（工程热物理专业论文）竖井型市政公路隧道自然通风排烟理论与试验研究.pdf

t h e o r i a la n d e x p e r i m e n t a l st u d i e so nn a t u r a l v e n t i l a t i o n a n ds m o k e e x h a u s t i o nf o rc i t y r o a dt u n n e l sw i t h s h a f t s ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fd o c t o ro f e n g i n e e r i n g b y t o n gy a n s u p e r v i s e db y p r o s h im i n g h e n g s c h o o lo f e n e 略ya n de n v i r o n m e n t so u t h e a s tu n i v e r s i t y ， m a y2 0 1o 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 研究生签名：童圭色 日 期：缨f 翌二主：2 争 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档 的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借 阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东 南大学研究生院办理。 研究生签名：童拯 导师签名： 摘要 井型市政公路隧道自然通风排烟理论与试验研究 研究生：童艳 导师：施明恒 学校：东南大学 市政公路隧道具有浅埋长度短的特征，采用沿隧道纵向间隔一定距离修建竖井群， 正常运营时依靠竖井进行自然通风，火灾工况下依靠竖井进行自然排烟是一类有很大节 能潜力的新型构建模式。但由于自然通风排烟的随机性与对环境条件的依赖性，对自然 通风状况下竖井型公路隧道通风排烟规律进行理论与实验研究具有重要的理论和应用 价值。 论文分析了交通风力的形成原因及其与车速间的关系，在一维恒定流动假设的基础 上，考虑了自然风阻力，划分了各计算段，利用质量守恒与能量守恒方程，建立并求解 了各计算段风速的高度非线性方程组。分析了隧道内污染物随风流的扩散机理，建立并 。 求解了隧道各控制体污染物的对流一扩散微分方程组。理论预测出隧道主体风速随竖井 间距、交通量、车速增长而增长，而基本不受竖井截面尺寸与主体长度影响，同时隧道 内c o 浓度随着车速的降低或主体长度的增加而显著增高。分析研究了多种宏观交通流 动力模型，采用方程分析法确立了车流密度不变的交通流动力相似准则数为所。研制 了1 l o 缩尺模型隧道、模型竖井与车辆运动系统，自模区性能实验研究表明模型隧道 进入自模区的最小风速为0 3 3 m s 。在保证几何相似与无量纲自然风纠k 相等的前提下， 各控制体无量纲风速 j 乃的试验结果与理论预测结果符合较好。 在南京西安门隧道内开展了三次实体火灾试验，模拟一辆小客车从起火到旺盛燃烧 的阶段，采用快速增长的非稳态火源，最大释热功率5 4 3 m w 。试验测量了隧道火灾烟气 温度场与烟气蔓延状况，观察到在火灾中后期，上下烟层界面不清晰，部分竖井底部存 在烟气倒灌现象。整个过程中，人员始终没有撤离，不受高温危害，能见度尚好。采用 f d s 软件的并行计算模型对隧道最长暗埋段中部火灾进行了数值模拟，试验与数值模拟 结果对比表明，f d s 软件的并行计算模型基本上可以较好预测竖井型隧道火灾烟气的发 展状况。进一步对某6 0 0 m 长隧道7 种火灾工况进行的数值模拟结果表明：火灾烟气的 热物理特性较大程度地受到环境温度的影响；减少相邻两竖井组间距有利于烟气排出； 构成竖井组的个数不必过多。 关键词：隧道，竖井，交通风力，污染物，模型实验，火灾，全尺寸试验，烟气 l 苎量幽主堂垡垒塞 t h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a ls t u d i e so n n a t u r a lv e n t i l a t i o n a n ds m o k ee x h a u s t f o rc i t yr o a d t u n n e l s 、t hs h a l h ，s g m d u a t es t u d e n t ：t o n gy a n 1 e a c h e r ：s m m i n g h e n g u n i v e r s i 锣：s o u t h e a s tu n i v e r s i 锣 c 毋r o a dt u l l n e lh a ss h a l l o wb u i 咖ga 1 1 ds h o r tl e n 鼬c h a r a c t e r i s t i c s 咖u p s0 f s h a n sa r cb u i l ta t i n t e r v a l s f o rs o m ed i s t a l l c e a l o n gt h el o n g i t u d eo ft u i 】l i l e l s n a 劬嘲 v e n t l l a t l o nc a nb ef o n n e dt h r o u 曲s h a r su n d e rt r a 街c c o n d i t i o n s ，a 1 1 dm s on a t u r a ls m o k e e ) 【l l a u s i h l d e rf i r ec o n d i t i o l l s ni san e wt y p eo fc 时r o a d t u l m e l 谢t hm u c hp o t e n t i a l0 f e n e r g ys a v l n g b u tb e c a u s eo ft h er a l l d o m 跚l dr e l i a i l c eo nm es u r r o u n d i l l gc o n d i t i o n sf o r 删 v e n t i l a t i o na 1 1 dn a t u r a ls m o k ee x h a u s t ， t 1 1 e o r e t i c a la 1 1 d c x p e r i m e n t a ls t u d i e so n v e n t i i a t l o n 觚ds m o k ee ) 【l l a u s tf o rr o a dt i l i l l l e l s 谢ms h a 翘u 1 1 d e rn a t u 嘲c o n d i t i o n s i s n e c e s s a 巧a l l ds i g n i f i c a n t j ，n l e f o m i l l gm e c h 砌s mo f 仃a 伍cw i n d 觚di t sr e l a t i o n 谢t l lv e l l i c l ev e l o c i t v a r e a i l a l y z e d a s s u i i l i n gt l l a tt h ea i rf l o wi so n ed i m e n s i o 豫l 觚ds t e a d ya sw e l la sn 删讹d r e s l s t a i l c ei sc o l l s i d e r e dt h ec o m r o lv 0 1 u m e s a r ed e f i n e d b a s e do nm a s sa n d e n e r g y c o n s e r v a t i o l l s ，l l i 曲l yn o i l l i n e a rc q u a t i 0 1 1 s 蠡竹a l lc o n 们lv o l 姗e sa r e e s t a b l i s h e da n dr e s o l v e d d i 锄s i v em e c l l a i l i c so fp o l l 此m t sb yw i n di nt l l et m m e li s a n a l y z e d as e to fd i 蚴i a l e q u a t i o i l so fc o n v e c t i o na 1 1 dd i 觚s i o nf o rp o l l u t a n t si se s t a b l i s h e d 觚dr e s o l v e d - n l e o 栅c a l p r e d i c t i o l l si n d i c a t et 1 1 a t 1 ea i rv e l o c i t yi nt m m e lm a i nb l o c ki n c r e a s e sa st h e 硫r e a s i n go f d l s t a n c eb e t w e e ns h a f t sa 1 1 dt r a 艏cn o w a sw e ua sv e l l i c l ev e l o c i t y ，b mi si n f l u e n c e dl i t t l eb v s h 粕c r o s s 。s e c t i o n a la r e a c oc o n c e n t r a t i o ni 3i n c r e a s e dl 鹕e l yw h e n d e c r e 2 l s i n gt h ev 出c l e v e l o c 吼s e v e r a lm a c r o s c 叩i c a ld y i l 锄i c 舰衔cf l o wm o d e l sa r es 姗i e da i l d ac r i t e r i o n n u m b e ro f 蛳i c s i i l l i l a r i t yf o r 舰伍cf l o ww h e ni t sd e n s 埘b e i n gs t e a d yi se s 协b l i s h e dt 0 b e 所b ym e t l l o do fe q 咖i o na 1 1 a l y s i s m o d e lt u i m e l s ，m o d e ls h a r sa n dm o d e lv e l l i c l e sw i t h r a t eo f1 1oa r ed e v e l o p e d r e s u l t so f s e l fs i m i i 撕t ) rz o n et e s t si i l d i c a t et h a tm e 1 1 1 i 玎i m 姗a i r v e l o c i 够i so 3 3 m s u n d e rt h eg e o m e t r i cs i m u l a t i o na l l dt l l es 锄e “形，n l ed i m e n s i o l l l e s s v e l o c i t i e s 啪e 帆e ne x p 谢m 明t a la i l d 舭。硎c a lr e s u l t sa r ei ng o o d a g r e 锄e n t t l 鹏ef h l l 。s c a l et u i l i l e l 矗r et e s t sa r ec a r r i e do u ti n u 巧i n gx i a n m e n t u l m e l ac a rf i r e 舫mi 嘶t i i l g t 0l u x u r i 锄c ei sa d 叩t e d i n 砌c ha i lu 璐t e a d y 丘r es o 眦e i l l c r e a s e si 姗e d i a t e l v i i 。 a b s t r a c t 诹mam a ) 【i m 啪h e a tr e l e a s i n gp o w e r5 4 3 m w s m o k et e m p e r a t 盯e6 e l da n di t sd i 仃缸i o na r e t e s t e d h l d i s t i n c tb o u n d a 巧b e 铆e e nu p p c r 龇l dl o 、e rs m o l i so b s e e da tf m a l 矗r es t a g e ，a l s o n l ed o w n - d i a u g h ta tb o t t o mo fs o m es h m si sh 印p e n e d p e 叩1 ed on o tn e e dd e p a na n dc o u l d n o tb ed 锄a g e d 丘o mk 曲t e m p e r 柏h ea ta l lt e s tp r o c e d u r e s n u m e r i c a ls i i i l l i l a t i o n so nt 1 1 e f i r et e s t2a r ec a 玎i e do u t 丽t l lt l l ep a r a l l e lc o m p u 协t i o nm o d e lo ft l l ef d ss o f h a r e 1 h e c o m p a r i s o nb e t 、e e n t e s t sa i l dn u i i l c 洒c a ls i m u l a t i o n si n d i c a t el a t也ef d sp a r a l l e l c o m p u t a t i o nm o d e lc a nf o r e c a s tt h ed e v e l o p i n gp m c e s so ft u 驵e lf i r es m o k eb a s i c a l l y 、e 1 1 i 沁s u l t so fn 啪e r i c a ls i m u l a t i o n so n7f i r e si na6 0 0 mt i m n e li n d i c a t et h a t 也e m l a lp h y s i c m c h a r a c t e r i s t i c so fs m o k ea r ei n f l u e n c e dl a r g e l yb y 锄幽i e n tt e m p e r a ：t u r e ，a n ds n ：l o k ee 妯【a u s ti s f a v o r a b l ew h e nt h ed i s t 赳l c eb e t w e e ns t 斌si sd e c r e a s e d ，a n dt l l ei m m b e ro fs h a n si l e e c i i l tb e l a 玛e k e yw o r d s ：t u i l i l e l ；s h a r ；乜a m c 、析n dp o w e r ；p o l l l j t 锄t ；m o d e le x p e r i i n e m ；6 f e ；如l ls c a l e e x p e r i i n e n t ；s m o k e i i i 符号表 符号表 彳 路宽，m ：车道数，个 彳，隧道主体净空横截面积，m 2 以竖井净空横截面积，m 2彳m 汽车等效阻抗面积，m 2 4 汽车行驶方向的投影面积，伪2以燃料的水平燃烧面积，m 2 a 加速度，1 1 1 s 2 召a )发射源项 6给定指数因子 c b 空气阻力系数 c常数 勺定压比热，肌g k c 污染物的体积浓度，m l m 3小扰动传播速度，i s 铅 c 0 浓度，m 1 m 3 ；比热，j 蚝kc d ( p )交通声速，1 1 1 s 进风中含污染物j 的浓度，m l m 3d ，污染物紊流扩散系数，m 2 s d 主体断面当量直径，m ；扩散系数， d 矗污染物的分子扩散系数，m 2 s 心| d 竖井断面当量直径，me u 欧拉数 凡车辆空气阻力，n 凡汽车对隧道内空气的推动力，n f r弗劳得数f外力，n 单体汽车空气阻力，n 辆石c o 的车况系数 办车密度系数 c o 海拔高度系数 矗c o 的纵坡一车速系数 厶 c o 车型系数 石隧道主体断面周长，m石竖井断面周长，m g重力加速度，n m 2 埏 日 焓，脓g 厶舶消耗单位质量氧气释热率， 日v 汽化潜热，m j k g m j 4 璧燃料完全燃烧热，m j k g j j i增量初值；对流换热系数，俐m 2 k ， 电流，a，辐射强度，w ，m 2 pm 厶黑体辐射强度，俐，m 2 pmj 污染物分子扩散通量，m l ( 1 n 2 s ) j 。 污染物对流扩散通量，m l ( m 2 s ) j ，污染物紊流扩散通量，m l ( m 2 s ) i v 东南大学博士学位论文 恐污染物反应速度系数，1 s尼隧道壁面粗糙度，哪 七 导热系数，w f m k ；c o 沉降率，1 s 尼a 夕局部吸收系数 波段甩内吸收系数的平均值 三长度距离特征尺寸，m ，隧道计算段长度，m m 物质分子量，k 卧n o l 用 质量，蚝 历7单位面积燃料平均消耗率， k g s m 2 m 燃料质量损失率，k g s 硝单位体积组分f 的质量生成率， k g s m 3 n波段数矿 与甜同向车辆的交通量，辆1 1 广 与材反向车辆的交通量，辆1 1设计交通量，辆m n e牛顿数刀 车辆数；交通状态指数 尸压力，p a 尸f 交通通风力，n m 2 厶只自然风阻力损失，p a厶只交通风流动阻力损失，p a 胁外界大气压力，p a 7 p r普朗特数 p 污染物汇项，m l m 3 s q 车流量，辆s ；热流量，k w q火源释热速率，k w 厶g 污染物浓度的衰减量，m i ，m 3 c o 基准排放量，m 3 辆虹 巧 单位空间污染物j 的排放量， m l m 3 s 雪。单位体积释热率，耐 r 通用气体常数，j m 0 1 k r e 雷诺数，大型车比例 毋计算段污染物源项，m l m 3 s s t斯特劳哈尔数 s c 施密特数 s 辐射强度矢量 研车型类别数 丁温度，k 乃松弛时间，s t时间；程序初值 幻起火到人员发现火灾的时间，s拍火灾对人构成危险的时间，s 妇 人员有效安全疏散时间，s打人员成功撤离危险区域所需时 间，s “ 气流速度，m s编自然风速，m s v 符号表 玑自模区最小风速，i 眺汽车行驶速度，m s 哆汽车畅行速度，m s化学计量系数 x 隧道轴向长度，m ；燃烧效率e 组分f 的质量分数 z混合分数 ( c 甜)截面紊流污染物体积流率 希腊字母 ( ) 涡量向量 e 发射率；精度 d 常数；计算段进风系数，1 s 口。散射系数 臼 立体角ul e s 粘度 r 扩 应力张量巾耗散函数 a 火灾增长系数，k w s 2毛。竖井局部阻力系数 己隧道入口损失系数a 沿程阻力系数；比例系数 r w 车流受单位面积路面阻力，n v 常数 u 空气运动粘滞系数，m 2 s夕计算段排风系数，1 s p 空气密度，k g m 3 ：车流密度，辆m 上下标： i j k坐标分量 i序号 j污染物类别 m a ) 【最大值 m i n最小值m模型 p 原型 。 目录 目录 ：l i i 。】 1 0 ：1 景：l 状4 隧道通风理论研究4 隧道通风实验研究5 隧道火灾理论研究7 隧道火灾实验研究8 研究内容及方法1 0 1 - 3 1 研究内容1 0 。 1 3 2 研究方法：1 1 1 3 3 本文的章节安排1 2 第二章正常运营下隧道内气流与污染物分布的理论预测1 4 2 1 基本假设1 4 2 2 交通风力1 4 2 2 1 汽车空气阻力1 4 2 2 2 隧道交通风力1 6 2 2 2 竖井型单向交通隧道交通风力1 7 2 3 隧道内气流分布1 8 2 3 1 通风阻力损失1 8 2 3 2 隧道主体气体流动的数学模型：2 0 2 3 3 方程组的求解2 1 2 4 隧道内污染物浓度分布2 4 2 4 1 隧道污染物运移的基本形式2 4 2 4 2 污染物对流一扩散方程组2 6 2 4 3 方程组的求解2 8 2 5 本章小结3 l 第三章运营隧道气流与污染物分布影响因素分析3 2 3 1 竖井间距的影响3 2 3 2 竖井截面尺寸的影响3 4 v i t 东南大学博士学位论文 3 3 交通量的影响3 5 3 4 车速的影响3 8 3 5 主体长度的影响_ 3 9 3 6 本章小结4 0 第四章隧道自然通风模型试验设计理论4 1 4 1 模型试验和相似原理4 l 4 2 交通流理论模型4 3 4 3 隧道通风相似准则4 5 4 3 1 相似准则的导出方法4 5 4 3 2 采用定律分析法确定气流运动相似准则4 6 4 3 3 采用方程分析法确定交通流相似准则4 8 4 3 4 采用量纲分析法确定隧道自然通风相似准则4 9 4 4 自模区的确定。5 0 4 5 本章小结5 l 第五章隧道自然通风模型试验研究5 2 5 1 原型隧道：5 2 5 2 几何模型率的选取5 3 5 3 模型制作5 4 5 4 测试仪器5 6 5 5 性能试验5 8 5 5 1 隧道密封性测试5 8 5 5 2 自模区沿程阻力系数的测定5 9 5 5 3 自模区车况的测试6 0 5 6 模型隧道通风试验6 0 5 6 1 模型的分段与缝合6 0 5 6 2 测试工况，6 1 5 6 3 分段测试结果与分析6 2 5 6 4 缝合结果与分析6 4 5 7 分析与讨论6 6 5 8 本章小结7 0 第六章竖井型市政公路隧道火灾现场试验研究7 1 6 1 引言7 1 6 2 南京西安门隧道简介7 2 6 3 试验装置7 3 6 3 1 火源7 3 v i i i 目录 6 3 2 测量系统7 4 6 4 试验步骤7 6 6 5 结果与讨论7 6 6 5 1 试验一7 6 6 5 2 试验二7 9 6 5 3 试验三8 2 6 6 比较与总结8 5 6 6 1 顶棚下方最大烟气温度8 5 6 6 2 安全高度处最大烟气温度8 6 6 6 3 烟气层高度8 6 6 6 4 烟气前锋8 8 6 6 5 人员疏散8 9 6 7 本章小结8 9 第七章竖井型隧道火灾自然排烟的三维数值模拟9 0 7 1 隧道火灾烟气蔓延的物理过程9 0 7 2 数学模型9 1 7 2 1 湍流模型9 2 7 2 2 燃烧模型9 3 7 2 3 辐射模型9 5 7 2 4 热边界条件9 7 7 3 数值方法9 8 7 4 数值模拟软件f d s 1 0 0 7 5 隧道火灾的数值模拟1 0 l 7 5 1 火源热释放速率1 0 l 7 5 2 网格系统设置1 0 2 7 5 3f d s 4 o 并行计算模型简介1 0 5 7 。5 4 数值模拟参数设置1 0 5 7 6 数值模拟结果与试验结果的对比1 0 9 7 6 1 顶棚下方烟气温度1 0 9 7 6 2 安全高度烟气温度1 0 9 7 6 3 烟气前锋1 1 0 7 6 4 烟层高度1 1 0 7 6 5 竖井顶部开口烟气的流动状况1 1 2 7 5 本章小结1 1 2 第八章竖井型隧道火灾自然排烟影响因素分析1 1 4 8 1 数值模型1 1 4 i x 东南大学博士学位论文 8 2 火灾危险临界时刻1 1 7 8 3 环境温度对火灾烟气扩散的影响1 1 7 8 3 1 顶棚下方5 5 m 高处烟气温度11 8 8 3 2 烟气前锋蔓延距离1 1 8 8 3 3 烟层高度1 2 0 8 3 4 竖井顶部开口烟气流量1 2 l 8 4 竖井间距对火灾烟气扩散的影响1 2 2 8 4 1 顶棚下方5 5 m 高处烟气温度1 2 2 8 4 2 烟气前锋蔓延距离1 2 3 8 4 3 烟层高度1 2 4 8 4 4 竖井顶部开口烟气流量1 2 5 8 5 竖井个数对火灾烟气扩散的影响1 2 5 8 5 1 顶棚下方5 5 m 高处烟气温度1 2 6 8 5 2 烟气前锋蔓延距离：1 2 7 8 5 3 烟层高度1 2 7 8 5 4 竖井顶部开口烟气流量1 2 8 8 6 本章小结：1 2 8 第九章结论与展望1 3 0 9 1 主要研究成果和结论1 3 0 9 2 论文的主要创新点1 3 1 9 2 研究展望1 3 2 致谢1 3 4 参考文献1 3 5 作者简介，1 4 2 x 1 1 研究背景 第一章绪论 近年来，我国经济稳步发展，人民生活水平不断提高，单位和家庭汽车保有量日 益增多，城市交通量逐年递增。与之相矛盾的是，城区内用地紧张，人车相互拥挤状况 日渐凸显，城市交通状况变得恶劣，堵车时有发生。为缓解日益增长的城市交通压力， 以前一些城市采用架设高架桥来构筑城市快速交通通道。由于高架桥所组成的交通通道 对于城市景观、老城保护有较大的负面影响，同时产生较大的交通噪声，近年来许多城 市开始选择修建市内地下交通隧道。可以预见随着城市交通流量的不断增长，地下空间 的开发利用将大大加强，市内地下交通隧道将会持续增加。 地下隧道的结构形式、通风、照明等是隧道设计的重要方面。通风设计不仅影响到 隧道的结构形式，还很大程度上决定了隧道日常运行成本的高低，它除应考虑正常交通 工况外，还应考虑洞内发生火灾等工况【l 】。 公路隧道通风设计应贯彻国家的技术经济政策，积极而慎重地采用新理论、新技术、 新材料、新设备、新工艺，使通风达到安全实用、质量可靠、经济合理、技术先进的要 求。按照通风动力不同，通风方式分为自然通风与机械通风，相应地，火灾发生时的排 烟方式分为自然排烟与机械排烟。现有公路隧道通风照明设计规范( j t j 0 2 6 1 1 9 9 9 ) 3 2 1 建议：对于双向交通隧道，当符合三胗6 1 0 5 的条件时，宜设置机械通风；对 于单向交通隧道，当符合三胗2 1 0 6 的条件时，宜设置机械通风，其中l 为隧道长 度( m ) ，n 为设计交通量( 辆h ) 。由此可见，交通越拥挤即交通量越大，则采用自然通风 的隧道其允许长度越短。因此，在实际工程中，公路隧道较多地采用机械通风模式。机 械通风方式可分为纵向式、半横向式、全横向式以及在这三种基本方式基础上的组合通 风方式。但不论何种机械通风方式，均使用射流风机，需要在隧道内给其预留安装空间， 造成隧道埋深大、造价高、风机噪声大，电力消耗多。而与传统的机械通风模式相比， 自然通风模式的隧道内不设置风机，整个运营过程无需消耗电力，却可以一劳永逸地解 决通风排烟问题，其节能效益不言而喻，是一种正在不断发展的新的城市隧道结构模式。 城市地下交通隧道在上世纪九十年代以2 0 0 3 0 0 m 的行人过街短通道为主，现在则 以区域性的汽车通道为主，长度达到l 0 0 0 m 以上。由于城市地下交通隧道特殊的地理位 置与形式，与一般公路隧道( 海底隧道、山体隧道等) 相比，具有浅埋短长度的特征( 隧 奎堕奎堂竖主堂垡笙苎 道顶部距地面约6 m ) 。在实际应用中，更需要有效解决其通风技术问题，做到：在正常 交通条件下隧道内空气保持清洁，符合环境标准，保证人体健康和车辆行驶安全；同时 在火灾等重大事故条件下防灾减灾将损失降低到最小。因此，解决好城市公路隧道的空 气环境问题是城市地下空间开发应用需要认真研究的重大问题。 1 2 0 0 5 年在修建南京西安门城市公路隧道的过程中，中铁二院工程集团有限责任公 司钟星灿工程师考虑到由于城市公路隧道埋深较小，若在其顶部修建直接与地面连接的 竖井群，则竖井高度较低( 6 m ) ，内外气流流过竖井需要克服的阻力亦较低，在完全 抛弃机械通风设备的情况下，正常行车工况时车辆运动产生的“活塞风”促使隧道内污 染空气在克服较小的竖井阻力后仍有足够的动力通过竖井排至室外，而室外的新鲜空气 亦能通过竖井进入隧道内，以稀释内部有害气体，降低气体浓度，保障隧道内空气环境 质量【2 】；阻滞车况下，隧道内部大量车辆积压，车辆释热量可观，热压效应明显，热污 染气流从竖井顶部排出室外，而室外新鲜空气从隧道下部两端开口补入，形成良好的通 风换气【3 j ；火灾时，强烈的浮升效应促使热烟气从隧道顶部竖井开口排出，有效降低隧 道内烟气温度、浓度，利于人员疏散与救援，保障人民生命财产安全。浅埋式市政公路 隧道利用竖井群进行自然通风( 排烟) 完全抛弃了机械通风( 排烟) 方案，充分体现了 绿色环保的理念，具有以下几方面特点： ( 1 ) 改善城市交通状况 城市中心区发展地下快速道路系统是解决古城保护、城市更新等方面的重要途径； 用地下隧道替代地面高架桥，提供了一条新的城市交通模式，可以腾出地面空间以绿化、 适度开发及增加不同区域的城市生活联系，减低了道路对城市的割裂，实现了土地的多 重使用；安全、便捷的地下交通减少了地面不同交通形式的交叉，并在减少拥堵的同时 可以起到降低污染和改善城市环境的作用。 ( 2 ) 降低洞口污染物排放浓度 。 机械纵向通风模式下，污染物集中在隧道出口处排放，浓度高度集中的污染空气 难以满足环保要求，而市区内设立高空排放的排风塔难度更大。自然通风隧道由于在各 个开口处分别进行了排放，不会产生污染物的聚集，更易实现达标排放。 ( 3 ) 降低隧道的初投资与运营费用。 竖井型市政公路隧道取消了射流风机，设备投资明显下降；没有风机电力消耗； 不需要在隧道顶部预留安装射流风机的空间，隧道断面高度显著降低，建设成本明显下 降：自然光线通过竖井开口可以直接照射到隧道内部，减少了内部人工照明的电力消耗， 经济性十分明显。 2 图1 1 南京西安门隧道出入口 图1 2 南京西安门隧道内景 图1 3 南京西安门隧道竖井群 竖井型自然通风公路隧道2 0 0 5 年在国内首次提出，国外未见报道，但方案得到国 内多个城市建设主管部门的青睐。例如：2 0 0 5 年成都市首次开通了采用顶部开口自然通 风( 排烟) 的红星路下穿隧道( 长度8 0 0 m ) ，南京市2 0 0 7 年4 月开通了通济门隧道( 地 下长度8 9 0 m ) 、西安门隧道( 地下长度1 4 1 0 m ) ，见图1 1 ，图1 2 ，图1 3 ，2 0 0 8 年1 0 月开通了新模范马路隧道( 地下长度约3 0 0 0 m ) ，目前拟建的下穿南京秦淮河的隧道也 将采用该模式。已建成的隧道运营以来，隧道内空气环境质量得到了社会的广泛好评， 与前期建设的南京玄武湖湖底隧道机械通风的效果形成了鲜明对照。 但众所周知，自然通风与自然排烟的推动力通常较弱，具有随机性且受环境的影 响较大，公路隧道通风照明设计规范中不包含竖井型自然通风公路隧道的设计方法， 且目前国内外对于这类隧道在不同车况、不同竖井布置、不同环境温度下隧道内气流的 流场分布、压力分布、污染物浓度分布、火灾烟气扩散等特性与规律尚没有开展系统的 研究。尽管该模式隧道已在实际工程中应用，有关人员也对该问题进行了一定程度的前 期研究。但在工程设计时主要还是根据定性分析，参照人防工程通风要求，按照4 开 口率设置竖井的开启面积。因此开展竖井型公路隧道的自然通风与自然排烟机理研究论 东南大学博士学位论文 证，以指导隧道设计是十分必要的，对建立城市地下交通通道甚至地下交通网络，缓解 城市用地及改善交通等环境问题也是一个具有前瞻性配套性的应用基础性课题，具有极 大的学术意义、工程应用价值和社会效益。 1 2 研究现状 1 2 1 隧道通风理论研究 1 9 1 9 年，美国修建纽约市荷兰隧道( 2 6 1 0 i n ) 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c o 排放量做了研究，并就人体对c o 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4 0 0 p p m 作为c o 设计浓度，并将以此标注 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【4 】。 近几十年来高速公路隧道建设迅速发展，公路隧道内卫生标准不断提高，公路隧道 的通风研究迫在眉睫。1 9 7 3 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( i n t e n 蚍i o n a ls y n l p o s i u mo n 。n l ea e r o d y n 锄i c sa n dv c i n t i l a t i o n6 f v e l l i c l en l n i l e l s ) ，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【5 1 。 重庆交通科研设计院在隧道通风方面做过大量研究，建立了长达一百多米的1 ：1 试 验隧道，并于1 9 9 9 年主持编写现行公路隧道通风照明设计规范( j t j 0 2 6 1 1 9 9 9 ) 。 现行规范对隧道通风设计有很强的指导意义，相应的规范条文以适当的界限控制是 否采用机械通风但其未能包含浅埋市政公路隧道利用竖井群进行自然通风与自然排烟 的设计指导。 目前国内外绝大部分仅针对利用出入口进行自然通风换气以降低污染物浓度的隧 道通风模式开展了研究。长安大学邓顺熙建立了公路交通环境特点的线污染源扩散方 程，求得了公路汽车排气污染物浓度分布的解析解【6 】；根据大气扩散方程建立了公路隧 道内空气质量方程和方程中相关参数，并导出了计算自然通风、纵向通风、全横向通风 和半横向通风隧道内空气污染物浓度分布的解析解【7 】，导出了计算纵向通风公路隧道内 空气污染物浓度分布的计算公式和给定隧道内空气质量设计标准计算所需通风量的方 法【引。1 9 9 8 年j 嘶jm o d i c 【9 】提出标准数d ( 稀释隧道内部污染物浓度到制定标准所需的 全面换气量与隧道实际全面换气量的比值) 概念，结果表明：d 1 时，隧道实际换气能 力不足，达不到稀释污染物的要求；d “，则毛= 一c d 4 等( b 一“) 2 ， 与m 反向，为“一； 二 ( 2 ) 当m 与甜同向，且h u - 1u i u + 1 计算段_ 1 计算例 计算段i + 1 赢、：。 一 图2 1 隧道计算段与竖井划分示意图 当气体流出竖井f 时，取“一，反之取“+ 。当嘶沿行车方向时为“+ ，反之 为“一 。根据质量守恒原理，计算段，手，流速嘶补计算段i 的流速嘶与竖井7 流速 地f 之间存在如下关系： 东南大学博士学位论文 u 面= ( 坼+ l 一) 4 4 ( 2 6 ) 式中 以一竖井j 横截面积( m 2 ) ； 由式( 2 6 ) 可见，竖井气流的流入流出与相邻隧道计算段气流流速之间存在制约关 系，全隧道各竖井流速、各计算段流速均会有所不同。因此，对某计算段j ，若车辆数 为伪，则交通通风力尼为： 仇= 绣专詈“一咿卜引 ( 2 7 ) 2 3 隧道内气流分布 2 3 1 通风阻力损失 隧道主体自然通风阻力损失来自两个方面：隧道内自然风阻力损失厶只和由交通风 力产生的流动阻力损失厶只。 隧道内形成自然风流的原因，一是隧道内外的温度差，二是隧道两端出入口的水平 气压差，三是隧道外大气自然风的作用。虽然上述形成隧道内自然风流的三种压差均可 由理论计算式予以计算，但隧道所在地区往往缺乏隧道通风设计所需的气象资料，欲由 气象资料求算自然风压确是十分困难；而且自然气象也变化多端，一年四季不同，昼夜 早晚也不一样，自然风对隧道通风有时有利，有时不利。因此，从实际情况看自然风向 难以与交通方向完全一致，且经常变化，从安全考虑，通风计算中通常视自然风向与交 通方向逆向，作为阻力考虑。目前习惯的作法n 5 2 1 是假定隧道内有一固定流速的稳定 风流，对隧道通风产生不利的影响，也就是假定在两端出入口间形成自然风压而导致隧 道内产生自然风流。文献 5 2 建议公路隧道采用驴2 5 m s 。存在时，各计算段自 然风阻力损失可如下计算： 瓴- = ( 色+