到不同工种的劳动时间率和体力劳动强度等级,提出隧道施工体力劳动强度多因素度量模型。研究结果表明:开挖、喷浆、衬砌、抽水、爆破5个工种人员劳动时间率分别为81.25%,75.00%,81.25%,79.16%,79.16%;测试对象中有23.81%,61.90%和14.29%的工人分别处于Ⅱ级,Ⅲ级,Ⅳ级体力劳动强度,即有76.19%的工人处于“重”或“很重”的体力劳动强度;从人体机能指标与体力劳动强度关系来看,二者具有相关性,但线性相关关系不明显;体力劳动强度模型首次考虑5个指标,得出结果更加精准科学,有良好推广性。研究结果可为进一步优化该类型环境中工人体力劳动强度分级和职业健康与安全保障提供参考。

综合物探方法在高寒高海拔地区隧道不良地质体勘查中的应用研究——以玛沁隧道为例

隧道地质工程勘察中对地下岩体的破碎和隐伏断裂勘探是一项必要的工作手段。玛沁地区属典型的高寒高海拔地区,单一物探方法因存在多解性而不能较准确地表征勘查区的不良地质体发育情况。为查明玛沁隧道浅地表强分化层的厚度、隐伏断层位置及影响带、破碎软弱带及岩体完整性等不良地质体的分布情况,应用音频大地电磁法和高密度电阻率法等综合物探方法对玛沁隧道发育的不良地质体进行勘探。综合勘查区地质特征和综合物探研究成果表明,综合物探方法在高寒高海拔地区隧道勘查中不仅能够有效识别浅地表强分化层和破碎软弱带等不良地质体,而且可提高物探解释的精度。

高海拔隧道爆破后粉尘污染动力学模型及影响因素

为降低高海拔隧道钻爆法施工爆破后的粉尘污染,提高隧道掘进工作面粉尘防治技术和职业健康保障能力,推动施工隧道清洁化生产水平。依托西南某铁路隧道工区为背景建立隧道爆破掘进压入式通风模型,根据气固两相流理论与气溶胶力学构建高海拔隧道粉尘污染动力学模型。运用数值模拟软件分析不同海拔高度、通风距离以及通风风量条件下的爆破驱动掘进工作面,高浓度粉尘污染效应,并采用灰色关联分析法探究粉尘质量浓度降低至安全值所需时间与各影响因素之间的关联度。研究结果表明:海拔高度上升将引起的环境参数与气固耦合流体运动特性的改变,粉尘颗粒水平运移速度与海拔高度和粉尘粒径均呈负相关,竖直沉降速度与之相反。高海拔隧道爆破后粉尘质量浓度空间分布服从多元高斯分布,且扩散系数随海拔高度的上升而增大。隧道内风流场分布区域分为涡流区、过渡区以及稳定区,涡流区呈锥形且中心的风速小于周围区域的风速,隧道断面平均风速降低至约0.3 m/s并逐渐稳定。爆破后粉尘颗粒随风流向隧道外呈“■字型”运移,隧道回风侧的粉尘质量浓度大于风管侧。爆破后产生的大颗粒粉尘(粒径≥30μm)在距掘进工作面100 m范围内快速沉降,小颗粒粉尘将随风扩散并悬浮于隧道空间内,且扩散距离越远,粉尘粒径越小。高海拔环境下扩大风管出口至掘进工作面距离以及增加风管风量均有利于减低隧道爆破后的粉尘污染效应,隧道内粉尘质量浓度降低至安全值所需时间受通风距离的影响最大,通风风量的影响次之,而海拔高度的影响相对有限,其灰色关联度系数分别为0.684、0.678和0.661。

基于HLM-BP的高海拔隧道施工人员不安全行为预警研究

为降低高海拔隧道工程人因失误导致的安全事故率,以西成铁路甘青隧道为例,对施工人员不安全行为进行预警研究。首先,对施工人员进行深度访谈,采用扎根理论对访谈数据进行编码处理,总结出高海拔隧道施工人员不安全行为诱发因素。其次,依据人境交互理论将不安全行为诱发因素划分为自变量、中介变量和因变量,运用HLM模型探讨跨层次下变量间复杂作用关系。最后,运用Matlab中BP神经网络工具箱函数进行编程,构建高海拔隧道施工人员不安全行为“11-10-5”三级预警模型,对其进行网络训练和数据拟合,识别不安全行为趋势,发出预警信号。结果表明,训练好的BP神经网络具有良好的预警能力,甘青隧道施工人员不安全行为等级总体处于较低水平,隧道施工安全管理状态良好;对不安全行为等级高的“重警”和“巨警”,逐层分析跨层次下的不安全行为诱发因素,提出加强安全教育培训、密切关注施工人员身心状态、加强高原习服训练以及实时监测隧道环境变化等靶向干预措施。研究引入跨层次因素分析机制,系统构建基于BP神经网络的高海拔隧道施工人员不安全行为预警模型,为不安全行为研究提供了新思路,同时也为降低高海拔隧道人因失误提供了参考建议。

高海拔隧道入口照度对驾驶人心理状态的影响

为研究高海拔隧道入口段照度变化对驾驶人心理状态的影响,进行隧道实车试验。首先构建了低氧环境,然后利用照度计和生理仪采集照度、心率、呼吸频率等试验数据,依据照度对驾驶人生理的刺激程度将隧道入口段分为5个区段研究驾驶人的生理变化规律,通过生理变化来分析驾驶人的心理状态;应用单因素方差分析对不同区段生理指标数据作显著性检验,分别构建了照度与心率增长率和呼吸频率的关系模型。结果表明:隧道入口不同区段的心率增长率和呼吸频率具有显著差异,进入隧道洞口前100 m至洞口内100 m的范围内驾驶人心理紧张程度最强;心率增长率和呼吸频率随照度的增大出现先增加后减少的趋势,在隧道洞口附近两者均达到最大值;低氧环境下驾驶人的心理紧张感更为强烈;通过关系模型发现低氧环境下驾驶人心理紧张程度受照度的影响较大。

高海拔地区铁路隧道施工设备数字化改造及控制技术研究

针对川藏地区地质条件复杂、埋深大、有毒有害气体超标及海拔高等特点,通过对川藏铁路某标段隧道大型机械施工设备的现状进行调查分析,提出对大型机械设备进行数字化改造措施,使其可实时采集、传输相关施工关键参数,然后基于隧道施工可视化物联交互控制系统对隧道施工过程进行分析、预测及控制等,通过先进的手段推进隧道数字化建造,可减少人员投入,降低安全事故发生概率,提高施工效率,保证施工质量,降低综合施工成本。

高海拔隧道紧急救援站人员疏散特征及规律研究

为得到高海拔环境下特长铁路隧道内紧急救援站人员疏散的特征及规律,综合考虑高海拔环境、恐慌心理、火灾因素、人员年龄性别组成以及列车结构等因素,采用Pathfinder人员疏散仿真模拟技术,对人员疏散速度随海拔高度的变化规律及修正关系进行研究,分析了不同海拔高度紧急救援站内各结构参数耦合变化下的人员疏散时间等关键参数的变化规律。研究表明:(1)随着海拔高度提升,人员疏散速度逐渐降低,海拔高度由1 km上升至5 km时,疏散速度海拔平均修正系数α1由1下降至0.616;(2)随着心理压力值增加,人员疏散速度不同程度加快,疏散速度恐慌修正系数α2为1.346;(3)海拔高度3 km以上时,人员疏散速度折减明显,海拔高度为3 km、4 km和5 km对应的人员疏散速度与平原地区相比分别降低了约12%、23%和38%;(4)海拔高度越高、紧急救援站横通道宽度越小、间距越大,则出口处聚集现象越严重,人员疏散率降低;(5)海拔高度3 km时,紧急救援站疏散横通道的间距不宜大于60 m,海拔高度4 km和5 km时,其间距不宜大于50 m,横通道宽度均不宜小于3.5 m。

高寒地区深厚覆雪钢波纹板棚洞减载优化设计

为解决隧道入口覆雪钢波纹板棚洞在深厚积雪荷载作用下变形过大的问题,以新疆某隧道为工程依托,提出了制造两侧冰柱、制造上侧冰拱、冰柱冰拱耦合、冰柱冰拱聚苯乙烯泡沫(expanded polystyrene,EPS)板耦合4种减载优化设计方案,并使用有限元软件ABAQUS分析4种方案的受力变形情况及可行性。结果表明:4种减载优化设计方案均极大地降低了钢棚洞的应力和变形,结构应力和变形满足设计规范允许值;马斯顿的“等沉面”土压力理论可以应用于堆积雪体中,增大内外雪柱沉降差,降低结构所受竖直压力;柔性填料EPS板在高覆雪工况中有一定的减载效果,但并没有在高填方土体中效果显著,在高覆雪工况中减载优先推荐加密钢波纹板棚洞周围雪体来达到减载的效果。

高海拔高寒地区富水隧道防排水施工技术分析

从自然环境和地理条件两个方面介绍了高海拔地区的特点,结合艾肯隧道工程特点,从软弱围岩加固、注浆加固施工、排水施工、衬砌加固施工等方面对富水隧道防排水设计及施工进行探究,以降低高海拔高寒地区富水隧道突涌、渗漏病害发生率,确保隧道施工安全。

高海拔隧道纵向风速对人员疏散环境的影响研究

为解决高海拔隧道火灾通风及人员疏散的问题,采用数值模拟的方法设计低海拔隧道(0 m)和高海拔隧道(4000 m)不同纵向风速条件下的对比试验。结果表明:1)较小风速(1 m/s)不会破坏烟气分层,反而会延缓烟气下降的速度,隧道上下游疏散环境比无纵向风(0 m/s)更好,可用疏散时间更长,较大风速(2 m/s、3 m/s)可保证火源上游处于安全的疏散环境,但会破坏烟气热分层稳定性,导致下游烟气下降快,不利于下游人员疏散;2)与低海拔地区隧道相比,高海拔地区隧道烟气层下降速度更快且烟气层高度更低,温度、能见度条件相对较差,高海拔隧道不同风速条件下各位置可用疏散时间整体小于低海拔隧道。

环境压力对隧道火灾自然通风烟气特性的影响研究

采用数值模拟的方法,对不同环境压力下隧道火灾自然通风的烟气特性进行研究。首先建立三维数值模型,并采用试验数据进行验证,然后用验证后的数值模型,对环境压力分别为60kPa、80kPa、100kPa隧道火灾自然通风的烟气特性进行研究。研究结果表明,随着环境压力的降低,隧道顶壁下烟气温度上升、流速增大、浓度增加、能见度增加,同时根据竖井后方烟气特性的变化规律可以得出,随着环境压力的降低,竖井的排烟效果逐渐变差。这意味着环境压力对隧道火灾自然排烟完全排烟的临界竖井高度也有影响。

高海拔交通隧道电动新能源出渣装备应用模式探索

针对电动新能源出渣装备在高海拔交通隧道工程建设应用中续航能力不足、购置成本高、配套设备设施及安全保障措施尚不完善等问题,通过对电动出渣装备应用情况进行跟踪分析,结合高海拔交通隧道施工场景需求和技术发展趋势,提出基于换电技术的“车电分离”模式是解决上述难题最有效的技术路线。该技术路线的实施需要以换电型装备研制、动力电池系统标准化、配套移动式快速换电装备研发及能源保障基础设施建设为基础。而在“车电分离”模式所需技术、装备尚不完备的情况下,针对现有充电型电动出渣装备,还应开展小型化移动式补电设备研发以及电缆供电工艺工法研究,同时积极探索装备租赁、劳务分包等多种商业模式,加快推动电动出渣装备的工程化应用。