多匝道城市公路隧道通風(fēng)孔布置研究

姜學(xué)鵬， 余 璨， 毛楊蘇宜

(武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院， 湖北 武漢 430081)

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多匝道城市公路隧道通風(fēng)孔布置研究

姜學(xué)鵬， 余 璨， 毛楊蘇宜

(武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院， 湖北 武漢 430081)

針對某多匝道城市公路隧道，利用SES通風(fēng)模擬軟件研究通風(fēng)孔布置、通風(fēng)孔個(gè)數(shù)等因素對隧道內(nèi)污染物體積分?jǐn)?shù)分布、通風(fēng)孔排污效率等通風(fēng)效果的影響。結(jié)果表明： 1)隧道采用頂部開孔自然通風(fēng)方式，可以有效減少隧道內(nèi)及出口處污染物體積分?jǐn)?shù)； 2)在匝道分岔點(diǎn)上方集中布置通風(fēng)孔能達(dá)到較好的通風(fēng)效果，開孔個(gè)數(shù)較少可減少土建投資； 3)隧道段過長污染物體積分?jǐn)?shù)不能滿足標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)在隧道段后部增設(shè)開孔。

多匝道公路隧道； 頂部通風(fēng)孔； 自然通風(fēng)； 通風(fēng)孔布置； SES

0 引言

隨著隧道交通的發(fā)展，公路隧道的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜。復(fù)雜形式公路隧道具有長度大、匝道多和坡度變化頻繁等本體構(gòu)造特點(diǎn)。多匝道形式使交通流及交通風(fēng)力更加多變，多匝道進(jìn)出氣流耦合影響主線隧道中的空氣流動(dòng)，形成較復(fù)雜的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)[1-2]。

一些學(xué)者針對多匝道城市公路隧道通風(fēng)進(jìn)行了相關(guān)研究。陳玉遠(yuǎn)[1]研究表明多匝道城市公路隧道長度不大且洞口污染物能滿足環(huán)境要求時(shí)，采用射流風(fēng)機(jī)全縱向通風(fēng)方案通風(fēng)效果較好； 王艷等[2]對多匝道隧道送排風(fēng)井加射流風(fēng)機(jī)縱向混合通風(fēng)方式進(jìn)行了研究，結(jié)果表明在正常車速情況下應(yīng)采用射流風(fēng)機(jī)縱向通風(fēng)方式，交通阻滯時(shí)應(yīng)開啟風(fēng)井抽流風(fēng)機(jī)。以上研究均為機(jī)械通風(fēng)，機(jī)械通風(fēng)風(fēng)機(jī)設(shè)置增加了隧道斷面高度、系統(tǒng)能耗，從而增加了隧道運(yùn)營和建設(shè)成本。

針對多匝道隧道的自然通風(fēng)相關(guān)研究不多，部分學(xué)者對無匝道直線型隧道頂部開孔自然通風(fēng)進(jìn)行了研究[3-7]。胡春艷[4]認(rèn)為頂部通風(fēng)孔集中布置在隧道后段通風(fēng)效果最佳，其次是成組布置方式，均勻布置方式效果最差； 葛家美等[5]研究表明5個(gè)或6個(gè)通風(fēng)孔一組沿程排放污染物能力最強(qiáng)，通風(fēng)孔分流率隨著孔間距的增大而減??； 李東霞[6]研究表明隧道長度在1 000～1 500 m時(shí)選擇3個(gè)或4個(gè)通風(fēng)孔成組的方式較好，2 000～2 500 m時(shí)5個(gè)通風(fēng)孔成組的方式較好； 霍峙屹等[7]研究表明通風(fēng)孔集中布置在隧道后段比中段和上段效果更佳。前人得出的最佳頂部開孔布置方式并不一定適用于多匝道公路隧道，故對多匝道隧道通風(fēng)孔布置研究具有重要意義。

本文將采用SES通風(fēng)模擬軟件，針對某多匝道城市公路隧道，研究通風(fēng)孔布置、通風(fēng)孔個(gè)數(shù)等因素對隧道內(nèi)污染物體積分?jǐn)?shù)分布、通風(fēng)孔的排污效率等通風(fēng)效果的影響，以獲得多匝道城市公路隧道最佳頂部通風(fēng)孔布置方案。

1 研究方法及參數(shù)設(shè)定

1.1 研究方法

Subway Environment Simulation(SES)是被國際上認(rèn)可并相對成熟地用于地鐵環(huán)控的模擬計(jì)算軟件，1976年SES4.1修改后被廣泛應(yīng)用于公路隧道通風(fēng)分析[8-12]，在地鐵的車站和區(qū)間隧道、鐵路隧道和公路隧道中有較強(qiáng)的適用性。SES主要由列車運(yùn)動(dòng)子程序、空氣動(dòng)力學(xué)子程序、溫度/濕度子程序及熱庫/環(huán)境控制子程序組成，通過節(jié)點(diǎn)圖表示隧道、豎井和匝道的空間位置關(guān)系，可以模擬隧道的自然通風(fēng)、車輛交通風(fēng)以及機(jī)械通風(fēng)。SES計(jì)算得到隧道各段的風(fēng)量，結(jié)合分段計(jì)算的CO的排放量而得到各段污染物的體積分?jǐn)?shù)，從而判斷隧道內(nèi)污染物體積分?jǐn)?shù)是否達(dá)標(biāo)。

1.2 模擬參數(shù)設(shè)定

某多匝道城市公路隧道斷面尺寸為12 m×5 m(見圖1)，具有4條進(jìn)出口匝道(斷面尺寸同主隧道)，匝道將整個(gè)隧道分成a、b、c、d、e5段，其中b、d2隧道段較長。主線隧道合流段車流量為3 000 pcu/h，分流段為2 000 pcu/h，匝道為1 000 pcu/h。其中大客車占90%，小客車占10%。CO排放量的計(jì)算依據(jù)為《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》[13]。研究考慮車速為20 km/h時(shí)的交通阻塞情況，此時(shí)隧道內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)最高，選取CO體積分?jǐn)?shù)限制值為150×10-6。

圖1 隧道北線示意圖(單位： m)

2 自然通風(fēng)模擬計(jì)算

2.1 通風(fēng)孔集中布置

在隧道頂部的特殊位置布置通風(fēng)孔，利用較少的通風(fēng)孔數(shù)量使隧道內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)達(dá)到隧道衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)風(fēng)量平衡定理，進(jìn)口匝道分岔點(diǎn)上方布置通風(fēng)孔有助于污染物的排出，出口匝道分岔點(diǎn)上方布置通風(fēng)孔有助于污染物的稀釋，故在匝道分岔點(diǎn)上方集中布置通風(fēng)孔，通風(fēng)孔尺寸為6 m×5 m(長×寬)。

2.1.1 匝道分岔點(diǎn)上方布置通風(fēng)孔

通風(fēng)孔集中布置——單孔示意圖如圖2所示。在匝道分岔點(diǎn)處上方各設(shè)1個(gè)通風(fēng)孔，共4個(gè)通風(fēng)孔。圖3為隧道內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)分布情況，隧道頂部未布置通風(fēng)孔時(shí)，隧道內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)在3 000 m處超過體積分?jǐn)?shù)限制值150×10-6，并沿著隧道縱向直線上升，由于E匝道帶走較多的污染物而在2 200 m處下降，在隧道出口體積分?jǐn)?shù)高達(dá)267.63×10-6。隧道頂部集中布置通風(fēng)孔時(shí)，隧道內(nèi)的CO體積分?jǐn)?shù)在1 800 m和 3 600 m 處2次大幅下降，是由于進(jìn)口匝道中新鮮空氣進(jìn)入主隧道稀釋了CO體積分?jǐn)?shù)，而出口匝道對主隧道起到分流作用，排出較多的污染物使CO體積分?jǐn)?shù)下降。隧道內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)低于頂部無開孔隧道，達(dá)到了較好的通風(fēng)換氣效果。

圖2 通風(fēng)孔集中布置——單孔示意圖

Fig. 2 Sketch diagram of centralized ventilation openings and single ventilation opening

圖3 頂部無開孔和集中開孔時(shí)隧道內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)

Fig. 3 Comparison between concentration of CO in tunnel with no ventilation opening and that with centralized ventilation openings

通風(fēng)孔集中布置——2孔1組示意圖如圖4所示。匝道分岔點(diǎn)上方設(shè)置2個(gè)1組通風(fēng)孔，有4個(gè)匝道分岔點(diǎn)，共8個(gè)通風(fēng)孔，編號(hào)為1—8，研究組內(nèi)間距分別為10、20、30 m 3種情況。

匝道分岔點(diǎn)上方開孔時(shí)隧道內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)如圖5所示?？梢钥闯?，匝道分岔點(diǎn)上方2孔1組時(shí)隧道內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)在2 000 m和3 600 m 2處的降幅大于匝道分岔點(diǎn)上方單孔布置的情形，且隧道內(nèi)CO的最高體積分?jǐn)?shù)和隧道出口體積分?jǐn)?shù)都要低于單孔布置的情形，所以2孔1組的通風(fēng)效果比單孔布置方式效果更佳。

圖4 通風(fēng)孔集中布置——2孔1組示意圖

Fig. 4 Sketch diagram of layout of centralized ventilation openings (one group with two openings)

圖5 匝道分岔點(diǎn)上方開孔時(shí)隧道內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)

Fig. 5 Relationship between concentrations of CO in tunnel and distance from tunnel entrance

通風(fēng)孔的風(fēng)量如圖6所示。

圖6 通風(fēng)孔的風(fēng)量

由圖5和圖6可知，頂部2孔1組時(shí)組內(nèi)不同間距(10、20、30 m)下的隧道內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)和通風(fēng)孔風(fēng)量基本沒有變化，說明組內(nèi)通風(fēng)孔間距對頂部通風(fēng)孔集中布置的隧道無影響。

2.1.2 匝道分岔點(diǎn)上方和隧道段上方均布置通風(fēng)孔

當(dāng)2匝道分岔點(diǎn)之間的隧道段較長時(shí)，CO體積分?jǐn)?shù)將沿程一直增加并超過體積分?jǐn)?shù)限制值，故針對在隧道段上方增設(shè)開孔的情況進(jìn)行研究。

在b、d隧道段上方的前段(工況2)、中段(工況1)、后段(工況3)分別增設(shè)通風(fēng)孔，如圖7所示(綠色表示開孔，白色表示未開孔)。不同位置增設(shè)開孔時(shí)隧道內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)如圖8所示?？梢钥闯?，3種工況下隧道內(nèi)的CO體積分?jǐn)?shù)在增設(shè)的通風(fēng)孔處都會(huì)有明顯的下降，通風(fēng)效果比未增設(shè)開孔時(shí)效果更佳，增設(shè)的通風(fēng)孔在b、d隧道段后部時(shí)(工況3)隧道內(nèi)CO的最高體積分?jǐn)?shù)最低。

圖7 不同位置增設(shè)開孔示意圖

圖8 不同位置增設(shè)開孔時(shí)隧道內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)

Fig. 8 CO concentrations in tunnel when additional openings are made in different locations

由于開孔增設(shè)在b、d隧道段后部通風(fēng)效果更佳(見圖9)，在匝道分岔點(diǎn)上方設(shè)4個(gè)開孔的情況下分別在b、d隧道段后部增設(shè)2、4、6個(gè)開孔。計(jì)算結(jié)果如圖10所示?？梢钥闯?，增設(shè)的通風(fēng)孔數(shù)量越多，通風(fēng)效果越好。

綜上，通風(fēng)孔集中布置時(shí)，匝道分岔點(diǎn)上方開孔成組布置比單孔布置通風(fēng)效率更高，通風(fēng)效果隨著孔組內(nèi)通風(fēng)孔數(shù)量的增加而增加，孔組內(nèi)間距對通風(fēng)效果無影響； 2分岔點(diǎn)之間的隧道段較長時(shí)，需要在隧道段上方增設(shè)通風(fēng)孔，且布置在隧道段后部要比前部和中部效果好。

圖9 增設(shè)開孔示意圖

圖10 分段后部增設(shè)不同數(shù)量孔時(shí)隧道內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)

Fig. 10 Relationship between CO concentrations in tunnel and amount of additional ventilation openings

2.2 通風(fēng)孔均勻布置

在通風(fēng)孔總面積與集中布置方式相同情況下布置通風(fēng)孔，即在隧道頂部沿縱向以200 m等間距均勻布置20個(gè)通風(fēng)孔，通風(fēng)孔尺寸為3 m×5 m(長×寬)，總面積為300 m2。沿行車方向依次標(biāo)記為1、2、……、20，如圖11工況8所示(紅色箭頭為進(jìn)口，藍(lán)色箭頭為出口)。

計(jì)算結(jié)果如圖12所示。可以看出，3種通風(fēng)方式下，隧道內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)均遠(yuǎn)低于頂部無開孔隧道。在通風(fēng)孔總面積相同的情況下，均勻布置方式同樣能達(dá)到較好的通風(fēng)效果。3種布置方式通風(fēng)效果相差不大，而均勻布置方式通風(fēng)孔數(shù)量比集中布置方式多1倍，增加了土建成本。

圖11 3種方式通風(fēng)孔布置示意圖

圖12 3種方式布置通風(fēng)孔時(shí)隧道內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)

Fig. 12 Comparison among three layout modes of ventilation openings in terms of concentrations of CO

將以上3種不同方式下通風(fēng)孔排污效率(通風(fēng)孔CO排污量與隧道排污量之比)、隧道出口處CO體積分?jǐn)?shù)和2匝道出口體積分?jǐn)?shù)整理如表1所示。隧道頂部無開孔時(shí)，隧道內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)高達(dá)267.63×10-6，通風(fēng)孔集中布置和均勻布置的自然通風(fēng)方式均大大降低了隧道內(nèi)和隧道各出口處的CO體積分?jǐn)?shù)。2孔1組和隧道段上方開孔(工況7)方式通風(fēng)孔排污效率最高。

表1 3種布置方式通風(fēng)效果比較

3 結(jié)論與建議

以某多匝道城市隧道為算例，采用SES軟件計(jì)算分析了不同通風(fēng)孔布置方式對隧道自然通風(fēng)效果的影響，得到的主要結(jié)論如下。

1)多匝道隧道采用頂部開孔自然通風(fēng)方式，可以有效減少隧道內(nèi)及出口處污染物體積分?jǐn)?shù)。

2)多匝道隧道通風(fēng)孔集中布置時(shí)，進(jìn)口匝道分岔點(diǎn)上方布置通風(fēng)孔有助于污染物的排出，出口匝道分岔點(diǎn)上方布置通風(fēng)孔有助于污染物的稀釋，能達(dá)到較好的通風(fēng)效果。開孔成組布置比單孔布置通風(fēng)效率更高，通風(fēng)效果隨著孔組內(nèi)通風(fēng)孔數(shù)量增加而增加，孔組內(nèi)間距對通風(fēng)效果無影響。2分岔點(diǎn)之間的隧道段較長時(shí)，需要在隧道段上方增設(shè)通風(fēng)孔，且布置在隧道段后部要比前部和中部效果好。

3)僅針對運(yùn)營通風(fēng)，在通風(fēng)孔總面積相同的情況下，多匝道隧道通風(fēng)孔均勻布置時(shí)的通風(fēng)效果與集中布置方式相差不大，但需要設(shè)置的通風(fēng)孔個(gè)數(shù)較多，增加了土建成本，故通風(fēng)孔集中布置在匝道分岔點(diǎn)上方更經(jīng)濟(jì)。

以上結(jié)論是在特定的交通量和車速條件下模擬得到的，且僅針對正常運(yùn)營通風(fēng)情況進(jìn)行的研究，今后的研究應(yīng)對不同交通量、不同車速以及火災(zāi)情況等因素作出進(jìn)一步的研究。

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Research on Layout of Ventilation Opening of Multiple-ramp Highway Tunnel in Urban Areas

JIANG Xuepeng, YU Can, MAO Yangsuyi

(SchoolofResourceandEnvironmentEngineering,WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430081,Hubei,China)

The influences of layout and amount of ventilation openings on ventilation effects of multiple-ramp highway tunnel in urban areas, such as concentration of pollutant and ventilation efficiency of openings, are analyzed by ventilation simulation software SES (subway environment simulation). The analytical results show that: 1) The concentration of pollutant in tunnel and at tunnel exit can be effectively reduced by setting ventilation openings on tunnel roof. 2) Good ventilation effect will be reached by setting centralized openings above fork of ramps, which will result in a reduction of construction cost. 3) Ventilation openings should be increased especially at back section of tunnel when the tunnel section between two forks is too to meet ventilation standards.

multiple-ramp highway tunnel; ventilation opening on tunnel roof; natural ventilation; layout of opening; SES (subway environment simulation)

2016-11-09;

2017-03-10

公安部消防局科研計(jì)劃項(xiàng)目(2016XFCX20)； 湖北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015CFB200)； 湖北省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(D20151207、D20161105)； 建筑消防工程技術(shù)公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(KFKT2014MS01)

姜學(xué)鵬(1976—)，男，山東平度人，2008年畢業(yè)于中南大學(xué)，消防工程專業(yè)，博士，副教授，現(xiàn)從事地下空間通風(fēng)排煙技術(shù)研究工作。E-mail: jxp5276@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.05.006

U 45

A

1672-741X(2017)05-0560-05