CN109209461A - 一种长大隧道中单通道与竖斜井模块化通风系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种长大隧道中单通道与竖斜井模块化通风系统，该系统分别由第一通风模块、第二通风模块、第三通风模块和第四通风模块中的一个或多个拼接组合形成，同时，通过隧道内通风参数实时监测及动态智能化计算和风机运行状态调整，用以满足长大隧道通风的要求。与现有技术相比，本发明具有模块化设计、能耗低、动态智能控制、节约隧道运营能耗、正常、火灾工况转换迅速等优点。

Description

一种长大隧道中单通道与竖斜井模块化通风系统

技术领域

本发明涉及隧道通风领域，尤其是涉及一种长大隧道中单通道与竖斜井模块化通风系统。

背景技术

随着公路建设的迅猛发展，特长公路隧道尤其是长度在4km以上的隧道大量出现，隧道建设期间是否增设竖井通风的问题受到广泛关注。特长公路隧道内有害气体浓度高，排出或稀释相对困难，建设及运营中面临的首要问题便是隧道的通风问题。隧道通风研究主要集中在机械式通风方式的选择、通风井的设置、机械通风效果的评价及火灾下的通风模式等方面。纵观各国公路隧道通风方式的演变，通风方式在上世纪七八十年代经历了由横向通风和半横向通风方式为主，向纵向通风为主的发展历程。现在的长大隧道多采用双洞单向行驶，将竖井送排风与射流风机通风模式结合。通过采用这样的纵向通风方式，竖井可把隧道划分为适当的通风区段，从而更有效地控制各通风区段的风量；单向行驶的车辆提供活塞风，又可减少风机的装机数量。对纵向通风的需求催生了更深一步的研究。对纵向通风方式，众多学者从公式推导、数值模拟和实验论证的角度，就风机的布置方式^[4]和火灾下烟气控制进行了研究。

竖井的修建需要花费大量的土建费用，竖井内往往还需要布置大功率的轴流送(排)风机，这又会大大增加运营费用。因此近几年，有学者开始研究一种新的纵向通风方法：双洞互补式通风，其理论是由国外Burner和Day提出的；夏等依托大别山隧道提出了双洞互补式通风设计理论，并运用于大别山隧道。在理论上，采用这种通风方案，可以取消修建通风井，减小隧道初投资和运营管理费用。

尽管双洞互补式通风有经济性的优势，但它在应用上有一定局限性，即适用于上下行隧道需风量差异较大的情况，而对于上下行隧道通风负荷差别不大的情况，实现效果不理想。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种长大隧道中单通道与竖斜井模块化通风系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种长大隧道中单通道与竖斜井模块化通风系统，该系统分别由第一通风模块、第二通风模块、第三通风模块和第四通风模块中的一个或多个拼接组合形成，同时，通过隧道内通风参数实时监测及动态智能化计算和风机运行状态调整，用以满足长大隧道通风的要求。

所述的第一通风模块包括相互平行且不联通的隧道左线和隧道右线，所述的隧道左线上设有2号通风竖井，隧道右线上设有1号通风竖井，所述的1号通风竖井将隧道右线分为段和段，所述的2号通风竖井将隧道左线分为段和段。

所述的第一通风模块各段的送排风量如下：

其中，和分别为隧道右线段和段、隧道左线段和段的送排风量，分别为段、段、段、段以及短道和的需风量，和分别为1号通风竖井的排风段和送风段、2号通风竖井的排风段和送风段的送排风量，c为竖井排风处理过后气体剩余量。

所述的第二通风模块包括相互平行且通过单通道联通的下坡隧道左线和上坡隧道右线，所述的单通道将隧道左线分为段和段，将隧道右线分为段和段，所述的第二通风模块的隧道内设有射流风机。

第二通风模块在采用单通道送风式纵向通风方式时隧道右线和隧道左线的设计进风量和满足以下表达式:

Q₀₁·x＝Q₁·L₁

其中，Q₀₁和Q₀₂分别为隧道右线和左线的原需风量，为隧道左线通过送风单通道补给给隧道右线的风量，L₁、L₂和L₃分别为隧道右线、隧道左线和单通道的长度，θ为单通道与隧道右线出口方向夹角，Δ为隧道右线入口与隧道左线出口距离。

所述的第三通风模块包括相互平行且通过单通道联通的隧道左线和隧道右线，所述的隧道右线上设有通风竖井，所述的单通道将隧道左线分为段和段，所述的通风竖井和单通道分别将隧道右线分为段、段和段。

所述的第三通风模块各段的送排风量如下：

其中，分别为段、段、段、段和段的送排风量，分别为竖井排风段和送风段的送排风量，分别为单通道部分的各段需风量，c为竖井排风处理过后气体剩余量。

所述的第四通风模块包括相互平行且通过单通道联通的隧道左线和隧道右线，所述的隧道左线上设有2号通风竖井，隧道右线上设有1号通风竖井，所述的1号通风竖井和单通道依次将隧道右线分为段、段和段，所述的单通道和2号通风竖井依次将隧道左线分为段、段和段。

所述的第四通风模块各段的送排风量如下：

其中，分别为段、段、段、段、段和段的送排风量，分别为1号通风竖井的排风段和送风段以及2号通风竖井的排风段和送风段的送排风量，c为竖井排风处理过后气体剩余量，分别为，分别为段、段、短道d₁和d₂的需风量， 分别为单通道部分的各段需风量。

该系统各模块的组合方式包括第一通风模块和第四通风模块组合拼接、第一通风模块和第三通风模块组合拼接以及双配置单通道通风。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、模块化设计：本系统将隧道通风设计模块化，简化快速通风设计，各个模块特性显著，可以根据实际需求选用，例如模块一可以有效降低污染物浓度和隧道内风速，模块二可以节省模块一中开挖竖井的土建费用，且突破了双洞互补式通风无法应用于上下行隧道通风负荷差异较小情况的局限，模块三适用于隧道纵向坡度相对较大，上坡段需风量显著大于下坡段需风量，或者左右线交通车流量有明显差异的隧道。模块四适用于特长山岭公路隧道，结合实际地质资料和通风能耗确定竖井和单通道的位置，充分发挥二者组合节能的优势，双配置设计可以很好适用于大城市隧道中单向不对称拥堵的“潮汐式”交通流。

二、能耗低：模块化通风设计是根据整个隧道全运营周期能耗的最小值计算最优的单通道的位置和竖(斜)井位置，并结合实际地质条件调整实际位置，可以保证整个隧道运营周期内能耗最低。

三、节约隧道运营能耗：由于隧道内实际车速的变化，交通风动力发生变化，因此实时监测整个隧道各段风速，VI浓度和CO浓度，根据实时监测数据调整隧道内各个风机的状态，实现“智能化”隧道通风，节约隧道整体运营能耗。

四、正常、火灾工况转换迅速：模块化通风设计简化了正常运营时隧道通风系统的风流组织和控制难度，正常工况和火灾工况转换迅速，提升火灾时排烟组织的便利性。

附图说明

图1为长大隧道通风单通道与竖(斜)井模块化组合示意图。

图2为通风模块一通风竖(斜)井示意图。

图3为通风模块二可变角度单通道示意图。

图4为通风模块三的示意图。

图5为通风模块四的示意图。

图6为通风模块一和模块四的组合示意图。

图7为通风模块一和模块三组合示意图。

图8为双配置单通道示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

针对目前国内多数特长山岭隧道通风方法的现状，从节约能耗及减少土建费用的角度出发，依据公路隧道通风设计细则中计算原理，本发明提出了长大隧道中单通道与竖(斜)井模块化通风设计，采用不同的模块组合通风，在不同地质条件下充分发挥不同模块优势，在隧道通风设计上达到节能能耗，节省土建费用，提升火灾时排烟组织的便利性的目的。

该系统可用于山岭特长公路隧道中，单通道部分和竖(斜)井部分模块化计算组合，竖(斜)井可以有效排出隧道内污染气体，送进新鲜空气，降低隧道内污染物浓度，显著降低隧道内风速；单通道部分可以有效利用隧道一侧富裕空气来平衡另一侧隧道需风量，同时降低运营能耗，当地质条件复杂，竖(斜)井部分修筑困难时，可以考虑采用单通道模块代替竖(斜)井模块。

系统可以快速进行长大隧道通风设计，模块化组合比选不同方案优缺点。单通道和竖斜井模块化通风系统运营期间，隧道的能耗与隧道长度的平方成正比，与通风量的三次方成正比。本系统节能原理正是用竖井和单通道将隧道划分为不同区段，通过增加竖井和长度较小区段的通风能耗，进而降低长度较长区段的隧道能耗，从而隧道主体达到运营节能的目的。

本发明的系统组成及原理如下：

如图1所示，图为长大隧道通风单通道与竖(斜)井模块化组合示意图，由模块一，模块二，模块三和模块四组成。长大隧道通风设计中，可以采用全部的模块，也可以重新组合模块或者只采用其中的一个模块满足长大隧道通风的要求，下面介绍单各个模块的风量计算方法。

1、通风模块一：

隧道左右主线长度不同的通风竖(斜)井计算方法，如图2所示，隧道各段及竖井送排风量如表1所示。

表1隧道各段及竖井送排风量

Q_y1，Q_y2，Q_x1，Q_x2，Q_d1，Q_d2分别为对应L₁₁，L₁₂，L₂₂，L₂₁段和短道d₁,d₂的需风量，c表示竖井排风处理过后气体剩余量。长大隧道中使用模块一可以有效降低污染物浓度和隧道内风速，可在模块内主隧道布置射流风机，缺点是通风竖(斜)井中需要布置功率较大的轴流风机。

2、通风模块二：

隧道左右主线长度不同的单通道计算方法，如图3所示，隧道右线长度为L₁，隧道左线长度为L₂，单通道长度为L₃，单通道位置距离隧道右线入口x，单通道与隧道右线出口方向夹角为θ，隧道右线入口与隧道左线出口距离为Δ，其中Q₀₁、Q₀₂分别为右线和左线的原需风量，Q₁、Q₂为采用单通道送风式纵向通风方案时右线和左线隧道的设计进风量，Q₃为左线通过送风单通道补给给右线的风量。

Q₀₁·x＝Q₁·L₁

长大隧道中使用模块二可以增加小段，可在模块内主隧道布置射流风机，缺点是通风竖(斜)井中需要布置功率较大的轴流风机。

3、通风模块三：

如图3和表2所示，Q_y1，Q_d1分别为对应L₁₁段和短道d₁段的需风量，c表示竖井排风处理过后气体剩余量。Q′₁，Q′₂，Q′₃分别为右侧单通道部分(L₁₂，L₁₃，L₂₁，L₂₂)使用模块二的方法计算出各段需风量。

表2隧道各段及竖井送排风量

4、通风模块四：

如图4和表3所示，Q_y1，Q_x1，Q_d1，Q_d2分别为对应L₁₁段和L₂₃段和短道d₁，d₂段的需风量，c表示竖井排风处理过后气体剩余量。Q′₁，Q′₂，Q′₃分别为单通道部分(L₁₂，L₁₃，L₂₁，L₂₂)使用模块二的方法计算出各段需风量。

表3隧道各段及竖井送排风量

5、通风模块一和模块四组合：

如图6、表4和表5所示，Q_y1，Q_x1，Q_y4，Q_x4，Q_d1，Q_d2，Q_d3，Q_d4分别为对应L₁₁，L₂₄，L₁₄，L₂₁段和短道d₁，d₂，d₃，d₄段的需风量，c表示竖井排风处理过后气体剩余量。Q′₁，Q′₂，Q′₃分别为单通道部分(L₁₂，L₁₃，L₂₂，L₂₃)使用模块二的方法计算出各段需风量。

表4隧道各段风量

表5竖井送排风量

6、通风模块一和模块三组合：

如图7、表6和表7所示，Q_y1，Q_x1，Q_y4，Q_d1，Q_d2，Q_d3分别为对应L₁₁，L₂₃，L₁₄段和短道d₁，d₂，d₃段的需风量，c表示竖井排风处理过后气体剩余量。Q′₁，Q′₂，Q′₃分别为单通道部分(L₁₂，L₁₃，L₂₁，L₂₂)使用模块二的方法计算出各段需风量。

表6隧道各段风量

表7竖井送排风量

7、双配置单通道通风方法：

横通道可以双配置，根据通风需求选择开启其中一条横通道。双配置设计可以很好适用于大城市隧道中的“潮汐式”交通流。即城市附近的隧道，早晨进城从居住地向工作区方向交通量大，而晚上出城返回居住地方向交通流量大，形成了道路一个通行方向拥堵而相反方向畅通，即单向不对称拥堵的“潮汐式”交通，根据实际需求重新配置道路资源。双配置横通道系统同时可以应对隧道主线一侧突发车辆拥堵情况，根据现场实时污染物浓度，决定横通道和射流风机开启状态。

如图8所示，L₁为隧道右线，为出城方向隧道。L₂为隧道左线，为进城方向隧道。在距离L₁隧道入口y₁米处增加的1号单通道，在距离L₂隧道入口x₃米处增加的2号单通道，将左右线隧道分别划分为三部分，即L₁₁段、L₁₂段、L₁₃段、L₂₁段、L₂₂段、L₂₃段。

分别针对早高峰交通量计算2号单通道的最优位置x₃，针对晚高峰交通量计算1号单通道的最优位置y₁，方法依然采用单通道的设计方法。可以将2号单通道结合一定运营周期内早高峰交通量和高峰后正常交通量综合设计，所有区段的轴流风机和射流风机均按照两个横通道配置设计中较大值配置，以满足要求，同时实时监测运营状态下左右线隧道污染物浓度状况，调整开启风机数量。

8、动态智能通风控制方法：

由于隧道内实际车速的变化，交通风动力发生变化，通过实时监测整个隧道各段风速，VI浓度和CO浓度，根据实时监测数据，根据整体通风能耗最低原理，可实时计算出隧道内各风机的最佳工作状态，通过动态调整隧道内各个风机的状态，实现“智能化”隧道通风，节约隧道整体运营能耗。

Claims (10)

1.一种长大隧道中单通道与竖斜井模块化通风系统，其特征在于，该系统分别由第一通风模块、第二通风模块、第三通风模块和第四通风模块中的一个或多个拼接组合形成，用以满足长大隧道通风的要求。

2.根据权利要求1所述的一种长大隧道中单通道与竖斜井模块化通风系统，其特征在于，所述的第一通风模块包括相互平行且不联通的隧道左线和隧道右线，所述的隧道左线上设有2号通风竖井，隧道右线上设有1号通风竖井，所述的1号通风竖井将隧道右线分为段和段，所述的2号通风竖井将隧道左线分为段和段。

3.根据权利要求2所述的一种长大隧道中单通道与竖斜井模块化通风系统，其特征在于，所述的第一通风模块各段的送排风量如下：

其中，和分别为隧道右线段和段、隧道左线段和段的送排风量，分别为段、段、段、段以及短道和的需风量，和分别为1号通风竖井的排风段和送风段、2号通风竖井的排风段和送风段的送排风量，c为竖井排风处理过后气体剩余量。

4.根据权利要求1所述的一种长大隧道中单通道与竖斜井模块化通风系统，其特征在于，所述的第二通风模块包括相互平行且通过单通道联通的下坡隧道左线和上坡隧道右线，所述的单通道将隧道左线分为段和段，将隧道右线分为段和段，所述的第二通风模块的隧道内设有射流风机。

5.根据权利要求4所述的一种长大隧道中单通道与竖斜井模块化通风系统，其特征在于，第二通风模块在采用单通道送风式纵向通风方式时隧道右线和隧道左线的设计进风量和满足以下表达式：

Q₀₁·x＝Q₁·L₁

其中，Q₀₁和Q₀₂分别为隧道右线和左线的原需风量，为隧道左线通过送风单通道补给给隧道右线的风量，L₁、L₂和L₃分别为隧道右线、隧道左线和单通道的长度，θ为单通道与隧道右线出口方向夹角，Δ为隧道右线入口与隧道左线出口距离。

6.根据权利要求1所述的一种长大隧道中单通道与竖斜井模块化通风系统，其特征在于，所述的第三通风模块包括相互平行且通过单通道联通的隧道左线和隧道右线，所述的隧道右线上设有通风竖井，所述的单通道将隧道左线分为段和段，所述的通风竖井和单通道分别将隧道右线分为段、段和段。

7.根据权利要求6所述的一种长大隧道中单通道与竖斜井模块化通风系统，其特征在于，所述的第三通风模块各段的送排风量如下：

其中，分别为段、段、段、段和段的送排风量，分别为竖井排风段和送风段的送排风量，分别为单通道部分的各段需风量，c为竖井排风处理过后气体剩余量。

8.根据权利要求1所述的一种长大隧道中单通道与竖斜井模块化通风系统，其特征在于，所述的第四通风模块包括相互平行且通过单通道联通的隧道左线和隧道右线，所述的隧道左线上设有2号通风竖井，隧道右线上设有1号通风竖井，所述的1号通风竖井和单通道依次将隧道右线分为段、段和段，所述的单通道和2号通风竖井依次将隧道左线分为段、段和段。

9.根据权利要求8所述的一种长大隧道中单通道与竖斜井模块化通风系统，其特征在于，所述的第四通风模块各段的送排风量如下：

其中，分别为段、段、段、段、段和段的送排风量，分别为1号通风竖井的排风段和送风段以及2号通风竖井的排风段和送风段的送排风量，c为竖井排风处理过后气体剩余量，分别为，分别为段、段、短道d₁和d₂的需风量， 分别为单通道部分的各段需风量。

10.根据权利要求1所述的一种长大隧道中单通道与竖斜井模块化通风系统，其特征在于，该系统各模块的组合方式包括第一通风模块和第四通风模块组合拼接、第一通风模块和第三通风模块组合拼接以及双配置单通道通风。