基于流模型的城市地下互通运营通风方案研究

基于流模型的城市地下互通运营通风方案研究

0idartv软件介绍随着国家城市化的推进，公共交通的需求以及道路和网络的交叉，形成了越来越多的交流与交叉口。由于城市地面空间的日益捉襟见肘，地下空间的利用和开发逐渐成为城市建设的热点，涌现出了一批城市地下互通工程。地下互通工程相较于传统地面互通工程，在地下形成了一个复杂的通风网络，给隧道通风及防灾救援设计带来了一定的挑战。同时，汽车排放的污染物在主线隧道和匝道之间进行分配。因此，有必要确定合理的通风控制模式，实现隧道运营通风的智能化和节能型控制毛杨苏宜等人目前针对城市地下互通风流组织复杂的问题，大多采用网络通风算法进行计算，计算平台大多采用SES，但SES最初是基于地铁通风系统设计的，活塞风采用的是列车模拟算法，公路隧道计算采用的是将车流等效成列车，计算准确性值得商榷。本文采用IDARTV软件针对地下互通运营通风方案进行分析，IDARTV软件为瑞典EQUA公司专门针对公路隧道通风进行开发的软件，针对活塞风问题采用了芬兰交通流模型进行模拟，考虑了车辆间距及道路服务水平，针对公路隧道更具有适用性。该软件内置了污染物排放计算模型，同时可对内置的污染物表进行修改已满足国内设计项目的需求，而SES无计算污染物浓度分布的模块。同时，该软件具有可视化界面，软件操作门槛大幅降低。而SES界面对工程技术人员不友好，无可视化参数输入界面，需要手动编制表格辅助软件参数设置。目前该软件在欧洲应用较多，国内目前属于应用初始阶段，目前应用项目有深圳前海城市隧道等项目。1匝道设置情况建宁西路过江通道工程为城市水下公路隧道。该通道位于长江大桥和扬子江隧道之间，距离上游扬子江隧道约1.8km，距离下游长江大桥约2.4km。一期工程全长3.4km，盾构段长度为2.3km。该通道北岸与横江大道形成互通，其中南线通过A匝道进入横江大道右行线，通过B匝道进入横江大道左行线；横江大道通过C匝道和D匝道进入建宁西路过江通道的北线，完成建宁西路过江通道与横江大道的交通疏解，匝道设置情况具体见图1。隧道拟采用的运营通风方式为：北线隧道采用全射流纵向通风+竖井高排的方式，南线隧道采用分段送排的运营通风方案；匝道均采用全射流纵向式通风方案。建宁西路主线通过设置半菱形互通接入与横江大道平交路口，实现江北核心区与江南主城区之间的4个方向交通转换。主线与匝道之间通过设置A、B、C和D匝道实现不同方向的交通转换。本隧道、匝道与横江大道连接形成复杂的地下道路网络，污染物存在串流，风量存在重新分配的情况。现结合网络通风计算进行优化设计。综合考虑南京市车辆生产情况、国家关于汽车排放标准的相关法律规定及项目通车年限，同时考虑到建宁西路过江通道属于城市隧道，故本项目汽车排放标准全部按照国Ⅳ标准执行。根据工程可行性报告中交通量预测结果，远期主线和匝道的交通量结果如表1所示。隧道内仅限客车通行，小客车和大客车的比例分别为94.4%，5.6%，匝道分流系数为40%。2实际效果综合确定通风标准在我国现行的《公路隧道通风设计细则》基础上适当提高，结合本隧道的具体条件及国内既有城市道路隧道通风的实际效果综合确定，具体采用标准如表2所示然后根据《公路隧道通风设计细则》(JTG/TD70/2-02-2014)分别计算稀释CO和烟尘的需风量，再计算换气工况所需的需风量，最终确定隧道的需风量，受制于文章篇幅，不列出计算过程。隧道内风速应满足稀释空气中异味的需风量要求，每小时换气次数为4次。隧道内养护维修时，CO和NO3idaartv软件计算针对横江大道互通多匝道且匝道为曲线型，正常运营工况下，主隧道和匝道的风量分配需考虑汽车活塞风以及对曲线段进行沿程阻力损失的折减，采用传统方法难以计算。地下互通匝道之间容易发生污染物串流，故需进行风量调配进行整体设计优化。本文采用IDARTV软件对横江大道互通进行模拟分析，考虑不同车速工况下的活塞风，针对匝道与主隧道相接段采用局部阻力系数进行折减。结合理论需风量计算结果确定需要开启的射流风机台数，从而优化通风运营方案。横江大道互通为地下互通多出入口隧道，多匝道使得隧道通风网络变得复杂。主隧道和匝道的风量分配受车辆运行和机械通风的影响，采用常规的方法对隧道实际通风量和射流风机配置方案计算并不适用。且匝道A、B是并入隧道，C、D为驶出隧道，构成了复杂地下交通网络通风模式。采用IDARTV模拟软件，对隧道在不同交通工况下的通风量进行模拟计算，得出隧道内气流分布及射流风机布置位置和开启数量。计算模型如图2和图3所示。北线高峰小时交通量为3545pcu/h，南线高峰小时交通量为2364pcu/h。3.1隧道内一公里阻滞工况北线隧道有C、D匝道分别承载来自横江大道进入建宁西路的交通车流，C匝道进入车流为693pcu/h，D匝道进入车流为311pcu/h。工况设置中参考《公路隧道通风设计细则》考虑了主线隧道内一公里阻滞情况。北线隧道风量及风机配置情况如表5所示。由表中风量分配情况可以看出，在理想交通量情况下，40km/h车速以上的情况，主线内风量均满足运营通风要求，在远期情况下，当隧道内无阻滞，可利用交通风进行通风即可满足要求。CO及烟雾浓度最大值为阻滞工况下的8.013ppm，出现在北线隧道出口处。北线隧道污染物浓度峰值及洞口排污情况如表6所示。3.2有送排情况下隧道内风力分配情况分析南线主线隧道通风设计时考虑到工作井后段需风量较大，洞口直接排污对环境影响较大，考虑采用分段送排的运营通风方案，可降低通风风速，从而降低通风能耗，同时洞口的排污对环境影响较小。下面分别针对有无送排情况下隧道内风量分配情况进行研究。南线隧道有A、B匝道分别疏解建宁西路进入横江大道的交通车流，A匝道疏解车流为254pcu/h，B匝道疏解车流为380pcu/h。由表中风量分配情况可以看出，在理想交通量情况下，40km/h车速以上的情况，主线内风量均满足运营通风要求，在远期情况下，当隧道内无阻滞，可利用交通风进行通风即可满足要求。CO浓度最大值为5.576ppm，出现在主线隧道出口处，南线隧道污染物浓度峰值及洞口排污情况（无送排）如表8所示。3.2.1无风井3.2.2送3排为最佳工况结合无风井情况下的污染物分布数据，运营工况下，对于送排风机开启情况进行组合，判断隧道洞口排污比例。下面计算风塔内开启一台排风机和送风机情况下，隧道内污染物浓度分布及洞口排污情况。CO浓度最大值为2.865ppm，出现在主线隧道出口处。竖井排污109mg/s，竖井排污比例为31.4%。通过分析研究可以得出1送3排为最佳工况，此时竖井排污比例较大，洞口排污比例小从而对环境敏感地区的影响小，此后增加通风系统总装机功率，对竖井排污比例提升有限，通风能耗较高不推荐。增加排风机提升竖井排污比例有限的原因主要是由于送风风机升压力较高，送风风机对于其上游段形成负压，有利于排风机排风；此时增加排风机只是提高排污速率，对排污比例影响较小。同时，送风风机功率过大会导致上游负压段长度大于短道长度，从而影响竖井排污效率。由表10可以看出相比于原设计情况，优化后的风机控制模式表更为精细，给出了不同车速情况下的控制参考，实际应用中可结合车速传感器降低运营能耗。A匝道原设计给出的风机开启数偏高，B匝道风机开启数没有给出，C匝道阻滞工况下风机开启数偏高，D匝道组织工况下风机开启的台数却不能满足火灾工况下的要求，故相比较原设计，本文采用网络通风算法在一定程度上给出了风机控制模式的一种更合理的设计方法。4结论和建议4.1提升市政隧道通风设计水平IDARTV软件具有交互界面友好，操作简单和计算快捷的优点，同时计算原理方面，考虑了交通风的作用，污染物浓度排放可采用PIARC的相关标准，尤其适用于计算城市水下隧道的相关工程案例，可优化隧道通风设计，节约隧道运营费用及前期通风设施投资，建议在今后的市政隧道项目中推广应用，提升市政隧道通风设计水平。1）以隧道通车年为设计基准年，采用国Ⅳ汽车排放标准进行计算可得出车辆正常运营情况下，理论上隧道内无需开启射流风机，仅靠隧道内车辆交通风即可满足隧道通风要求。匝道内射流风机主要是为满足换气要求。2）阻滞工况下，北线隧道需开启14台射流风机，南线隧道需开启14台射流风机，采用送排方案后，需开启8台射流风机。3）南线隧道采用送排方案，可根据洞口环境要求选择风机工况，模拟结果表明1送3排为最佳工况，此时竖井排污比例为65%，再增加通风系统功率对竖井排污比