公路隧道通风

公路隧道通风 罗崇来 一 概述二 隧道内污染物的形成三 隧道通风标准四 通风量的计算五 通风方式的选择 一 概述公路毫无疑问依然是现在交通的主力军 承担着旅客出行 货物运输等大量交通任务 因此其安全性贯穿始终 迫于地形 地质等因素 也为了交通的快捷 安全 经济 公路往往在一些地方修建了隧道 影响隧道安全的重要一环就是隧道的通风情况 一 公路隧道通风介绍 1 1919年 美国在研究纽约市荷兰隧道 2610m 时 开始研究隧道内汽车排放的CO卫生标准问题 研究结果将400ppm作为CO设计浓度 2 随后日本 瑞士 奥地利 挪威等国家相继设计出纵向 横向 半横向等方式来实现隧道通风 隧道通风发展进入快速时期 3 近年来 随着各国对隧道烟尘浓度控制标准的提高 烟尘逐渐取代CO转而成为通风计算的依据 分段纵向通风方式逐渐占主导地位 4 隧道通风方式多样化 并且不断改进 效率不断提高 控制精度越来越高 二 国内外著名的隧道通风方式举例 纵观全球 比较著名的公路隧道有位于挪威连接奥斯陆和卑尔根的洛达尔隧道 该隧道长24 51km 系世界最长的公路隧道 采用的通风方式就是纵向通风方式 我国在2007年建成通车的终南山隧道 18 02km 其长度仅次于洛达尔隧道 通风方式为竖井分段纵向式通风 隧道在运营期间机动车排出的各种有害气体及烟尘 超过限度 必须稀释或排出隧道 二 隧道内污染物的形成 一 机动车排放尾气的成分分析1 一氧化碳 二氧化碳 二氧化硫 2 氮氧化物 NO NO2等 3 含氧碳氢化合物 醛 醇 酚等 以及油烟等 三 隧道通风标准 前面我们已经说到隧道内有害污染物的种类 根据 公路隧道通风设计细则 的要求 CO和烟尘是作为确定隧道通风量的主要依据 必要时考虑NO2 一 CO作为隧道通风的计算标准1 隧道内CO设计浓度取值应符合下列规定 CO设计浓度 2 交通阻滞时 阻滞段的平均CO设计浓度可取150ppm 同时经历时间不超过20min 3 人车混合通行的隧道 隧道内CO设计浓度不应超过70ppm 二 烟尘作为隧道通风的计算标准1 烟尘设计浓度应符合下列规定 采用显色指数33 Ra 60 相关色温2000 3000K的Na光源时 烟尘设计浓度应按下表取值 烟尘设计浓度K Na光源 2 采用显色指数Ra 65 相关色温3300 6000K的荧光灯 LED灯时 烟尘设计浓度应按下表取值 烟尘设计浓度K 荧光灯 LED灯等光源 3 双洞单向交通临时改为单洞双向交通时 隧道内烟雾允许浓度不应大于0 012m 1 4 隧道内进行养护维修时 隧道作业段的烟雾允许浓度不应大于0 0030m 1 三 换气要求1 隧道空间最小换气频率不应低于每小时3次 2 采用纵向通风的隧道 隧道换气风速不应低于1 5m s 四 需风量的计算 公路隧道通风设计中 车辆有害气体 烟尘的排放量及与之对应的交通量和基准排放量均应与各设计目标年份相匹配 计算近期的需风量时应采用相应年份的交通量和基准排放量 在确定需风量时 应对稀释烟尘 CO按隧道设计速度以下各工况车速10km h为一档分别进行计算 当工况车速达到交通阻滞车速时 基准排放量应按交通阻滞要求取值 并计算换气的需风量 取其较大者作为设计需风量 一 稀释CO需风量 CO排放量应按下式计算 其中是隧道全长CO排放量 m3 s 是CO基准排放量 可取0 007m3 辆 km 为考虑CO的车况系数 对高速公路 一级公路取1 0 对二 三 四级公路取1 1 1 2 是车密度系数 可按表4 1取值 是考虑CO的海拔高度系数 按图4 1取值 是相应车型的设计交通量 辆 h 是考虑CO的车型系数 可按表4 2取值 是考虑CO的纵坡 车速系数 可按4 3取值 为车型类别数 为隧道长度 表4 1车密度系数 表4 2考虑CO的车型系数 车型 各种柴油车 小客车 旅行车轻型货车 中型货车 大型客车 表4 3考虑CO的纵坡 车速系数 2 01 91 81 71 61 51 41 31 21 11 0 010002000 CO海拔高度系数 海拔高度 图4 1考虑CO的海拔高度系数 稀释CO的需风量应按下式计算 式中隧道全长CO的需风量 m3 s 隧址大气压 kN m2 隧址夏季温度 K CO设计浓度 ppm 二 稀释烟尘需风量 式中是隧道全长烟尘排放量 m2 s 是烟尘基准排放量 m2 辆 km 可取2m2 辆 km 是考虑车况的烟尘系数 对高速公路 一级公路取1 0 对二 三 四级公路取1 2 1 5 是考虑烟尘的海拔高度系数 见图4 2 是考虑烟尘的纵坡 车速系数 见表4 4 是考虑烟尘的车型系数 见表4 6 相应车型的交通量 柴油车型类别数 车密度系数 见表4 5 表4 4考虑烟雾的纵坡 车速系数 2 01 91 81 71 61 51 41 31 21 11 0 海拔高度 010002000 烟雾海拔高度系数 图4 2考虑烟雾的海拔高度系数 表4 5车密度系数 表4 6考虑烟雾的车型系数 稀释烟雾到容许浓度的需风量按下式计算 式中K是烟雾设计浓度 m 1 三 隧道换气需风量1 隧道换气需风量应按下式计算 式中隧道换气需风量 m3 s 隧道净空断面积 m2 隧道最小换气频率 2 采用纵向式通风 换气需风量应按上式和下式计算 然后作比较 取其较大者作为隧道换气需风量 式中隧道换气风速 不应低于1 5m s 隧道净空断面积 m2 需风量的取值 五 隧道通风方式及其选择 一 隧道通风方式概括 通风方式 自然通风 机械通风 自然风 交通风 活塞风 纵向通风 射流风机式集中送入式竖 斜 井送排风式竖 斜 井排出式吸尘式通风 半横向通风横向通风组合通风 送风式排风式 二 自然通风与机械通风方式的选择 选择通风方式时 首先需要决定隧道内所需通风量 然后讨论自然风和交通风能否满足需要 如果不能满足需要或者缺乏可靠性 自然风和交通风是否稳定 就应当采用机械通风 目前还没有可靠的计算自然通风的隧道最大容许长度的一般算式 从世界各国的隧道实例看 长度较短的隧道 在一定的交通量下可以考虑用自然通风 区分自然通风与机械通风的界限经验公式 1 双向交通隧道 符合条件时 为机械通风 式中 隧道长度 m 设计交通量 辆 h 以小轿车为准 2 单向交通隧道 符合条件时 为机械通风 式中 隧道长度 m 设计交通量 辆 h 以小轿车为准 三 自然风力和交通风力的计算1 自然风力的计算当确定用机械通风方式以后 自然风力一般作为阻力来考虑 除非确定自然风速常年与隧道通风方向一致时 可作为动力来考虑 其计算公式为 式中 自然风阻力 N m2 自然风作用引起的洞内风速 可取 2 3 m s 隧道入口损失系数 见表5 1 隧道壁面摩阻损失系数 见表5 1 隧道断面当量直径 m 表5 1损失系数 2 交通风力的计算交通风 隧道内气流在车辆的带动下 将会产生流动 这种流动称为交通风 活塞风 式中 交通风力 N m2 隧道内与同向的车辆数 辆 隧道内与反向的车辆数 辆 隧道设计风速 m s 一般情况下 与同向的各工况车速 m s 与反向的各工况车速 m s 汽车的等效阻抗面积 m2 汽车的等效阻抗面积按下式计算 式中 小型汽车正面投影面积 一般取2 13m2 小型车空气阻力系数 可取0 5 大型车正面投影面积 一般取5 37m2 大型车空气阻力系数 可取1 0 大型车比例 单向交通隧道交通通风力可按下式计算 式中隧道内车辆数 辆 各工况车速 m s 2 隧道通风阻力的计算隧道通风阻力计算方法如下 式中 通风阻力 N m2 四 公路隧道机械通风方式介绍1 射流纵向通风方式 射流纵向通风方式模式图 射流纵向通风方式的隧道内压力平衡应满足下式 式中射流风机群总升压力 射流风机所需台数的计算在满足隧道设计风速的条件下 射流风机所需台数可按下式计算 式中所需射流风机的台数 每台射流风机所提升的压力应按下式计算 式中射流风机的出口风速 m s 射流风机的出口面积 m2 射流风机位置摩阻损失折减系数 当隧道同一断面布置一台射流风机时 按表5 1取值 当隧道布置2台及2台以上射流风机时 射流风机位置摩阻损失折减系数可取0 7 表5 1单台射流风机位置摩阻损失折减系数 1 5 1 0 0 7 0 91 0 87 0 85 2 集中送入式纵向通风方式 集中送入式纵向通风方式模式图 3 竖井排出式纵向通风方式 当应用于双向交通隧道时 竖井应宜设置在隧道轴向中央附近 竖井底部合流后的全压力可用下式计算 式中竖井底部合流全压力 N m2 第 区段隧道口与竖井出口之间的气象压差 N m2 自然风朝向隧道风向时为正 第 区段长度 m 以竖井内风速为基准第 区段的损失系数 第 段区隧道口与竖井出口之间的气象压差 N m2 自然风朝向隧道风向时为正 第 区段长度 m 以竖井内风速为基准第 区段的损失系数 第 区段 断面平均风速 m s 第 区段 断面平均风速 m s 竖井内 断面平均风速 m s 区段交通风力可按下式计算 式中 区段的交通通风力 N m2 第 区段内由 区段往 区段行驶的车辆数 辆 第 区段内由 区段往 区段行驶的车辆数 辆 区段交通风力可按下式计算 式中 区段的交通风力 N m2 第 区段内由 区段往 区段行驶的车辆数 辆 第 区段内由 区段往 区段行驶的车辆数 辆 单向交通隧道分流型纵向通风模式图 4 竖井送排式纵向通风方式 竖井送排式纵向通风方式模式图1 排气送气 通风井送排式纵向通风方式模式图2 5 吸尘式纵向通风方式 集尘装置 短道段长度 吸尘式纵向通风方式模式图 6 全横向 半横向通风方式全横向通风方式同时设置送风管道和排风管道 隧道内基本上不产生沿纵向流动的风 只有横方向的风流动 主要用于双向交通隧道 半横向通风包括送风式半横向通风排风式半横向通风 送风式半横向通风是半横向通风的标准型式 主要用于单向交通隧道 全横向通风方式 排风道 排风道 排风孔 送风道 送风孔 排风道 排风道 送风道 全横向通风方式模式图 半横向通风方式 送风道 送风道 送风式半横向通风方式模式图 7 组合式通风方式混合式通风没有固定的格局 它是根据某些特殊的需要 由上述几种基本通风型式组合而成的 其组合方式有许多种 但应符合经济实用原则 竖井送排风 射流风机