CN202531207U - 公路隧道新型通风实验模型 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种公路隧道通风实验模型，其特征在于，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(13)，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)。该模型具有资金投入少、安全性高的特点，适用于隧道管理、通风、照明、监控、防灾、维护等领域。

Description

公路隧道新型通风实验模型

技术领域

本实用新型涉及一种隧道通风实验模型，具体地说是一种公路隧道新型通风实验模型。 

背景技术

通风系统是公路隧道的重要组成部分。对于特长公路隧道，通风系统方案的优劣直接关系着公路隧道功能效益的发挥，十分重要。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较成熟，通风理论已较完善。但是国内外在对长度在5km左右的公路隧道做通风方案研究时，普遍发现仅对运营通风而言，全纵向射流通风即可满足，但考虑到防火排烟，不设竖井又存在风险。另外，这种隧道由于路线标高的限制，通常左、右线需风量差异较大。为此，双洞互补式网络通风就成为首选方案。 

大别山公路隧道是上海至成都高速公路湖北省麻城至武汉段上的特长隧道，是麻武高速公路上的控制性工程。隧道区域地形复杂，山岭险峻，峰峦叠嶂，隧道最大埋深约482m，平均海拔高度291m，设计行车速度为100km/h。隧道为上下行分离式，两洞轴线相距40m，隧道左线长度4890m，隧道坡度分别为+3.8667％，+1.6632％-1.7213％，右线隧道长度4865m，隧道坡度分别为+1.7213％，-1.6632％，-3.8667％。预测2015年交通量13100Pcu/d，2030年35105Pcu/d。 

大别山隧道原设计通风方案为斜井分段纵向通风。由于该通风方案存在投资大、建设工期长、运营费用高等不足之处，交通部对初步设计方案进行审查时要求对通风系统做进一步研究，考虑取消通风斜井的可能性。理论上讲，对于该类长度在5km左右的单坡隧道，采用双洞互补式网络通风方案具有投资小、效率高、运营费用低等优点，优势很大。但双洞互补式网络通风方案目前在国内尚无工程实例，国外也很少。M.A.Beme：和J.R.Day提出的针对于通风负荷不均匀特长公路隧道设计的双向换气方法，仅在台湾的雪山隧道通风中做过简要的工程应用说明，并未给出具体的设计过程及计算方法，其应用研究还不够完善，现行设计规范对该类通风方案也未提及，其通风设计方法及基本计算参数等目前国内为空白，国外研究也不多。本项目的主要任务是研究大别山公路隧道网络通风的适应性，给出大别山隧道网络通风的具体方案，并提出有关设计参数的建议，为大别山隧道通风系统设计优化设计提供技术支持，以期在我国隧道通风领域取得突破。 

隧道通风防灾问题研究，最早出现于铁路隧道中。公路隧道出现后，随着汽车时代的 到来，交通量日益增长，隧道超过一定长度或交通量超过一定值，仅仅依靠自然风和交通风不能满足隧道内运营环境的卫生要求。特别是近几十年来高速公路隧道建设的迅速发展，公路隧道内卫生标准不断提高，长大隧道的出现使得隧道中出现事故的几率也越来越大，因此进行长大隧道通风，防灾研究迫在眉睫。1973年英国力学研究会流体力学中心发起并组织了空气动力学和隧道通风国际研讨会(International Symposium on the Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels)，此后每三年召开一次，各国与会隧道通风专家展示自己的研究成果，推进了通风技术发展。该研讨会反映了世界各国隧道通风技术研究的最新成果。 

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。 

1919年，美国修建纽约市荷兰隧道(2610m)时，以美国矿务局为主，在一些大学和研究所的协助下，对汽车CO排放量做了研究，并就人体对CO浓度的容许值进行研究，以此作为隧道通风计算的依据。研究决定将400ppm作为CO设计浓度，并将以此标准算出的通风量作为隧道需风量。这是首次公路隧道通风研究。 

日本关越隧道(Kan-etsu)一线1985年10月贯通，二线1991年7月贯通，长度分别为10926m和11055m。隧道全线4车道1991年10月12日开始运营时，交通量106000辆/日。隧道采用两座直径9.7m竖井加静电集尘器的组合通风方案，两座竖井分别距离Minakami端3.7km和7.9km，一线和二线隧道通风分段长度分别为3738m、4220m、2968m和3761m、4129m、3165m，最大通风分段长度4220m，且一线和二线隧道内分别设置了5台和4台静电集尘器，以清除柴油车排放的VI污染物，一线和二线隧道除尘最大通风分段长度为2110m和2555m。关越隧道一线首次将纵向式通风应用于10km以上公路隧道，为验证该通风系统的可靠性和实用性，日本学者编制了一套程序对关越隧道通风系统进行模拟，研究内容包括空气非稳态流模拟，空气污染物沿隧道全程实时变化，紧急通风方案建立等。该程序包括动力学模型、污染模型、交通模型和控制模型四大部分。模拟结果证明静电集尘器加竖井送排式纵向通风系统可以应用在关越隧道上。日本公路隧道纵向通风研究为世界隧道通风的发展做出了贡献，编制的《日本道路公团设计要领》被许多国家借鉴。 

2000年底通车的挪威莱尔多隧道(Laerdal)是世界上目前最长的公路隧道，日交通量1000辆/日。该隧道采用一个通风斜井(500m3/s，2×540kW)+一台烟尘和NO2空气净化器(180m3/s)+射流风机(32×36kW)组合的纵向通风方式，通风斜井距离Aurland入口 18km，空气净化器安装在距Aurland入口9.5km处，该隧道通风分段的单段长度最大为9.5km。 

近年来，世界各国隧道专业人员一直致力于隧道通风的程序化研究，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Alan Vardy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。 

随着近年来隧道长度的不断增大，大家都在探讨纵向通风分段的极限长度究竟是多少，对此一些学者曾经提出了不大于4km的结论。为了解决纵向通风分段长度太长的问题，近年来一些学者提出了纵向+半横向、纵向+全横向，甚至于纵向+半横向+全横向的混合通风方式，也有些学者也提出了双洞互补式网络通风方式。 

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。 

国内公路隧道建设起步较晚，公路隧道通风研究也落后于日本和欧洲。公路隧道科研方面，近10年来，交通部门每年投入大量科研经费，围绕隧道工程的实际问题开展科学研究，如《公路长隧道纵向通风研究》、《公路隧道通风技术研究》、《秦岭终南山特长公路隧道关键技术研究》等，在隧道管理、通风、照明、监控、防灾、维护等领域均取得重大成果，这些研究成果有力地支持了我国公路隧道建设。 

1994年兰州铁道学院完成依托中梁山隧道和缙云山隧道的公路长隧道纵向通风模型模拟试验研究，1995年西南交通大学完成依托中梁山隧道和缙云山隧道的公路长隧道纵向通风数值模拟试验研究，1996年初西南交通大学完成中梁山隧道和缙云山隧道现场测试工作。1996年9月兰州铁道学院、西南交大等单位参与完成的依托中梁山隧道和缙云山隧道立项的《公路长隧道纵向通风研究》项目通过鉴定验收。该项目基本解决了成渝高速公路中梁山隧道和缙云山隧道的通风问题。中梁山隧道和缙云山隧道修建过程中，汇集众多国内外隧道专家，对隧道通风等重大难题进行了研究，为今后隧道建设提供了成功经验。 

国内外经验表明，长大公路隧道通风照明设备及土建费用一般为整个工程造价的10％～30％，隧道运营通风、照明所需能耗与隧道长度成正比增加，其费用将是一笔巨大的开支。 所以考虑隧道通风照明的优化问题、自然风的利用等具有极大社会与经济价值。目前，国内的长大公路隧道多为双洞单向行车，双洞单向行车隧道与单洞双向行车隧道在隧道通风、照明及安全技术有很大差距；目前，国内外对双洞单向长大隧道通风、消防研究较多，火灾工况下的救援模式已基本得到普遍认同。长安大学结合西部交通建设科技项目《秦岭终南山特长公路隧道通风技术研究》，通过现场试验、数值仿真、物理模型试验等方法，确定了我国在用汽车排放因子，对影响汽车排放各因素值进行了修正；给出了特长公路隧道洞内卫生控制标准；建立了隧道内污染物浓度分布模型，对竖井和洞口排风污染环境影响进行了评估；构建了公路隧道复杂通风网络技术理论并编制仿真计算程序；建成了先进的通风物理模拟试验系统；开发出基于Matlab语言的公路隧道一维纵向通风计算程序；开展了秦岭终南山公路隧道通风方案比选研究；进行了隧道通风系统优化研究；提出了通风工况模拟设计方法；针对秦岭终南山公路隧道开展了通风参数现场测试，研究成果直接用于秦岭终南山特长公路隧道通风方案确定和通风系统设计中，有力持了秦岭终南山特长公路隧道的建设，相关研究成果也对我国公路隧道建设有重要指导和示范意义。另外，长安大学还结合甘肃省交通厅科技项目《西北中高海拔地区特长隧道通风、消防、救援系统研究》、湖南省交通厅重点项目《雪峰山隧道通风数值模拟计算研究》等，开展了大量隧道通风技术研究工作。 

目前，对长大隧道通风系统的研究手段分为两种：1运用CFD计算流体力学软件，对隧道通风系统进行仿真分析；2建立公路隧道通风物理模型，运用试验的方法对隧道通风系统进行模拟分析。对于一个复杂流动现象进行实验研究，试验中可变因素很多，此外受试验条件限制，多数不能在实物上进行。隧道通风同样如此，尤其对于复杂通风系统，理论计算和现场实测难以一一实现，且许多计算参数依赖性强，需要进行系统的模型试验，提供理论分析所需的基础参数，验证理论分析的可靠性与正确性。国外隧道发展得很早，目前主要利用模型实验对隧道火灾和消防进行系统研究。瑞典Lund大学运用场模型对隧道火灾烟气流动和安全疏散的相互作用进行了研究，研究重点为隧道内物质燃烧时温度，烟气在隧道纵横断面上的分布随时间和空间的变化情况。英国LeedS大学在假设质量和能量守恒，压力差很小，混合气流层的速度为热气流层和冷气流层速度之和一半，隧道断面不变且平滑，羽流沿中心线呈正态分布的条件下开发了隧道内火灾增长和烟气流动模型。 

目前国内的公路隧道通风模拟试验模型普遍比较小(1∶100～1∶35，少量1∶20)，长度短(30m以内)，数据采集方法不先进(读取水柱高度差)，模拟状态动力相似度差。兰州铁道学院依托中梁山隧道建立公路隧道通风模型，对长隧道纵向风通进行实验研究。同济大学在采用钢筋混凝土管段模拟隧道结构，建立长一百多米，内径1.8米的隧道模型，对隧道 火灾进行模拟研究。 

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种资金投入少、安全性高的公路隧道新型通风实验模型，可以用于隧道通风试验研究。本实用新型的技术方案如下： 

一种公路隧道新型通风实验模型，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13，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。 

进一步优选，所述的该模型换气通道与送风口联络处呈90度拐角，在90度拐弯处增设导流板。 

本实用新型的实施例中，所述的车道高度73cm，长度72m，风道高度73m。 

本实用新型的实施例中，所述的模型分60节加工，每节长1.2m。 

本实用新型的实施例中，所述的模型的比例为1∶9。 

本实用新型与现有技术相比其有益效果： 

1、本实用新型采用双洞互补式网络通风，安全效果好，出现事故的几率小； 

2、投资小，运营费用低； 

3、本实用新型提供了比例比较大的模型，更加真实地模拟实际情况； 

4、本实用新型结构简单，操作方便。 

 附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细地说明。 

图1为本实用新型公路隧道新型通风实验模型的结构示意图。 

 具体实施方式

参照图1，一种公路隧道新型通风实验模型，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13，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。 

进一步优选，所述的该模型换气通道与送风口联络处呈90度拐角，在90度拐弯处增设导流板。 

本实用新型的实施例中，所述的车道高度73cm，长度72m，风道高度73m。 

本实用新型的实施例中，所述的模型分60节加工，每节长1.2m。 

本实用新型的实施例中，所述的模型的比例为1∶9。 

换气通道拐弯处设置导流板可以达到避免风道内涡流或回流的出现进而可以减少通风道内压力损失。但形状、大小、多少对风道阻力系数的影响较大，目前基本是采用规范值或结合数值仿真给出，物理模拟很少，因此需要开展导流板设置模型试验。 

本实用新型的实施例不限于此，还可以做以下实验。 

换气通道排风口角度优化试验 

隧道通风设计必须提高通风效率，避免短道回流，排风口角度影响到隧道排风段的排风效果以及短道流态，需通过物理模型试验确定合理的排风口角度。 

以上行线隧道为例，试验过程中，固定风机14与风机15功率，调整风机14换气通道的排风口角度分别为30度、45度、60度、90度。测试不同排风口角度下断面1～断面5的风速、风压，尤其关注短道内断面3的风速，分析不同排风口角度下隧道内，尤其是短道内风速风压的变化，进而优化排风口角度。每组试验均进行3次平行试验进行。 

换气通道送风口道角度及长度物理模型试验 

隧道通风设计必须提高通风效率，避免短道回流，隧道顶部送风口导流板的角度和长度，影响到短道流态，通过物理模型试验，确定合理的送风道高度及长度。 

以上行线隧道为例，试验过程中，固定风机14与风机15功率，调整风机14换气通道的送风口角度分别为0度、5度、10度，测试不同送风口角度下断面1～断面5的风速、风压，尤其关注短道内断面3的风速，分析不同排风口角度下隧道内，尤其是短道内风速风压的变化，进而优化送风口角度。 

试验过程中，固定风机14与风机15功率，调整风机14换气通道的送风口导流板长度分别为0.5m、1m、1.5m，测试不同送风口角度下断面1～断面5的风速、风压，尤其关注短道内断面3的风速，分析不同排风口角度下隧道内，尤其是短道内风速风压的变化，进而优化送风口导流板长度。 

每组试验均进行3次平行试验进行。 

Claims (5)

1.一种公路隧道新型通风实验模型，其特征在于，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(13)，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)。

2.根据权利要求1所述的公路隧道新型通风实验模型，其特征在于，所述的该模型换气通道与送风口联络处呈90度拐角，在90度拐弯处增设导流板。

3.根据权利要求2所述的公路隧道新型通风实验模型，其特征在于，所述的车道高度73cm，长度72m，风道高度73m。

4.根据权利要求3所述的公路隧道新型通风实验模型，其特征在于，所述的模型分60节加工，每节长1.2m。

5.根据权利要求4所述的公路隧道新型通风实验模型，其特征在于，所述的模型的比例为1∶9。 

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