JPH1172000A

JPH1172000A - 長大トンネルの換気システム

Info

Publication number: JPH1172000A
Application number: JP24604697A
Authority: JP
Inventors: Kozo Komatsu; 厚造小松; Takashi Yamada; 隆司山田
Original assignee: NIPPON MAINTENANCE KK; Ebara Corp
Current assignee: NIPPON MAINTENANCE KK; Ebara Corp
Priority date: 1997-08-27
Filing date: 1997-08-27
Publication date: 1999-03-16

Abstract

(57)【要約】【課題】長大トンネル内の換気、坑口環境保全を併せ
て良好に行え、且つ経済的に建設が可能な長大トンネル
の換気システムを提供する。【解決手段】トンネル１内に、該トンネルの長さ方向
に沿った車道風を発生させるファンを配置した縦流換気
区間Ａと、該トンネル内に比較的少量の新鮮空気を送風
する送気ダクトと比較的多量のトンネル内空気を排風す
る排気ダクトとを配置した変則横流換気区間Ｂと、新鮮
空気を送風する送気ダクトを配置した立坑送気区間Ｃと
を配列し、該トンネルの出口側には縦流換気区間Ａと変
則横流換気区間Ｂとを配列した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、長大トンネルの
換気システムに係り、特に自動車が通行する長大トンネ
ルに要求される条件、即ち、１）トンネル内の環境保
全、２）坑口周辺の環境保全、３）経済性、などを満足
させるようにした長大トンネルの換気システムに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】自動車トンネルは、そのトンネル延長・
規模ともに長大化しており、それにともなって換気シス
テムに課せられる条件が、質的に高度かつ多様化してい
る。長大トンネル内の換気は、トンネル内における通行
の安全、快適性および維持管理作業のための環境を確保
すること等を目的としている。このため、自動車の排出
ガスによる汚染空気濃度を許容値以下に維持する必要が
あり、長大トンネル内の汚染空気を外部に排出するとと
もに、トンネル内に必要な新鮮空気量を導入・確保しな
ければならない。また近年では、トンネル出口から集中
的に漏れ出す汚染物質の大気環境保全への配慮が強く求
められている。

【０００３】従来の長大トンネル内の換気は、一般に自
然換気、縦流換気、横流換気の３方式に分類され、それ
ぞれの利害得失を有している。自然換気方式は、文字通
り強制的な換気設備を特に設けずに、トンネル内の空気
の流通を自然に任せる方式である。縦流換気方式は、ト
ンネル内にジェットファン等のファンを設け、強制的に
トンネル入口から新鮮空気を吸い込んで、トンネル内を
縦方向（長さ方向）に流通させて、トンネル出口から排
出するようにした換気方式である。この換気方式は比較
的経済的であるが、トンネルが長大化すると、トンネル
内及びその出口付近での汚染物質濃度が高くなり、トン
ネル内やその出口付近での環境保全上の問題が生じる。

【０００４】横流換気方式は、車道に沿ってトンネルの
ほぼ全域に送気口と排気口とを連続的に設けて、新鮮空
気の導入と汚染空気の排出をトンネルのほぼ全域で同時
に行い、自動車の通行に伴い発生する汚染空気が送気口
から供給される新鮮空気で薄められると共に、排気口に
直ちに排出される方式である。従って、トンネル全域を
良好な環境に保つことが可能であり、この換気方式は、
トンネル延長に制限がないことや火災時への対応に優れ
ていることなどの面で最も信頼性が高い。

【０００５】しかしながら、上記横流換気方式にあって
は、送気口と排気口とをトンネル延長方向のほぼ全長に
亘って設けることから、送風機及び排風機を含むダクト
設備費が高価であることなどの経済上の難点がある。
又、この換気方式を有する一方通行トンネルでは、自動
車の通行に伴うピストン作用により、トンネル内に縦流
風（トンネル内の長さ方向に沿った風）が誘起されるた
め、この縦流風に乗って自動車の排出ガスがトンネル出
口坑口に漏れ出し、このため、坑口周辺の大気環境保全
上の問題が生じてしまう。特に都市部では立地灘から自
動車道路を地下又は丘陵をくり抜いて建設する場合が増
えており、これらの自動車トンネルの出口付近で問題で
ある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】近年、延長が１０ｋｍ
クラスの長大トンネルが出現し、或いは今後も計画され
ており、ますますトンネルの長大化が進むものと考えら
れる。この様なトンネルの長大化にあって、換気システ
ムに求められている条件は、トンネル内の環境保全の他
にトンネル坑口周辺の環境保全、及び建設上の製造コス
ト等に係わる経済的な換気システムの実現である。しか
しながら、上記従来の換気方式では、上記環境保全性と
経済性をバランスよく満足させることが困難で、新しい
換気システムの構築が強く望まれていた。

【０００７】本発明は上述した事情に鑑みて為されたも
ので、長大トンネル内の換気、坑口環境保全を併せて良
好に行え、且つ経済的に建設が可能な長大トンネルの換
気システムを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の長大トンネルの
換気システムは、トンネル内に、該トンネルの長さ方向
に沿った車道風を発生させるファンを配置した縦流換気
区間と、該トンネル内に比較的少量の新鮮空気を送風す
る送気ダクトと比較的多量のトンネル内空気を排風する
排気ダクトとを配置した変則横流換気区間と、新鮮空気
を送風する送気ダクトを配置した立坑送気区間とを順次
配列し、該トンネルの出口側には前記縦流換気区間と前
記変則横流換気区間とを配列したことを特徴とする。

【０００９】このように構成した本発明によれば、長い
区間に縦流換気方式を採用することにより、設備コスト
の低減を図るとともに、トンネル内部及び出口側に設け
た変則横流換気区間で、縦流換気区間により送風された
トンネル内の汚染空気を新鮮空気で稀釈すると共に、そ
の全量を排出することができる。即ち、変則横流換気区
間では、その上流側の縦流換気区間における汚染空気に
新鮮空気を導入して稀釈すると共に、その全量を排気ダ
クトにより排風する。そして、変則横流換気区間に引続
いて次の縦流換気区間との間に立坑送気区間を配列する
ことで、次の縦流換気区間にトンネル入口と同様な新鮮
空気量を導入することができる。

【００１０】これにより１組の縦流換気区間と変則横流
換気区間との組合せにより、１組の同区間で生じた汚染
空気の全量を排出できて、引続く立坑送気区間により新
鮮空気を導入できるので、あたかも換気的には複数の短
いトンネルを明かり部を介して次々に連結したように、
長大トンネルの換気システムを形成することができる。

【００１１】特にトンネルの出口坑口側に縦流換気区間
に引き続いて変則横流換気区間を設けることにより、汚
染空気がトンネル出口から集中的に漏れ出してしまうこ
とを防止することができる。

【００１２】また、本発明の長大トンネルの換気システ
ムは、前記変則横流換気区間は、３本乃至５本の排気ダ
クトを４００ｍ乃至５００ｍの区間に配置したことを特
徴とする。また、前記立坑送気区間は、２本の送気ダク
トを約２００ｍの区間に配置したことを特徴とする。こ
れにより、例えば縦流換気区間を２５００〜３５００ｍ
として、変則横流換気区間を４００〜５００ｍとして、
その中に３本乃至５本の排気ダクトを配置することで、
当該両区間で生じた汚染空気をトンネルの軸方向に沿っ
て滑らかに排出することができる。そして、２００ｍ程
度の立坑送気区間に２本の送気ダクトを配置すること
で、引き続く縦流換気区間のトンネル内に滑らかに新鮮
空気を導入することができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態の長大
トンネルの換気システムを図面を参照して説明する。

【００１４】図１に示すように、トンネル１は、その入
口側１ａから出口側１ｂに向かって、縦流換気区間I
（Ａ）、送排気区間II、縦流換気区間III（Ａ）及び送
排気区間IVの４つの換気区間に区分けされている。ここ
で送排気区間IIは、変則横流換気区間Ｂと立坑送気区間
Ｃとから構成されている。また、トンネル出口側の送排
気区間IV（Ｂ）は、変則横流換気区間Ｂのみから構成さ
れている。

【００１５】そして、それぞれの換気区間I〜IVには、
トンネル内に所定の換気風を与えるための機械換気設備
が具備されているのであるが、これらの機械換気設備の
方式と具体的な役割は次の通りである。

【００１６】即ち、縦流換気区間I，III（Ａ）には、ト
ンネル１の天井部に位置してジェットファン２ａ,２ｂ
が設置されている。このジェットファン２ａ,２ｂは、
通常換気時の自動車ピストン作用によるトンネル内空気
流量の不足分を補う昇圧装置である。即ち、自動車トン
ネル内では、自動車の走行に伴い車両自体が空気を移動
させるピストン作用による通風量が得られるが、トンネ
ル内で生じる汚染空気を稀釈するためには、これだけで
は不十分であり、ジェットファン２ａ,２ｂを設置する
ことで、汚染空気の稀釈あるいは排出に必要な通風量を
確保している。

【００１７】トンネルの中央部に位置する送排気区間II
は、上流側に位置してトンネル内への新鮮空気の供給と
トンネル内汚染空気の外部排出とを行う変則横流換気区
間Ｂと、下流側に位置して新鮮空気の送気のみを行う立
坑送気専用区間Ｃとに区分けされている。

【００１８】図２は、この送排気区間IIの前記変則横流
換気区間Ｂの拡大図を示し、図３（ａ）はＡ−Ａ線矢視
図を示す。その路面側には、内部に多数の送気口３ａを
有する送気ダクト４ａが、同じく天井側には、排気口５
ａを有する排気ダクト６ａがそれぞれ設けられている。
一例として、この変則横流換気区間の長さは、縦流換気
区間の長さ２５００〜３５００ｍに対して、４００〜５
００ｍであり、この区間に３〜５本の排気ダクト６ａ及
び排気口５ａを配置している。送気口３ａはトンネル下
部側壁として、当該区間に連続してダクト４ａが配置さ
れており、送気口３ａは例えば１０ｍ等の所定の間隔で
連続的に配置されている。尚、図２（ａ）に示す実施形
態では３本のダクトをまとめて１個の換気塔から排気す
るシステムについて示しているが、図２（ｂ）に示すよ
うにダクト毎に換気塔を設けるようにしてもよい。

【００１９】立坑送気区間Ｃには、図３（ｂ）に示すよ
うに送気口３ｂを有するダクト４ｂが配置されており、
送気口３ｂはトンネルの天井側に設けられている。立坑
送気区間Ｃは、一例として２００ｍ程度であり、その間
に２本の送気ダクト４ｂが配置されている。尚、送気口
及び排気口からは、トンネルの長さ方向に沿って均一な
風量が得られるように、ダンパ等の開度で風量が調整さ
れている。

【００２０】そして、換気塔７ａが備えられ、この換気
塔７ａには排気ダクト６ａがダンパ１１を介して接続さ
れており、換気塔７ａには排風機１１ａが設置されてい
る。同様に換気塔８ａには送風機１２ｂが設置され、ダ
クト４ａを介して多数の送気口３ａからトンネル内に新
鮮空気が供給される。また、換気塔９ａには、送風機１
２ａが設置され、ダクト４ｂを介して送気口３ｂから新
鮮空気がトンネル内に送られる。これらの送気ダクト４
ａ，４ｂには、ダンパ１２が備えられ、ダクト毎の送風
量が調節可能となっている。

【００２１】これにより、前記送風機１２ａ，１２ｂの
運転に伴って、各送気ダクト４ａ，４ｂの送気口３ａ，
３ｂからトンネル１内への新鮮空気の導入を、排風機１
１ａの運転に伴って、排気ダクト６ａの排気口５ａから
トンネル１内の汚染空気の排気を行うのであり、それぞ
れの区間内の排気流量ｑ_e、及び同送気流量ｑ_bは、計
画の範囲内でその流量を変えられるようになっている。

【００２２】また、車両火災等非常時には、送風機１２
ａを逆転運転させる等の手段によって、トンネル１の天
井側に位置する送気ダクト４ｂの送気口３ｂを排気口に
転用して、排煙口として煙の外部への排出を行うことが
できるように構成されている。

【００２３】トンネル出口側の変則横流換気区間IVに
は、道路面側に位置して多数の送気口３ｃを有する送気
ダクト４ｃが、ダンパ１３を介して換気塔８ｂに接続さ
れ、送風機１２ｃにより、トンネル内に新鮮空気を導入
する。同様に、天井側に位置して３個の排気口５ｂを有
する排気ダクト６ｂがトンネル１の長さ方向に沿って該
区間IVにそれぞれ設けられている。排気ダクト６ｂはダ
ンパ１４を介して換気塔７ｂに接続され、塔内に配置さ
れた排風機１１ｂによりトンネル内の汚染空気を排出す
る。

【００２４】これにより、前記送風機１２ｃの運転に伴
って、送気ダンパの送気口３ｃからトンネル１内への新
鮮空気の導入を、排風機１１ｂの運転に伴って、排気ダ
ンパ６ｂの排気口５ｂからトンネル１内の汚染空気の排
気を行うのである。それぞれの区間内の排気流量ｑ_e、
及び同送気流量ｑ_bは、計画の範囲内でその流量を変え
られ、しかも送気流量に対する排気流量を相対的に大き
くすることにより、トンネル出口流量を零もしくは逆流
流量となるように設定されている。即ち、変則横流換気
区間IV（Ｂ）においては、上流側の縦流換気区間III
（Ａ）からの車道内汚染空気を、送気口３ｃから新鮮空
気を導入して稀釈すると共に、その全量を排気口５ｂか
ら排気ダクト６ｂにより換気塔７ｂから排出する。

【００２５】次に、トンネル１内の換気、坑口環境保全
について、図４を参照して説明する。

【００２６】先ず、トンネル内環境保全ならびに坑口周
辺環境保全のための換気パターンにおいては、図４
（ａ）に示すような流れを実現する。図中の白抜き太矢
印がトンネル内の換気風の流れ方向を示し、それ以外の
矢印は、ジェットファン２ａ，２ｂ、送気口３ａ，３
ｂ，３ｃ及び排気口５ａ，５ｂ付近の空気の流れ方向を
示している。図４（ｂ）（ｃ）に通常換気時のトンネル
内汚染濃度Ｃr及び流速分布Ｕrの概念図を示す。尚、
図中の実線は本発明の一実施形態を示し、図示の例は、
坑口逆流状態の排気率ＥＲ＞１の運転条件における概念
図である。

【００２７】即ち、縦流換気区間Iでは、ジェットファ
ン２ａおよび自動車ピストン作用などの昇圧効果で、ト
ンネル内に縦流風速Ｕｒ（図２参照）の換気風を自動車
走行方向に生じさせる。なお、この区間の汚染濃度分布
Ｃｒは、図４（ｂ）に示すように、トンネル入口側１ａ
から縦流換気区間Iの終端に向かってほぼ直線的に増大
する。

【００２８】トンネル中央部の送排気区間IIの上流側の
送排気区間II（Ｂ）では、排気流量ｑ_eと同送気流量ｑ
_bの大小を適切に設定することにより、縦流換気区間か
ら送風される送気流量と、横流換気区間の送気流量の合
計流量を排気流量ｑ_eと等しくするように設定すること
ができる。即ち、トンネル下流側の濃度負荷の軽減を図
ることから、当該区間の排気流量ｑ_eを送気流量ｑ_bよ
り増大させることにより、送排気区間II（Ｂ）の終端の
縦流風速Ｕｒをほとんどゼロにすることができる。

【００２９】更に、立坑送気区間II（Ｃ）では新鮮空気
の送気によりトンネル入口側１ａの初期濃度の濃度レベ
ルまで稀釈し、縦流換気区間III以降のトンネル区間に
おける汚染物質濃度負荷の軽減を図る。

【００３０】縦流換気区間IIIでは、縦流換気区間Iと同
様、ジェットファン２ｂおよび自動車ピストン作用など
の昇圧効果で、トンネル内に縦流風速Ｕｒの換気風を自
動車走行方向に生じさせる。なお、この区間の濃度分布
Ｃｒは、図４（ｂ）に示すように、立坑送気区間II
（Ｃ）から縦流換気区間IIIの終端に向かってほぼ直線
的に増大する。

【００３１】出口坑口側の変則横流換気区間IVでは、排
気流量ｑ_eと同送気流量ｑ_bの大小を適切に設定するこ
とにより、当該区間の縦流風速Ｕｒを任意に変えトンネ
ル出口側の風速をゼロ又はマイナスとする。これによ
り、トンネル出口側からは逆に風を吸引して、トンネル
内の汚染空気の全量を排気ダクト６ｂを介して排出する
ことができる。

【００３２】トンネル出口坑口から漏れ出す汚染物質量
とトンネル内対象区間の汚染物質総発生量との比率を坑
口漏れ出し率Ｅｏと呼ぶが、この坑口漏れ出し率Ｅｏは
特に換気風の流動状態に依存する。この坑口漏れ出し率
Ｅｏは、排気率ＥＲに大きく依存し、この排気率が大き
くなるほど低下し、また排気率がある程度の値になると
坑口漏れ出し率の低下が飽和傾向となることなどが分か
っている。

【００３３】前記坑口漏れ出し率Ｅｏおよび排気率ＥＲ
の定義は次に示す通りである。Ｅｏ＝｛ｑ_out /（Ｇ_e＋ｇ_L）｝×１００（％）（１）ＥＲ＝ｑ_e2・ｌ₂ ／（Ｑ_r2＋ｑ_b2・ｌ₂）（２）ここに、ｑ_out：坑口漏れ出し量Ｇ_e：IV区間の単位長さ当
たり汚染物質総発生量ｇ_L：III区間からの残存漏れ出し量Ｑ_r2：III区間終端のトンネル内流量ｑ_e2：IV区間の
排気流量ｌ₂：IV区間延長距離ｑ_b2：IV区間の
送気流量

【００３４】これまでの実験および理論検討の結果、実
用上の最小坑口漏れ出し率を実現できる排気率ＥＲは、
１．１〜１．２の範囲であることが判明した。この排気
率はトンネル出口側からトンネル内の空気流量の１０％
〜２０％の逆流流量を導入することに相当する。この排
気率を満足させれば自動車の走行条件等にもよるが、坑
口漏れ出し率を概ね１０％以下にする事が可能である。

【００３５】尚、この排気率の実現は、図４（ａ）に示
す縦流換気区間IIIの終端部の空気流量Ｑ_r2の計測値に
基づいて式（２）の関係を満足させるように、IV区間の
単位長さ当たり排気流量ならびに単位長さ当たり送気流
量ｑ_r2、ｑ_b2を、送・排風機の回転速度あるいは、ダン
パーの開閉操作により設定する。

【００３６】図４（ｂ）（ｃ）に示すように、縦流換気
区間Iでは、トンネル入口側から該区間Iの終端に向かっ
てほぼ直線的に濃度が上昇し、トンネル中央部の送排気
区間IIでは、送排気の効果を受け濃度値が低下する。更
に、縦流換気区間IIIでは、トンネル出口側に向かって
再び濃度は上昇し、その後、坑口側の送排気区間IVにお
いて送排気の効果を受けトンネル出口側に向かって濃度
は低下する。

【００３７】この時、トンネル出口端では極めて小さい
汚染濃度値となり、汚染物質の坑口漏れ出し量も極めて
少なくなる。また、トンネル内の流速Ｕｒの推移は縦流
換気区間IIIでは一定で、送排気区間II，IVにおいて
は、送気流量と排気流量の大小を変えることにより、ト
ンネル内流速値低下もしくは坑口区間逆流形成となる負
の流速値を実現させていることが分かる。なお、図中の
Ｃｒ^*はトンネル内で維持すべきトンネル内許容濃度レ
ベルを示す。

【００３８】このように本発明の換気システムでは、ト
ンネル内流速Ｕｒの推移において、従来の例えば集中排
気方式のように立坑直下の同一断面内での急激な流速差
は起こらず、トンネル長さ方向に対して漸増もしくは漸
減する流速分布を実現することができる。従って、トン
ネル内の走行自動車をはじめ歩行者への風環境が極めて
良好なものとなる。

【００３９】次に長大トンネルへの対応について説明す
る。トンネル内にその上流側から、縦流換気区間(I)、
送排気区間(II)の組合せを複数組配列して、出口側に、
縦流換気区間(III)、送排気区間(IV)を順に配列すれば
よい。このようにして、長大なトンネルにおいても、縦
流換気区間と送排気区間とを組合せて、これを単位とし
て順に配列することで、トンネル全長に亘って、良好な
環境条件を保持することができる。

【００４０】尚、上述した実施形態ではトンネル内を一
方向に自動車が通行するいわゆる一方通行の例について
述べたが、両方向に通行する対面通行の場合にも、ピス
トン風の相殺効果に配慮して、適切な縦流強制換気量を
確保すれば、本発明の趣旨を同様に適用できることは、
勿論である。

【００４１】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、基本的に縦流換気方式を採用することにより、設備
コストの低減を図り、しかも送排気区間でトンネル内の
汚染空気の排気及び新鮮空気の導入を行って、トンネル
内の環境を保全するとともに、送排気区間をトンネルの
出口坑口側に設けることにより、汚染物質がトンネル出
口から漏れ出してしまうことを極力防止して坑口周辺の
環境を保全することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態の長大トンネルの換気シス
テムを示す断面図。

【図２】変則横流換気区間の拡大断面図であり、（ａ）
図１に示す場合、（ｂ）他の実施形態の場合を示す。

【図３】図１のトンネル断面を示す図で、（ａ）Ａ−Ａ
線矢視図、（ｂ）Ｂ−Ｂ線矢視図。

【図４】トンネル内の（ａ）換気パターンを示す図、
（ｂ）汚染物質濃度分布を示す図、（ｃ）流速分布を示
す図。

【符号の説明】

１トンネル２ａ，２ｂジェットファン３ａ，３ｂ，３ｃ送気口４ａ，４ｂ，４ｃ送気ダクト５ａ，５ｂ排気口６ａ，６ｂ排気ダクト７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ，９ａ換気塔１１，１２，１３，１４ダンパ１１ａ，１１ｂ排風機１２ａ，１２ｂ，１２ｃ送風機 I，III，Ａ縦流換気区間 II，IV 送排気区間Ｂ変則横流換気区間Ｃ立坑送気区間

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【手続補正書】

【提出日】平成９年１２月１９日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項１

【補正方法】変更

【補正内容】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】トンネル内に、該トンネルの長さ方向に
沿った車道風を発生させるファンを配置した縦流換気区
間と、該トンネル内に比較的少量の新鮮空気を送風する
送気ダクトと比較的多量のトンネル内空気を排風する排
気ダクトとを配置した変則横流換気区間と、新鮮空気を
送風する送気ダクトを配置した立坑送気区間とを順次配
列し、該トンネルの出口側には前記縦流換気区間と前記
変則横流換気区間とを配列したことを特徴とする請求項
１記載の長大トンネルの換気システム。
【請求項２】前記変則横流換気区間は、３本乃至５本
の排気ダクトを４００ｍ乃至５００ｍの区間に配置した
ことを特徴とする請求項１記載の長大トンネルの換気シ
ステム。
【請求項３】前記立坑送気区間は、２本の送気ダクト
を約２００ｍの区間に配置したことを特徴とする請求項
１記載の長大トンネルの換気システム。