淺析交通類隧道?；沸孤┘叭急碚?/h1>
2022-12-16 08:49:50田德旺陳慧珉
新型工業化 2022年1期
田德旺，陳慧珉
（石家莊鐵道大學四方學院土木工程系，河北 石家莊 051132）
0 引言
危化品是指易爆、易燃、有毒的化學品，在其生命周期的不同環節中，都有發生事故的風險。西方國家便發生了多起?；啡急托孤┦鹿剩o當地居民的生命財產安全造成了嚴重的損害。通常來講危化品是用儲罐車運輸的，當內部壓力大于外部壓力時，便容易發生泄漏事故，車內物質會快速地通過空氣進行擴散，當滿足一定條件后，便會發生燃爆事故。而在隧道這種半封閉的環境中，?；钒l生爆炸的危害較為嚴重，隧道中大部分車輛和人員都會受到波及，因此注重對交通類隧道中?；沸孤┡c燃爆理論的研究，有助于我們降低?；沸孤?、燃爆的發生幾率[1]。
1 交通類隧道分類、挖法、特點及危化品事故
交通類隧道建設過程通常包括規劃、勘測、設計、測量、施工等工作，是為避免大坡道或縮短距離，而從丘陵、山嶺或水底等穿越而成的通道。通常根據隧道所處地理位置可分為山嶺隧道、水下隧道、城市隧道三種，其中山嶺隧道修建較為廣泛、應用較多。在隧道挖掘層面，我國常用的交通類隧道挖掘方法主要有暗挖法與明挖法兩種，明挖法通常用在城市鐵路和淺埋隧道中，而常見的山嶺隧道通常采用暗挖法。此外，根據挖掘位置和挖掘斷面，還可以將隧道挖掘方法劃分為全斷面法、臺階法和分部開挖法三種。在現代技術發展的過程中，物探技術、遙感技術、航空勘測技術、計算機應用技術逐漸成為現代交通隧道主要應用的技術和方法。通過理論研究和實踐探究，我們能夠發現，現代交通類隧道主要擁有形狀扁平、斷面大，需要通風、照明及防水要求較高等基本特征和特點，其所擁有的基本特征、特點與其工程施工過程、挖掘方法及交通運輸要求存在緊密的聯系，但也正因為如此，才導致危化品泄漏與燃爆后的危害，相對嚴重。譬如2017年河北保定發生一輛罐車與八輛普通車輛相撞的事故，導致13人死亡。由于危化品燃爆空間扁平、狹小，人員來不及疏散，傷害難以得到控制。而通過分析?；愤\輸車輛在隧道運輸中所發生事故的情況和原因，能夠發現，?；奋囕v通常是由于車輛密集、光線昏暗、車外氣壓小等原因發生碰撞和泄漏風險的。此外，如果隧道路面不夠平整，還容易造成?；穬炔繅簭娂哟?，使危化品出現泄漏的概率加大，因此交通類隧道施工質量在某種層面上，對?；肥鹿拾l生的概率，有一定的影響[2]。
2 危化品泄漏及燃爆理論
2.1 ?；沸孤├碚?/h3>
首先是泄漏介質。由于我國天然氣資源分布不夠均勻和均衡，導致東部地區匱乏、西部儲備豐富。為切實解決我國能源需求及供給問題，相關政府部門通常采用管道運輸的方式對西部天然氣資源進行運輸。雖然這種運輸方式能夠解決東部地區的資源應用需求，然而造價太高，成本支出較大，所以在天然氣資源運輸上，比較常用的方式依舊是儲罐車運輸。由于液化天然氣擁有高壓、低溫易爆易燃的特征，導致其在運輸過程中經常遇到泄漏和燃爆的風險。所以在泄漏介質選擇上，我們可以以天然氣為主。其次是擴散模型。西方學者和專家在探究氣體擴散案例的過程中，提出了唯象模型、工程模型的概念。其中唯象模型，主要指通過檢測、繪制、整理“瞬時、連續”泄漏的實驗數據，明確?；沸孤┖蛿U散的基本特征和特點。然而在實踐應用中，唯象模型卻難以應用在地表粗糙的環境中，不過在計算機技術的支持下，唯象模型的不足得到了更好的彌補[3]。而工程模型主要包括箱模型、淺層模型、相似模型三種，能夠通過分析泄漏云團的溫度、濃度及空間特點的方式，確定危化品泄漏、擴散的形式。再次是泄漏過程。?；酚绕涫翘烊粴庠谛孤┡c擴散的過程中，會經過重力沉降、空氣卷吸、云團加熱等過程。其中重力沉降主要指?；穱姵龊?，會先向上進行運動，隨后在隧道風力的影響下，向下沉降?？諝饩砦感孤怏w會在沉降的過程中，被空氣所稀釋。云團加熱則指，?；窔怏w吸收周圍空氣熱量，提升自身溫度的過程。
2.2 ?；啡急碚?/h3>
首先是燃爆條件，?；诽貏e是天然氣要想“燃爆”應具備以下三個條件。①空氣與甲烷混合，并且甲烷濃度占總濃度的5%-16%；②氧氣含量應達到13%以上；③要擁有足夠的點火源，最小的火源應為0.41MJ。其次是燃爆形式。天然氣及其他?；啡急问街饕ūZ、爆燃、定容爆炸與定壓爆炸等四種。其中爆轟通常是氣體爆炸的最高形式，火焰面與壓力波相互重合，密度和壓力變化較大。定容爆炸指混合物在剛性容器中的爆炸過程，釋放的能量容易被剛性容器所吸收，壓力較大、溫度較高。結合交通類隧道的特點，能夠發現，我國幾種常見的交通類隧道，都可看作“剛性容器”。爆燃則指帶有壓力波的爆炸或燃燒形式，如果火焰在燃燒中遇到制約或限制，則會形成壓力波，其火焰速度和沖擊波的傳播速度較快。定壓燃燒，則指氧氣和燃料在壓力環境不變的情況下進行燃燒，并不會對周圍事物造成加大的破壞性。再次是影響燃爆的極限因素，通常包括溫度影響、壓力影響、惰性氣體、管徑和容器等。①管徑、容器：管徑和容器越小、極限范圍越小，當表面熱量超過燃燒熱量時，火焰會熄滅；②惰性氣體：混合氣體中的惰性氣體比重較大時，爆炸極限便會越?。虎蹓毫?。當壓力減小后，爆炸極限也會隨之減小；④溫度。溫度越高，爆炸范圍及其極限越大，反之越小。在危化品燃燒理論與實踐研究中，西方學者提出了預混燃燒模型及渦耗模型，都能對?；啡急拗颠M行深入而科學的探究。
3 交通類隧道?；沸孤⑷急鹿史婪?/h2>
結合我國交通類隧道工程分類、挖法、特點及?；繁?，我們能夠發現交通類隧道結構在某種程度上，對危化品泄漏、燃爆事故的控制，擁有明顯的影響，而通過?；啡急c泄漏的理論分析，我們還能發現，交通類隧道風速、溫度、混合氣濃度是事故擴散速率和范圍的重要影響因子，因此我們需要在重點分析各類影響因素的前提下，提出相應的防范策略[4]。
3.1 優化交通類隧道通風裝置
通常來講，當泄漏速率超過風速時，危化品泄漏所受到隧道風力影響較小，會出現典型的小孔射流現象，對周圍環境的影響有限。但當風速加大后，泄漏氣體的擴散速度會加快，最遠可達235m。結合我國交通類隧道“需要通風”的特點，當隧道長度超過150m的時候，采用機械通風的方式，為隧道進行通風，通常分為壓入式通風、吸出式通風、混合式通風等三種，并且通風管應滿足“接頭嚴密”“安裝平順”的基本要求。在?；钒l生爆炸后，相關工作人員或者救護者應從隧道通風的角度出發，降低通風量，減小隧道中的空氣流動速率，以此降低?；沸孤U散的速度，控制事故的影響范圍。此外，在現代信息技術的支持和幫助下，相關負責人可通過PLC控制器或物聯網技術，對事故數據進行及時分析和處理，并自動斷開通風裝置的電源，使事故預防和控制工作得到順利、有效、全面、快速的開展。
3.2 設置制冷設施或裝置
通過理論研究與相關實證研究結果，我們能夠發現，當危化品泄漏環境的溫度較低時，氣體分子的運動速率較慢，擴散能力相對較小。然而當溫度持續升高后，氣體分子擴散能力加大、運動加快，譬如當隧道溫度達到35攝氏度時，氣體會擴散到42m左右。因此合理控制?；犯浇沫h境溫度，擁有鮮明的現實意義和價值。在交通類隧道中，相關負責人應通過應用隧道降溫系統，對隧道環境進行降溫，以此控制隧道的整體溫度，控制?；窔怏w泄漏、燃爆的風險。在隧道降溫系統的研制和應用中，我國學者及專家已經申請了相關的專利，如吳志軍、張鵬林、劉泉聲等人在2019年申請的隧道降溫系統，并指出了技術實現的相關要素，如“輸送部件”“增壓部件”“噴出部件”等。但在深入探究后，可知這些專利普遍被應用在交通類隧道的不同環節中，主要解決工段溫度升高的問題。不過，通過對這些專利的延伸性應用，可以在某種程度上，為我國?；肥鹿侍幚砼c預防工作，提供技術支持。
3.3 探究綜合預防舉措
首先，在?；愤\輸層面。通過危化品泄漏、燃爆理論的研究，我們可以明確當混合氣體濃度較大時，爆炸的熱值會隨之變大，燃燒速度也會加快。不過15%含量的危化品由于含氧量較低，因此燃燒所產生的二氧化碳會抑制燃燒。所以在?；愤\輸的過程中，相關負責人或者供應商，應將?；泛靠刂圃谝欢ǖ姆秶鷥龋拍芙档臀；啡急娘L險。而在運輸車輛的層面上，司機應做好車輛檢修、保養及檢查工作，通過嚴格遵循道路安全規則，降低?；沸孤┡c燃爆事故的發生概率。其次是在道路安全上，我國交通類隧道應確保隧道道路平整、寬敞、穩定[5]。因為道路不平整，容易導致危化品運輸車輛出現顛簸現象，從而致使?；沸再|發生變化，引起儲罐內部壓力增強，進而出現泄漏風險。此外，相關部門應做好危化品泄漏、燃爆的安全防護、管理及統籌工作，通過制度制定、體系完善，使事故發生概率降低到最小。
4 結語
交通類隧道?；沸孤⑷急碚撗芯?，能夠幫助我國相關政府部門、管理者及負責人，明確影響“?；沸孤⑷急钡囊蛩?，通過科學合理地優化交通類隧道施工體系、程序、技術及內容的方式，降低危化品事故的發生概率。譬如在理論研究的過程中，我們可以確定風速、溫度及濃度對危化品泄漏燃爆的影響較為顯著。因此相關部門和人員，可以從制冷系統、通風裝置等角度出發，提高?；肥鹿暑A防的整體質量。
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1 交通類隧道分類、挖法、特點及危化品事故
交通類隧道建設過程通常包括規劃、勘測、設計、測量、施工等工作，是為避免大坡道或縮短距離，而從丘陵、山嶺或水底等穿越而成的通道。通常根據隧道所處地理位置可分為山嶺隧道、水下隧道、城市隧道三種，其中山嶺隧道修建較為廣泛、應用較多。在隧道挖掘層面，我國常用的交通類隧道挖掘方法主要有暗挖法與明挖法兩種，明挖法通常用在城市鐵路和淺埋隧道中，而常見的山嶺隧道通常采用暗挖法。此外，根據挖掘位置和挖掘斷面，還可以將隧道挖掘方法劃分為全斷面法、臺階法和分部開挖法三種。在現代技術發展的過程中，物探技術、遙感技術、航空勘測技術、計算機應用技術逐漸成為現代交通隧道主要應用的技術和方法。通過理論研究和實踐探究，我們能夠發現，現代交通類隧道主要擁有形狀扁平、斷面大，需要通風、照明及防水要求較高等基本特征和特點，其所擁有的基本特征、特點與其工程施工過程、挖掘方法及交通運輸要求存在緊密的聯系，但也正因為如此，才導致危化品泄漏與燃爆后的危害，相對嚴重。譬如2017年河北保定發生一輛罐車與八輛普通車輛相撞的事故，導致13人死亡。由于危化品燃爆空間扁平、狹小，人員來不及疏散，傷害難以得到控制。而通過分析?；愤\輸車輛在隧道運輸中所發生事故的情況和原因，能夠發現，?；奋囕v通常是由于車輛密集、光線昏暗、車外氣壓小等原因發生碰撞和泄漏風險的。此外，如果隧道路面不夠平整，還容易造成?；穬炔繅簭娂哟?，使危化品出現泄漏的概率加大，因此交通類隧道施工質量在某種層面上，對?；肥鹿拾l生的概率，有一定的影響[2]。
2 危化品泄漏及燃爆理論
2.1 ?；沸孤├碚?/h3>
首先是泄漏介質。由于我國天然氣資源分布不夠均勻和均衡，導致東部地區匱乏、西部儲備豐富。為切實解決我國能源需求及供給問題，相關政府部門通常采用管道運輸的方式對西部天然氣資源進行運輸。雖然這種運輸方式能夠解決東部地區的資源應用需求，然而造價太高，成本支出較大，所以在天然氣資源運輸上，比較常用的方式依舊是儲罐車運輸。由于液化天然氣擁有高壓、低溫易爆易燃的特征，導致其在運輸過程中經常遇到泄漏和燃爆的風險。所以在泄漏介質選擇上，我們可以以天然氣為主。其次是擴散模型。西方學者和專家在探究氣體擴散案例的過程中，提出了唯象模型、工程模型的概念。其中唯象模型，主要指通過檢測、繪制、整理“瞬時、連續”泄漏的實驗數據，明確?；沸孤┖蛿U散的基本特征和特點。然而在實踐應用中，唯象模型卻難以應用在地表粗糙的環境中，不過在計算機技術的支持下，唯象模型的不足得到了更好的彌補[3]。而工程模型主要包括箱模型、淺層模型、相似模型三種，能夠通過分析泄漏云團的溫度、濃度及空間特點的方式，確定危化品泄漏、擴散的形式。再次是泄漏過程。?；酚绕涫翘烊粴庠谛孤┡c擴散的過程中，會經過重力沉降、空氣卷吸、云團加熱等過程。其中重力沉降主要指?；穱姵龊?，會先向上進行運動，隨后在隧道風力的影響下，向下沉降?？諝饩砦感孤怏w會在沉降的過程中，被空氣所稀釋。云團加熱則指，?；窔怏w吸收周圍空氣熱量，提升自身溫度的過程。
2.2 ?；啡急碚?/h3>
首先是燃爆條件，?；诽貏e是天然氣要想“燃爆”應具備以下三個條件。①空氣與甲烷混合，并且甲烷濃度占總濃度的5%-16%；②氧氣含量應達到13%以上；③要擁有足夠的點火源，最小的火源應為0.41MJ。其次是燃爆形式。天然氣及其他?；啡急问街饕ūZ、爆燃、定容爆炸與定壓爆炸等四種。其中爆轟通常是氣體爆炸的最高形式，火焰面與壓力波相互重合，密度和壓力變化較大。定容爆炸指混合物在剛性容器中的爆炸過程，釋放的能量容易被剛性容器所吸收，壓力較大、溫度較高。結合交通類隧道的特點，能夠發現，我國幾種常見的交通類隧道，都可看作“剛性容器”。爆燃則指帶有壓力波的爆炸或燃燒形式，如果火焰在燃燒中遇到制約或限制，則會形成壓力波，其火焰速度和沖擊波的傳播速度較快。定壓燃燒，則指氧氣和燃料在壓力環境不變的情況下進行燃燒，并不會對周圍事物造成加大的破壞性。再次是影響燃爆的極限因素，通常包括溫度影響、壓力影響、惰性氣體、管徑和容器等。①管徑、容器：管徑和容器越小、極限范圍越小，當表面熱量超過燃燒熱量時，火焰會熄滅；②惰性氣體：混合氣體中的惰性氣體比重較大時，爆炸極限便會越?。虎蹓毫?。當壓力減小后，爆炸極限也會隨之減小；④溫度。溫度越高，爆炸范圍及其極限越大，反之越小。在危化品燃燒理論與實踐研究中，西方學者提出了預混燃燒模型及渦耗模型，都能對?；啡急拗颠M行深入而科學的探究。
3 交通類隧道?；沸孤⑷急鹿史婪?/h2>
結合我國交通類隧道工程分類、挖法、特點及?；繁?，我們能夠發現交通類隧道結構在某種程度上，對危化品泄漏、燃爆事故的控制，擁有明顯的影響，而通過?；啡急c泄漏的理論分析，我們還能發現，交通類隧道風速、溫度、混合氣濃度是事故擴散速率和范圍的重要影響因子，因此我們需要在重點分析各類影響因素的前提下，提出相應的防范策略[4]。
3.1 優化交通類隧道通風裝置
通常來講，當泄漏速率超過風速時，危化品泄漏所受到隧道風力影響較小，會出現典型的小孔射流現象，對周圍環境的影響有限。但當風速加大后，泄漏氣體的擴散速度會加快，最遠可達235m。結合我國交通類隧道“需要通風”的特點，當隧道長度超過150m的時候，采用機械通風的方式，為隧道進行通風，通常分為壓入式通風、吸出式通風、混合式通風等三種，并且通風管應滿足“接頭嚴密”“安裝平順”的基本要求。在?；钒l生爆炸后，相關工作人員或者救護者應從隧道通風的角度出發，降低通風量，減小隧道中的空氣流動速率，以此降低?；沸孤U散的速度，控制事故的影響范圍。此外，在現代信息技術的支持和幫助下，相關負責人可通過PLC控制器或物聯網技術，對事故數據進行及時分析和處理，并自動斷開通風裝置的電源，使事故預防和控制工作得到順利、有效、全面、快速的開展。
3.2 設置制冷設施或裝置
通過理論研究與相關實證研究結果，我們能夠發現，當危化品泄漏環境的溫度較低時，氣體分子的運動速率較慢，擴散能力相對較小。然而當溫度持續升高后，氣體分子擴散能力加大、運動加快，譬如當隧道溫度達到35攝氏度時，氣體會擴散到42m左右。因此合理控制?；犯浇沫h境溫度，擁有鮮明的現實意義和價值。在交通類隧道中，相關負責人應通過應用隧道降溫系統，對隧道環境進行降溫，以此控制隧道的整體溫度，控制?；窔怏w泄漏、燃爆的風險。在隧道降溫系統的研制和應用中，我國學者及專家已經申請了相關的專利，如吳志軍、張鵬林、劉泉聲等人在2019年申請的隧道降溫系統，并指出了技術實現的相關要素，如“輸送部件”“增壓部件”“噴出部件”等。但在深入探究后，可知這些專利普遍被應用在交通類隧道的不同環節中，主要解決工段溫度升高的問題。不過，通過對這些專利的延伸性應用，可以在某種程度上，為我國?；肥鹿侍幚砼c預防工作，提供技術支持。
3.3 探究綜合預防舉措
首先，在?；愤\輸層面。通過危化品泄漏、燃爆理論的研究，我們可以明確當混合氣體濃度較大時，爆炸的熱值會隨之變大，燃燒速度也會加快。不過15%含量的危化品由于含氧量較低，因此燃燒所產生的二氧化碳會抑制燃燒。所以在?；愤\輸的過程中，相關負責人或者供應商，應將?；泛靠刂圃谝欢ǖ姆秶鷥龋拍芙档臀；啡急娘L險。而在運輸車輛的層面上，司機應做好車輛檢修、保養及檢查工作，通過嚴格遵循道路安全規則，降低?；沸孤┡c燃爆事故的發生概率。其次是在道路安全上，我國交通類隧道應確保隧道道路平整、寬敞、穩定[5]。因為道路不平整，容易導致危化品運輸車輛出現顛簸現象，從而致使?；沸再|發生變化，引起儲罐內部壓力增強，進而出現泄漏風險。此外，相關部門應做好危化品泄漏、燃爆的安全防護、管理及統籌工作，通過制度制定、體系完善，使事故發生概率降低到最小。
4 結語
交通類隧道?；沸孤⑷急碚撗芯?，能夠幫助我國相關政府部門、管理者及負責人，明確影響“?；沸孤⑷急钡囊蛩?，通過科學合理地優化交通類隧道施工體系、程序、技術及內容的方式，降低危化品事故的發生概率。譬如在理論研究的過程中，我們可以確定風速、溫度及濃度對危化品泄漏燃爆的影響較為顯著。因此相關部門和人員，可以從制冷系統、通風裝置等角度出發，提高?；肥鹿暑A防的整體質量。
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