CN106014468B - 一种高速公路隧道双洞互补式竖/斜井通风系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速公路隧道双洞互补式竖/斜井通风系统，包括隧道双洞的上行线和下行线，在位于下行线之间设有第二竖井和第二斜井，在位于上行线有第一斜井和第一竖井；在上行线和下行线内，每隔一定距离设置倾斜的通风横通道，每个通风横通道内设有可逆的轴流风机，各隧道在邻近通风横通道处均设有延伸至上行线和下行线的行车建筑限界之外的断面扩展区，通风横通道的开口处在该断面扩展区；且每个断面处都设有一个风流量传感器，风流量传感器和可逆的轴流风机之间连接有控制器。具有充分利用自然风和活塞风，能耗低，经济适用的特点。

Description

一种高速公路隧道双洞互补式竖/斜井通风系统

技术领域

本发明属于隧道通风技术领域的设计，涉及隧道通风系统，特别涉及一种高速公路隧道双洞互补式竖(斜)井通风系统。

背景技术

通风设计是隧道设计的重要组成部分，一个好的设计方案直接关系到隧道后期的运营通风以及隧道功能效益的发挥。目前国内外长大公路隧道通风方案有纵向通风、分段纵向通风、横向及半横向通风以及网络通风等。其中，纵向通风、分段纵向通风、横向及半横向通风的设计及研究目前技术已趋于成熟，通风理论已较完善。

各种通风方式有利有弊。半横向式和全横向式具有洞内风速小、通风噪声小、行车环境舒适、火灾排烟方便灵活、有利洞口环境等优点，但是这两种通风方式都存在不能充分利用汽车强大的活塞风、通风土建造价昂贵、不易分期实施、运营费用高、管理与维护技术难度大等明显缺点。对于纵向式通风，半横向式和全横向式的缺点恰好就是其优点。而洞内风速、通风噪声等影响行车环境的指标，只要具体方案选择正确，也能做到低风速、低噪音，其明显缺点是火灾排烟不便。

一直以来，世界各国隧道工作技术人员一直致力于隧道通风的程序化研究，其中具有代表性的有：瑞典Axel Bring等在IDA(输入数据汇编程序)环境下编制的模块化模拟程序；英国AlanVardy编制的可对纵向通风方式和半横向通风方式进行模拟计算的程序，该程序可以模拟稳态和非稳态气流状况。隧道通风动态模拟和局部模拟，由于计算复杂，多运用CFD进行仿真模拟，其中常用模拟软件有FLUENT，PHOENICS，CFX，CFDesign等。

隧道通风研究方法主要是通过理论计算、模型试验、实地测量、数值模拟等方法获得隧道内速度场、压力场、温度场的分布，以及隧道内发生火灾时的紧急通风状态，制定出隧道通风最佳方式和控制系统。

1991年，瑞士学者首次提出了一种新型的纵向通风方式——双向换气，其基本思路是在保证两条隧道内需风量都不大于其最大允许需风量的前提下，以纵向通风的方式辅以一个双向换气系统将两条隧道联系起来，构成一个整体进行内部相互通风换气，用右线隧道内富裕新风量去弥补左线隧道内新风量不足，使得两条隧道内空气质量均能够满足通风要求。此通风方式无需设置专门的通风竖井，原则上仅利用轴流风机就可以满足通风要求，降低了通风设备的初投资和运营费用，但该文献并没有给出此种通风方式的具体设计过程及计算方法。

公路隧道堪称公路网的“咽喉”，投资费用大，运营管理复杂，特别是隧道的通风和照明等运营费用很高。而公路隧道节能技术的应用与推广可大大降低公路随道的运营费用，对于公路隧道建设，就像是为“咽喉”减压，使得公路建设“呼吸”更为顺畅。可以说公路隧道的节能问题，已成为低碳经济时代、新交通时代交通行业普遍关注的问题。随着国务院批准的《国家高速公路网发展规划》的实施，各地方公路网的加密以及断头路的消除，公路随道在公路建设中的比重越来越大。公路隧道作为道路结构物的耗电大户，节能减排问题已引起了国内外的普遍重视。

中国专利申请(公告号：CN 102287213A)公开了一种双洞互补式网络通风实验模型，包括排风段(11)，短道段(12)、送风段(13)，断面(1；2)位于上行线的送风段(11)，断面(3)位于上行线短道段(12)，断面(4；5)位于上行线的送风段(13)，断面(6；7)位于下行线的送风段(13)，断面(8)位于下行线的送排风短道段(12)，断面(9；10)位于下行线排风段(11)，上行线的排风口与下行线的送风口通过风道相连接，风道中设置风机(15)，上行线的送风口与下行线的排风口通过风道相连接，风道中设置风机(14)。

中国专利申请(公告号：CN 101655012A)公开了一种双洞隧道互补式网络通风的方法，该专利提供了一种依据风量平衡定律、风压平衡定律和阻力定律进行通风网络的计算方法并应用网孔迭代校正风量法进行通风网络的压力求解。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种高速公路隧道竖/斜井通风系统，该通风系统以自然风为主动力，采用双洞互补式通风，充分发挥汽车的活塞风作用和竖井的通风能力，从而最大化的利用自然风并将自然风的沿程损耗降到最低。

为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案：

一种高速公路隧道双洞互补式竖/斜井通风系统，包括隧道双洞的上行线和下行线，其特征在于，在位于下行线之间设有第二竖井和第二斜井，在位于上行线有第一斜井和第一竖井；在上行线和下行线内，每隔一定距离设置倾斜的通风横通道，每个通风横通道内设有可逆的轴流风机，各隧道在邻近通风横通道处均设有延伸至上行线和下行线的行车建筑限界之外的断面扩展区，通风横通道的开口处在该断面扩展区；其中，断面扩展区中的第一断面至第十断面分别位于每个通风横通道与上行线和下行线的交叉口附近，第十一断面和第十四断面分别位于第一斜井和第二斜井与下行线和上行线的交叉口附近，第十二断面和第十三断面分别位于第一竖井和第二竖井与上行线和下行线的交叉口附近，且每个断面处都设有一个风流量传感器，风流量传感器和可逆的轴流风机之间连接有控制器。

申请人在实际研究发现，斜(竖)井顶底部压差形成的自然风对改善隧道内空气质量效果显著。

本发明的高速公路隧道双洞互补式竖/斜井通风系统，充分利用自然风和活塞风通风，隧道主洞内不设射流风机。

进一步地，所述通风横通道(A，B，C，D，E)倾角为60°。

所述的可逆的轴流风机为若干个。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

(1)本发明提出的通风高速公路隧道双洞互补式竖/斜井通风系统，隧道全程利用竖井的自然风和汽车的活塞风进行通风，隧道主洞不设置射流风机，大大节省了风机购买、安装、运行的费用。

(2)本发明提出的高速公路隧道双洞互补式竖/斜井通风系统中，采用交互式通风，通过横通道将两条主洞联通起来，形成双向换气系统，较洁净隧道内的空气被用来稀释较污染隧道内的空气，使污染物的浓度很好的控制在标准以内。

(3)本发明提出的高速公路隧道双洞互补式竖/斜井通风系统中，通过风流量传感器控制各横通道内轴流风机的启动与风速，从而使隧道内各区段风速变化平稳。

本发明提出的高速公路隧道双洞互补式竖/斜井通风系统中，由理论公式计算出各区段的最优风速，使各区段的实际风速控制在最优风速附近，从而使自然风的全程阻力消耗最小。

附图说明

图1为本发明的高速公路隧道双洞互补式竖/斜井通风系统结构示意图；

图2是通风横通道结构示意图；

图3是竖井进风；

图4是竖井排风

图5是某特长隧道通风方案对比图；

图中的标记分别表示：

A，B，C，D，E：通风横通道；

1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14：第一至第十四断面；

Q1至Q2：上行线；

Q3至Q4：下行线；

QJ1：第一竖井；

QJ2：第一斜井；

QJ3：第二竖井；

QJ4：第二斜井。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地详细说明。

具体实施方式

半横向通风虽有送风较均匀，洞内一旦发生火灾较易控制等优点，但其存在的问题也较多，突出表现为工程投资较高与运营耗能较多两个问题上。随着通风技术的进步和节能的要求，已有逐渐被纵向通风所取代的趋势，这也是当今长大公路隧道通风方式的发展方向。纵向通风方式的优点主要表现在：能充分利用车辆的活塞作用；不需要额外风渠，可减少隧道衬砌断面；隧道断面即用作风道，可以减少通风阻力。

参见图1，本实施例给出一种高速公路隧道双洞互补式竖/斜井通风系统，包括隧道双洞的上行线(Q1至Q2)和下行线(Q3至Q4)，在位于下行线(Q3至Q4)之间设有第二竖井QJ3)和第二斜井(QJ4)，在位于上行线(Q1至Q2)有第一斜井QJ2和第一竖井QJ1；在上行线(Q1至Q2)和下行线(Q3至Q4)内，每隔一定距离设置倾斜的通风横通道(A，B，C，D，E)，每个通风横通道(A，B，C，D，E)内设有可逆的轴流风机，各隧道在邻近通风横通道(A，B，C，D，E)处均设有延伸至上行线(Q1至Q2)和下行线的行车建筑限界之外的断面扩展区，通风横通道(A，B，C，D，E)的开口处在该断面扩展区；其中，断面扩展区中的第一断面至第十断面(1，2，3，4，5，6，7，8，9，10)分别位于每个通风横通道(A，B，C，D，E)与上行线和下行线的交叉口附近，第十一断面11、第十四断面14分别位于第一斜井QJ2和第二斜井QJ4与下行线和上行线的交叉口附近，第十二断面12和第十三断面13分别位于第一竖井QJ1和第二竖井QJ3与上行线和下行线的交叉口附近，且每个断面处都设有一个风流量传感器，风流量传感器和可逆的轴流风机之间连接有控制器。

通常隧道左、右线需风量差异较大，本实施例采用双洞互补式通风，主洞间连接有通风横通道，形成通风系统网络。

进一步地，采用双洞互补式通风，形成双向换气系统，将两条隧道联系起来，较洁净隧道内的空气用来稀释较污染隧道内的空气。

在设计时，可考虑直接将人行横通道直接作为联络风道，不特定设置联络风道。

通过仿真验证了通风横通道，火灾烟气不能漫延到对向隧道。

通过仿真分析，进行横通道倾角为45°、60°、90°的工况对比，发现倾角为60°时通风的损耗更小，更有利于隧道的通风。

进一步地，每个通风横通道内可以设有若干可逆的轴流风机。

根据流量守恒定律，通过调节各区段风速，充分发挥竖(斜)井的送排风能力，并使损耗降到最小。

进一步地，由理论公式计算出各区段的最优风速，控制器能够通过风流量传感器检测数据得出的实际风速对比最优风速来控制风机启动、停止或调速，使各区段的实际风速控制在最优风速附近。

双洞互补式通风系统左右线设计风量的计算方法包括：

(1)通风计算；

(2)根据隧道污染物浓度限值计算隧道风量；

(3)并设定左线隧道的设计风量等于通风量，依据双洞互补换气，利用右线隧道内的风机为其提供风量，右线隧道的设计风量大于风量，设定两条隧道的污染物最大浓度都等于限制值，则右线隧道的设计风量见下式：

式中：

Q_A：供风隧道设计风量；

Q_B：补风隧道设计风量；

q_A：供风隧道污染物排放量；

q_B：补风隧道污染物排放量；

δ：隧道内污染物浓度限值；

总的风量Q_A、Q_B的设计风量的取值在右线的风量和左线通风量之间，进行试算，再根据两隧道总的通风功率最小，求得左右线的最经济的设计风量，左右线设计风量相等。

该通风系统的适用范围：隧道所处围岩便于竖井的建造和施工，竖井的造价占总造价的比重在可接受的范围之内；斜(竖)井顶底部压差形成的自然风基本满足隧道对需风量的要求。

附图1所示的通风系统只是示意图，对竖井和横通道的位置数量倾角没有定性要求，可以根据实际情况拟定。

鉴于左右洞隧道需风量及车辆交通风的差异，本发明提出的通风系统适合构建双洞互补式通风网络。

通过仿真软件分析验证了常开横通道在发生火灾时，烟气不能漫延到对向隧道；因此我们直接将平时闲置的人行横通道设置成联络风道，平时用作通风通道，紧急情况时用作人行横通道。节省了单独设置通风横通道的费用。

横通道与主隧道连接形成2个3通，根据相关通风理论及流体力学知识，3通局部阻力损失与总管和支管间的夹角、面积比及流量比有关。因此，有必要对横通道与隧道轴向夹角进行研究，从而为隧道建设、运营费用等提供合理的理论数据，使整个工程的投资及运营费用达到最优。

采用ANSYS商业软件中的FLOTRAN单元(FLUID142)，解算隧道三维流动的速度场。设流体为不可压缩流体，采用RNG湍流模型进行模拟。该模型对于几何形状曲度变化剧烈的情况有很好的计算效果。模拟结果得出横通道角度为60°时通风效果要优于90°和45°，分流和汇流时通风损耗最小。

如附图2所示，本实施例中，上行线(Q1至Q2)和下行线(Q3至Q4)在邻近联络风道处均设有延伸至上行线(Q1至Q2)和下行线(Q3至Q4)行车建筑限界之外的断面扩展区，本实施例中，断面扩展区中的断面(1至14)为沿所在隧道长度方向布置的条形区域，联络风道的开口即处在断面扩展区长度方向的中部。

如附图2所示，本实施例中，每个断面扩展区均设置风道隔墙，该风道隔墙正对联络风道的开口设置。设置风道隔墙的目的是防止横通道通风过大对隧道内的行车产生横风影响。

如附图2所示，本实施例中，断面扩展区长度方向的两端为收敛区，收敛区侧壁倾斜设置以引导气流进出通风横通道，减少风阻。

如附图3所示，在高速公路隧道双洞互补式竖/斜井通风系统中，当竖(斜)井向内送风时，根据风量守恒定律，Q₁+Q₃+∑Q_J＝Q₂+Q₄始终成立。竖井将外界的洁净空气送进隧道用来稀释隧道内的污染空气。

如附图4所示，在高速公路隧道双洞互补式竖/斜井通风系统中，当竖(斜)井向外排风时，根据风量守恒定律，Q₁+Q₃＝Q₂+Q₄+∑Q_J始终成立。竖井将隧道内的污染空气排到外界，并加快隧道内空气流通。

各风段风机所需提供风压的确定：在正常情况下，风流在隧道中近似呈稳定连续流动，流体的流动遵守能量守恒定律，风流都遵循个基本规律风量平衡定律、风压平衡定律和阻力定律。由于隧道中有汽车的交通通风力和风机的存在，隧道风网中的风压平衡定律将修正为：

∑ΔP_R-(∑P_f+∑P_J+∑P_m+∑P_T)＝0

式中，ΔP_f和ΔP_m分别为网孔中风机风压和自然风压，顺时针取正，逆时针取负；ΔP_T和ΔP_J分别为交通通风力和风机压力，与风流方向相同取正，与风流方向相反取负。ΔP_R为通风阻力，是局部通风阻力与摩擦阻力之和。

对于复杂网络通风的解算，提出网孔迭代校正风量法。其关键做法是：

(1)确定初始风量；

(2)校正风量；

(3)迭代计算，直到满足精度；

式中：

ΔQ：M网孔号网孔的风量校正值，ΔQ值依迭代次数增加而减小，当网孔的ΔQ趋于零时，网路的风量、风压即已趋于平衡，

Q_i：网孔中分支的渐近风量，由初始值到真值，当在迭代过程个出现变号由“正”变“负”或由“负”变为“正”时，说明风流方向假定错了，须立即改正过来。

网孔中各分支的渐近风压，当分支的风流方向和圈划网孔方向相同时取“正”值反之，取“负”值。

M网孔的风压平衡差。

网孔各分支的2倍风阻乘风量的绝对值；

H_i：M网孔中i分支的通风机的风压，当通风机的风流方向和圈划网孔方向相同时，H_i取“正”值，反之，取“负”值；

α：分支上通风机风压曲线m点的斜率；

NHM：网孔的自然风压，当NHM的方向和圈划网孔方向相同时，取“正”值，反之，取“负”值；

当求出网孔风机风量Q_i后，立即求出曲风机的即时工况点m的风压及其斜率，即：

α＝2AQ_i+B

式中，A、B、C：表示依风机风压曲线经拟合计算求出的三阶方程即2次方程的系数。

当依式求出网孔风量校正值ΔQ后，立即对网孔各分支风量进行校正，即：

Q′_i＝Q_i+ΔQ_i

式中：

Q′_i：网孔分支的初始风量或前次校正后的风量；

Q_i：分支校正后的风量；

ΔQ_i：网孔风量校正值，当分支风流方向和圈划网孔方向相同时取“正”，反之，取“负”号；

当进行下面网孔风量校正计算中，须注意两点：

1、凡遇到前边网孔校正计算过的分支，一律用校正后的风量即利用“赛德尔迭代计算”的技巧；

2、凡前边改正过风流方向的分支，后面计算时一律用改正后的风流方向。

通过上面的迭代法计算得出各通风段横通道风机所需提供的风压，再由控制器控制风机启动、停止或调速，使各区段的实际风速保持平稳，不会产生明显的变化或起伏。

在斜/竖井风口未安装轴流风机的情况下，斜井(QJ2，QJ4)的自然通风排烟能力较竖井差，竖井(QJ1，QJ3)的烟囱效应比斜井明显；各区段发生火灾时，隧道内会扩散大量的烟气，对人员和车辆疏散造成很大的威胁，这就要求隧道管理部门加强日常管理，减少隧道内火灾发生的概率，同时，火灾发生时必须及时处置，避免火灾态势扩大。

具体实施案例：

参见图5，以某一特长公路隧道为实施例，该公路隧道为分离式长11.2km的特长隧道，是某段高速公路的控制性工程。该公路隧道通风方案的确定是通风设计中的关键，它依赖于诸如交通量、气流速度、废气标准替复杂因素。通风设计的好坏与否，直接关系到隧道工程造价、隧道运营环境、防灾与救灾功能。

对于该公路隧道发明人提出以下几个通风方案：

右线一方案：斜井+竖井送排式纵向通风。

右线二方案：斜井+竖井+斜井送排式纵向通风。

左线一方案：全射流式纵向通风。

左线二方案：单斜井送排式纵向通风。

通风一方案如图1所示，通风二方案如图2所示。

通风三方案：左、右线纵向循环式网络通风(如图3所示)。

通风四方案：左、右线电集尘过滤循环式通风(如图4所示)。

在确定4个通风方案后，发明人在以下几个方面进行了比较和计算：

1、隧道内通风效果；2、通风运营电费；3、通风系统设备费；4、隧道运营管理；5、土建工程费；6、隧道施工工期；7、隧道施工通风、出渣运距；8、隧道防灾、救灾区段划分；9、环境保护。

经过以上方面的对比分析与有限元模拟计算，该特长公路隧道通风方案最终确定为：

右线二方案：即斜井+竖井+斜井送排式纵向通风；

左线二方案：即单斜井送排式纵向通风。即左右线隧道由3个斜井与1个竖井共同构成一个完整的通风体系。

该方案具有一次性投资低、通风效果好、维护方便、运营费用相对较低、方便土建施工、有利于环保等特点。

Claims (2)

1.一种高速公路隧道双洞互补式竖/斜井通风系统，包括隧道双洞的上行线(Q1至Q2)和下行线(Q3至Q4)，其特征在于，在位于下行线(Q3至Q4)之间设有第二竖井(QJ3)和第二斜井(QJ4)，在位于上行线(Q1至Q2)有第一斜井(QJ2)和第一竖井(QJ1)；在上行线(Q1至Q2)和下行线(Q3至Q4)内，每隔一定距离设置倾斜的通风横通道(A，B，C，D，E)，每个通风横通道(A，B，C，D，E)内设有可逆的轴流风机，各隧道在邻近通风横通道(A，B，C，D，E)处均设有延伸至上行线(Q1至Q2)和下行线的行车建筑限界之外的断面扩展区，通风横通道(A，B，C，D，E)的开口处在该断面扩展区；其中，断面扩展区中的第一断面至第十断面(1，2，3，4，5，6，7，8，9，10)分别位于每个通风横通道(A，B，C，D，E)与上行线和下行线的交叉口附近，第十一断面(11)、第十四断面(14)分别位于第一斜井(QJ2)和第二斜井(QJ4)与下行线和上行线的交叉口附近，第十二断面(12)和第十三断面(13)分别位于第一竖井(QJ1)和第二竖井(QJ3)与上行线和下行线的交叉口附近，且每个断面处都设有一个风流量传感器，风流量传感器和可逆的轴流风机之间连接有控制器；

所述通风横通道(A，B，C，D，E)倾角为60°。

2.如权利要求1所述的高速公路隧道双洞互补式竖/斜井通风系统，其特征在于，所述的可逆的轴流风机为若干个。