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淺談交通工程隧道通風(fēng)系統(tǒng)選用
摘要:近年來(lái),隨著交通系統(tǒng)的飛速發(fā)展,為了更多的行車便利隧道的使用也日益普及,為了確保行車的安全,隧道的通風(fēng)系統(tǒng)也變得至關(guān)重要.本文從交通量、隧道長(zhǎng)度并結(jié)合地形、隧道周圍環(huán)境一系列條件來(lái)選用各種合適的通風(fēng)系統(tǒng), 以使隧道內(nèi)有害氣體濃度及可見(jiàn)度達(dá)到要求.使行車安全得到保障.
關(guān)鍵詞:交通工程;隧道通風(fēng);系統(tǒng)選擇
1前言
公路隧道內(nèi)對(duì)人體有害的氣體，來(lái)自汽車排出的廢氣，其主要成份有:一氧化碳、氮氧化合物、碳?xì)浠衔�、醛類、有機(jī)化合物等，其中一氧化碳危害最大。因此，一氧化碳做為有害物的主要指標(biāo)。此外，由于車輛產(chǎn)生的煙霧及汽車行駛揚(yáng)起的灰塵，造成隧道內(nèi)可見(jiàn)度降低。隧道通風(fēng)的目的，就是用新鮮空氣來(lái)稀釋隧道內(nèi)汽車排出的廢氣，降低有害物質(zhì)的濃度，并達(dá)到所要求的可見(jiàn)度，從而保證人體健康和車輛行駛安全。隧道通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)結(jié)合交通量、隧道長(zhǎng)度、氣象、地形、環(huán)境等因素，同時(shí)兼顧供電照明、通信監(jiān)控、事故、火災(zāi)、工程造價(jià)和維修保養(yǎng)費(fèi)用綜合考慮。
2容許濃度與可見(jiàn)度
2.1有害氣體的計(jì)算
根據(jù)上海有關(guān)部門的研究，一氧化碳產(chǎn)生量的計(jì)算公式為:
式中:
A-----汽油含碳量(重量比)，一般取A=0.855;
E—汽車每公里耗油量((kg/km) ;
Vo一一廢氣中一氧化碳所占的體積百分?jǐn)?shù);
Vco;一廢氣中二氧化碳所占的體積百分?jǐn)?shù);
Pco一一輛汽車行駛1 km的一氧化碳產(chǎn)生量(耐m3/輛.km).
日本用Pco=0.315f(L/輛·km)計(jì)算一氧化碳產(chǎn)生量，可作參考。該式中Pco為一輛汽車行駛1 km產(chǎn)生一氧化碳的平均值;f為燃料消耗率，f=0.105L/輛·km。此外，汽車一氧化碳產(chǎn)生量還與發(fā)動(dòng)機(jī)的類型、汽車保養(yǎng)程度、車速、道路狀況、坡度和駕駛技術(shù)等有關(guān)，如根據(jù)國(guó)際道路會(huì)議常設(shè)協(xié)會(huì)(PLARC)資料，坡度為5%時(shí)，一氧化碳排放量增加5%,一氧化氮排放量增加84%，煙霧排放量(車速為30km/h)增加160%.
2.2容許濃度與可見(jiàn)度要求
2.2.1隧道內(nèi)一氧化碳(CO)容許濃度
(1)隧道內(nèi)工作人員長(zhǎng)期停留的工作間、休息室和控制室等為24ppm.
(2)正常營(yíng)運(yùn)時(shí)為150ppm..
(3)發(fā)生事故時(shí)，短時(shí)間(15min)以內(nèi)為250ppm.
2.2.2隧道內(nèi)煙塵容許濃度
(1)高速公路，一、二級(jí)公路隧道為75%.
(2)三、四級(jí)公路隧道為90%.
2.2.3可見(jiàn)度要求
在路面平均照度30勒克斯情況下，光透過(guò)率:=65%，即隧道內(nèi)稍有薄霧，視力1.5者在75m距離內(nèi)看車和人清楚，視力0.7者在50m距離內(nèi)看車清楚，隧道內(nèi)有舒適感。
日本規(guī)定:在平坦的隧道內(nèi)，車速為40一60km/h，正常情況下，一氧化碳及塵煙濃度標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1.
歐洲和美國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)是l00ppm,在第13屆國(guó)際道路會(huì)議上，曾建議在正常交通狀態(tài)下，一氧化碳濃度為70一100ppm,當(dāng)發(fā)生交通阻塞時(shí)，在 15min內(nèi)允許達(dá)到250ppm�？梢�(jiàn)，我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)有點(diǎn)偏低，隨著高等級(jí)公路隧道的發(fā)展及交通量的增加，建議一氧化碳容許濃度不超過(guò)l00ppm為宜。
3通風(fēng)量和風(fēng)壓
隧道內(nèi)所需通風(fēng)量，應(yīng)根據(jù)稀釋隧道內(nèi)空氣中的有害物濃度達(dá)到允許濃度時(shí)所需的新鮮空氣量來(lái)確定。對(duì)于一氧化碳和塵煙，以稀釋二者達(dá)到容許濃度所需的通風(fēng)量，取其大者為設(shè)計(jì)通風(fēng)量。
隧道內(nèi)稀釋一氧化碳所需的新鮮空氣量可按下式計(jì)算:
可參閱<<公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范>>.
日本采用的計(jì)算方法是,在平坦隧道,行車速度為40~60km/h時(shí):
4通風(fēng)方式的選擇
目前各國(guó)公路隧道通風(fēng)方式的選擇，主要根據(jù)隧道長(zhǎng)度和交通量大小來(lái)確定。一般隧道長(zhǎng)度在200m以下甚至200~300m時(shí)，在一定的交通量以下，可采用自然通風(fēng)。當(dāng)LN>600時(shí)，采用機(jī)械通風(fēng)，式中L為隧道長(zhǎng)度(km), N為隧道高峰小時(shí)交通量(輛/h).
根據(jù)空氣在車道空間流動(dòng)的方向，機(jī)械通風(fēng)的方式可分為:縱向通風(fēng)、橫向通風(fēng)、半橫向流人通風(fēng)和半橫向流出通風(fēng)。
4.1縱向通風(fēng)
縱向通風(fēng)系統(tǒng)即利用隧道作通風(fēng)道，一端送風(fēng)，另一端排風(fēng)，或兩端進(jìn)風(fēng)，中間豎井排風(fēng)。由熱壓、風(fēng)壓和洞門附近的大氣壓產(chǎn)生的局部壓力差稱為自然壓力差，以Pe表示，自然壓力差對(duì)縱向通風(fēng)系統(tǒng)影響最大，可能嚴(yán)重阻礙氣流，甚至?xí)箽饬鞯沽鳌Ｒ虼�，縱向通風(fēng)系統(tǒng)必須安裝自動(dòng)操縱換向裝置。通過(guò)豎井進(jìn)出風(fēng)的縱向通風(fēng)系統(tǒng)，在有壓力差的情況下，不能全靠提高通風(fēng)機(jī)壓力或使氣流換向，必須增加空氣總用量L。對(duì)通風(fēng)機(jī)從隧道較長(zhǎng)支路一側(cè)產(chǎn)生的氣流來(lái)說(shuō)，如圖2，自然壓力差Pe的反作用將是不利的。這條長(zhǎng)度為lt的支路，其阻力與Pe之和將等于長(zhǎng)度為12的另一條支路的阻力:
Pe+kl1L21=kl2(L-L1)2
式中:
k-單位長(zhǎng)度隧道氣動(dòng)阻力系數(shù);
L1支路l1稀釋有害物質(zhì)所需用的空氣量.
L1=(ql1)/Cm
式中q-單位長(zhǎng)度隧道內(nèi)有害物質(zhì)的排放強(qiáng)度(假定有害物質(zhì)排放均勻分布,下同)
Cm—隧道空氣中有害氣體的容許濃度。
由此得:
沿較長(zhǎng)支路I，有害氣體的濃度:
Cx=qx/L1
沿較短支路12,有害氣體的濃度:
上述兩式中x的值從豎井與隧道的交點(diǎn)起向右或向左計(jì)算.
4.2橫向通風(fēng)
橫向通風(fēng)是沿隧道均勻地抽出和輸入等量空氣，在整個(gè)隧道上不會(huì)產(chǎn)生壓力差.因此，自然壓力差附加到橫向壓力上并不會(huì)影響空氣的軸向?qū)α�，也就不�?huì)降低通風(fēng)效果.
設(shè)汽車排出的廢氣為q并均勻地分布在隧道全長(zhǎng)上，則橫斷面x和(x+△x)之間有害物質(zhì)的平衡方程式為:
Cx Le + q·△x=(Cx+△C)·Le+ (Cx + △C)Lb △x
式中:
Le—在自然壓力差作用下進(jìn)人隧道的軸向氣流;
△C—△x區(qū)段上有害物質(zhì)濃度的增值;
Lh—無(wú)風(fēng)時(shí)通風(fēng)系統(tǒng)產(chǎn)生的隧道單位長(zhǎng)度的橫向氣流.
微分方程為:
由此得出:
由上式可以得出如下結(jié)論:吹入的軸向氣流Le越強(qiáng)，有害物質(zhì)的濃度就越低;無(wú)論在
隧道的哪一段，有害物質(zhì)都不會(huì)超過(guò)q/Lb值，即不會(huì)超過(guò)無(wú)風(fēng)時(shí)的濃度.
4.3半橫向通風(fēng)
半橫向流人通風(fēng)的傳統(tǒng)方案如圖4所示.風(fēng)從與隧道平行的平洞或?qū)ｉT的風(fēng)道進(jìn)人洞內(nèi)，并沿隧道長(zhǎng)度均勻供風(fēng)，空氣在洞內(nèi)的剩余壓力作用下經(jīng)洞門排出.因此，采用半橫向通風(fēng)時(shí)，隧道內(nèi)產(chǎn)生軸向氣體氣流，并受到自然壓力差的形響.排出的有害氣體如為均勻分布，則其濃度沿隧道長(zhǎng)度不變，這時(shí)，空氣總用量可按下面的公式計(jì)算:
式中:
l-隧道長(zhǎng)度.
自然壓力差的作用，破壞了氣流的對(duì)稱性.最不利的自然壓力差值是這樣的:在其作用下空氣既不能從隧道的一個(gè)洞門排出，又不能流人隧道。這時(shí)，洞內(nèi)最大的剩余靜壓力為Ht= pe，該壓力值定義為整個(gè)隧道的氣動(dòng)全阻力，注意到Lx=L x/1，則得:
如無(wú)自然壓力差，就應(yīng)沿隧道長(zhǎng)度的一半求積分，得:
由此可見(jiàn)，在選擇通風(fēng)機(jī)時(shí)，半橫向通風(fēng)系統(tǒng)的自然壓力差可按隧道氣動(dòng)阻力增大8倍的方法進(jìn)行計(jì)算.也就是說(shuō)，無(wú)論自然壓力差值多大，為了保證所需的通風(fēng)效果，通風(fēng)機(jī)的壓力系數(shù)為10%-15%實(shí)際上就足夠了.
半橫向流出通風(fēng)僅能作為一種應(yīng)急通風(fēng)系統(tǒng)，在發(fā)生火災(zāi)或其他危急情況時(shí)，將半橫向流人通風(fēng)系統(tǒng)反向，關(guān)閉一部分進(jìn)風(fēng)管道，便得到半橫向流出通風(fēng)系統(tǒng).在正常情況下，不使用這種通風(fēng)系統(tǒng).
4.4各通風(fēng)系統(tǒng)比較
4.4.1縱向通風(fēng)系統(tǒng)
(1)能充分發(fā)揮汽車活塞風(fēng)作用，所需通風(fēng)量較小;
(2)無(wú)需額外通風(fēng)渠道，隧道斷面小，工程費(fèi)用低，因而比較經(jīng)濟(jì);
(3)靠近送風(fēng)口空氣新鮮，隨著空氣流動(dòng)，距離送風(fēng)口越遠(yuǎn)，空氣越不新鮮，污染也就越嚴(yán)重，如果要求一氧化碳達(dá)到允許濃度，通風(fēng)量必然要加大，新鮮空氣沒(méi)有得到充分利用;
(4)以隧道作通同道(規(guī)定氣流速度l0m/s)，汽車司機(jī)有不適之感;
(5)由于存在煙囪效應(yīng)，對(duì)控制火災(zāi)不利，往往需要避車洞.
4.4.2全橫向通風(fēng)系統(tǒng)
(1)隧道全長(zhǎng)空氣污染程度均勻，新鮮空氣得到充分利用;
(2)隧道縱向無(wú)氣流動(dòng)，駕駛?cè)藛T無(wú)不舒適感，同時(shí)有利于防火;
(3)隧道長(zhǎng)度不受限制;
(4)投資及運(yùn)行費(fèi)用高。
4.4.3半橫向通風(fēng)系統(tǒng)
(1)由于沒(méi)有專門的排風(fēng)道，比全橫向系統(tǒng)節(jié)省了投資;
(2)利用車道排風(fēng)，減少了排風(fēng)系統(tǒng)阻力，可降低排風(fēng)機(jī)電機(jī)容量;
(3)氣流在隧道內(nèi)呈部分流動(dòng)，對(duì)防火不利。
對(duì)通風(fēng)方式的選定，除應(yīng)考慮隧道長(zhǎng)度和交通條件外，還須結(jié)合地形、周圍環(huán)境以及交通停滯或火災(zāi)等非常情況的適應(yīng)性和隧道工程費(fèi)和維修保養(yǎng)費(fèi)等因素做比較后決定。
5隧道通風(fēng)方式的發(fā)展趨勢(shì)
公路隧道的各種通風(fēng)方式，對(duì)一般隧道傳統(tǒng)適用長(zhǎng)度界限如下:縱流式通風(fēng)約2000m以下;半橫流式通風(fēng)約3000m以下;橫流式通風(fēng)約2000m以上。由于縱向通風(fēng)顯著的經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性，近年來(lái)在國(guó)際上得到日益廣泛的采用，隨著射流通風(fēng)技術(shù)的日臻完善，在2km以上的公路隧道中采用縱向通風(fēng)已日益增多，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，歐美和日本已有39座2km以上的長(zhǎng)隧道采用了射流縱向通風(fēng)方式。日本第二新神戶隧道，全長(zhǎng)7175m,采用單井吸出式射流縱向通風(fēng)，配以良好的消音、除塵裝置及監(jiān)控、消防、照明系統(tǒng)，完全達(dá)到橫向通風(fēng)的使用要求和安全環(huán)保要求。我國(guó)成渝高速公路上的中梁山隧道(左3165m，右3103m), 絡(luò)云山隧道(左2528m,右2478m)打破2km限界，大膽變更半橫向通風(fēng)為射流式縱向通風(fēng)，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益;在技術(shù)上也受到國(guó)內(nèi)外專家的充分肯定。在目前國(guó)家財(cái)力有限的情況下，中長(zhǎng)距離隧道應(yīng)積極推廣射流式縱向通風(fēng)方式。
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