張紅兵

（濟(jì)南市市政工程設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山東濟(jì)南 250101）

0 前言

國(guó)際上把21世紀(jì)作為人類開發(fā)利用地下空間的年代。地下空間為城市可持續(xù)發(fā)展和提高城市功能發(fā)揮了巨大的作用，地下車行系統(tǒng)作為城市地下空間開發(fā)利用的具體形式之一，是地面道路的延伸和補(bǔ)充，易于與地下公用停車場(chǎng)、地下街、地下儲(chǔ)蓄倉(cāng)庫(kù)、地面交通系統(tǒng)銜接。挪威、加拿大、美國(guó)等國(guó)家在城市地下空間利用領(lǐng)域已達(dá)到相當(dāng)?shù)囊?guī)模和水平，建成了許多大型的地下城市車行系統(tǒng)，如美國(guó)波士頓中央大道隧道、日本東京中央環(huán)線隧道等，這些大型城市車行系統(tǒng)在減小城市交通壓力，增強(qiáng)交通可靠度、改善交通環(huán)境方面發(fā)揮了積極的作用。近年來(lái)，我國(guó)越來(lái)越重視城市地下空間的開發(fā)利用，在北京、上海等地也有成功的案例。

地下車行系統(tǒng)提供給人們交通便利的同時(shí)，也給人們提出了許多新的問(wèn)題，如：內(nèi)部空間新風(fēng)量的不足、汽車尾氣的排放、煙霧的增加、地下氡濃度的超標(biāo)等，解決這些問(wèn)題需要采取有效的通風(fēng)方式，從而達(dá)到行車的安全性和舒適性。

1 地下車行系統(tǒng)通風(fēng)方式

按通風(fēng)動(dòng)力可分為自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)兩種方式。自然通風(fēng)比較經(jīng)濟(jì)，主要在通風(fēng)發(fā)展的初期，以及封閉段短、交通量小或頂部有開設(shè)天窗條件的系統(tǒng)中運(yùn)用。隨著汽車時(shí)代的到來(lái)，交通量日趨增大，道路不斷延伸，再加上火災(zāi)排煙的要求，依靠自然風(fēng)就難以滿足隧道各項(xiàng)指標(biāo)了，必須采用機(jī)械通風(fēng)手段。機(jī)械通風(fēng)以機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生的風(fēng)壓作為通風(fēng)換氣的動(dòng)力，控制進(jìn)、排風(fēng)量，充分發(fā)揮通風(fēng)技術(shù)的效能?？梢园凑障铝蟹椒ǔ醪脚袛嗍欠裨O(shè)置機(jī)械通風(fēng)：

雙向交通隧道，當(dāng)符合下列條件時(shí)，宜設(shè)置機(jī)械通風(fēng)：

單向交通隧道，當(dāng)符合下列條件時(shí)，宜設(shè)置機(jī)械通風(fēng)：

式中：L——車行系統(tǒng)封閉段長(zhǎng)度，m；

N——設(shè)計(jì)交通量，pcu/h。

根據(jù)風(fēng)的流動(dòng)特性，機(jī)械通風(fēng)又分為縱向通風(fēng)、半橫向通風(fēng)和全橫向通風(fēng)等形式，縱向通風(fēng)方式中又有單純射流風(fēng)機(jī)、豎井與射流風(fēng)機(jī)組合方式等，射流式縱向通風(fēng)方式見圖1所示。

圖1 縱向通風(fēng)示意圖

全橫向式、半橫向式通風(fēng)效果較好，但這兩種方式的工程投資，設(shè)備費(fèi)與運(yùn)營(yíng)管理費(fèi)均較縱向式高，汽車活塞風(fēng)也不能得到充分利用。

現(xiàn)代的縱向通風(fēng)方式自1961年采用以來(lái)，得到了大力的推廣應(yīng)用，其形式愈加多樣化，適用范圍也越來(lái)越廣。城市地下空間車行系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先采用射流式縱向通風(fēng)。這種方式有以下優(yōu)點(diǎn)：車道作為風(fēng)道，風(fēng)壓損失小，不另設(shè)風(fēng)道，土建工程量較?。辉趩蜗蛐熊囅到y(tǒng)中可有效利用行車的活塞風(fēng)作用，節(jié)約能源；使用射流風(fēng)機(jī)，價(jià)格較低，設(shè)備費(fèi)用??；可根據(jù)交通量的增長(zhǎng)情況分期安裝風(fēng)機(jī)，從而減少工程前期投入；可根據(jù)需要控制風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)，有利于降低運(yùn)營(yíng)費(fèi)用；洞內(nèi)如有火災(zāi)，著火點(diǎn)前方車輛可較快駛出隧道，由于風(fēng)力朝向前方，著火點(diǎn)后方的車輛可不受煙火的損害，處于較安全狀態(tài)。此外，射流風(fēng)機(jī)還可以逆向運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)生火災(zāi)等緊急事故時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際情況決定風(fēng)機(jī)的射流方向，排出煙霧，使人員迅速撤離。

2 地下車行系統(tǒng)通風(fēng)量計(jì)算

隧道內(nèi)汽油車行駛時(shí)，排放廢氣中主要是CO氣體。柴油車行駛時(shí)，排放出的CO氣體量極少，但卻放出大量煙霧；地下空氣中也夾雜著異味氣體。這些都影響著安全可見視距和行駛舒適度。同時(shí)考慮到防災(zāi)安全對(duì)風(fēng)速的要求，因此在進(jìn)行通風(fēng)量計(jì)算時(shí)，需要同時(shí)進(jìn)行稀釋汽油車CO濃度、柴油車煙霧濃度和異味達(dá)容許標(biāo)準(zhǔn)、火災(zāi)救援所需通風(fēng)量的計(jì)算，選擇中間較大值作為設(shè)計(jì)風(fēng)量。

2.1 按稀釋CO計(jì)算需風(fēng)量

確定需風(fēng)量時(shí)，根據(jù)《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ026.1-1999）對(duì)計(jì)算行車速度以下各工況車速按20 km／h為一檔分別進(jìn)行計(jì)算，并考慮交通阻滯狀態(tài)，取其較大者作為設(shè)計(jì)需風(fēng)量。稀釋CO的需風(fēng)量按下式計(jì)算：

2.2 按稀釋煙霧計(jì)算需風(fēng)量

2.3 按稀釋空氣中異味計(jì)算需風(fēng)量

隧道空間不間斷換氣頻率，不宜低于每小時(shí)5次；交通較小或特長(zhǎng)隧道，可采用每小時(shí)3～4次。采用縱向通風(fēng)的隧道，隧道內(nèi)換氣風(fēng)速不應(yīng)低于2.5 m/s。

2.4 按防災(zāi)救援臨界風(fēng)速計(jì)算需風(fēng)量

為確?；馂?zāi)工況下人員和車輛的安全疏散，避免煙氣產(chǎn)生回流需要確定臨界風(fēng)速。臨界風(fēng)速的定義為：當(dāng)采用縱向排煙時(shí)，控制煙霧沿隧道坡度逆向流動(dòng)的最小風(fēng)速。臨界風(fēng)速要根據(jù)火災(zāi)時(shí)可燃物質(zhì)的熱釋放率計(jì)算確定?；馂?zāi)時(shí)煙氣流向見圖2所示。

圖2 火災(zāi)時(shí)煙氣流向示意圖

當(dāng)隧道采用縱向通風(fēng)排煙時(shí)，縱向氣流的速度應(yīng)高于臨界風(fēng)速，但不應(yīng)小于2 m/s，根據(jù)美國(guó)礦務(wù)局計(jì)算公式，臨界風(fēng)速需要聯(lián)立方程組求解，可按下式計(jì)算：

式中：VC——臨界風(fēng)速，m/s；

Q——火災(zāi)規(guī)模，kW；

H——隧道最大凈空高度，m；

A——隧道橫斷面積，m2；

Kg——坡度修正系數(shù)；

i——隧道坡度，%；

Cp——空氣比熱，kJ/kg.K；

g——重力加速度，m/s2；

T——火場(chǎng)遠(yuǎn)區(qū)空氣溫度，K；

Tf——煙氣平均溫度，K；

ρ——火場(chǎng)遠(yuǎn)區(qū)空氣密度，kg/m3。

3 地下車行系統(tǒng)通風(fēng)壓力計(jì)算

隧道內(nèi)通風(fēng)風(fēng)速一般都較低，通常均不考慮空氣的壓縮性影響，通風(fēng)中涉及到的流動(dòng)，在微觀上是復(fù)雜的，但在宏觀上可視為恒定流。要達(dá)到隧道內(nèi)所需要風(fēng)量，隧道內(nèi)必須維持一定的壓力才能克服相應(yīng)風(fēng)量下的壓力損失。對(duì)于全射流縱向通風(fēng)系統(tǒng)而言，隧道內(nèi)的升壓主要由交通風(fēng)升壓力和射流風(fēng)機(jī)升壓力來(lái)提供，隧道內(nèi)的壓力損失或者說(shuō)阻力主要有自然風(fēng)阻力和通風(fēng)阻抗力，根據(jù)《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ026.1-1999）隧道內(nèi)的壓力平衡應(yīng)滿足下式：

式中：ΔPm——自然風(fēng)阻力，Pa；

ΔPr——通風(fēng)阻抗力，Pa；

ΔPt——交通通風(fēng)力又稱為活塞力，Pa；

ΣΔPj——射流風(fēng)機(jī)升壓力，Pa。

射流通風(fēng)是在隧道中將多組風(fēng)機(jī)按照一定間距串聯(lián)，利用射流的誘導(dǎo)效應(yīng)和增壓效應(yīng)，在隧道中形成空氣的縱向流動(dòng)，滿足隧道通風(fēng)的需要。射流通風(fēng)系統(tǒng)中每一組風(fēng)機(jī)射流作用的單元流動(dòng)模型如圖3所示。

射流風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的升壓力與風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，以及風(fēng)機(jī)風(fēng)流與隧道內(nèi)風(fēng)流的相對(duì)速度有關(guān)，可按下式計(jì)算：

圖3 射流通風(fēng)系統(tǒng)的單元流動(dòng)模式示意圖

在隧道縱向通風(fēng)設(shè)計(jì)中，通常是按照上述步驟計(jì)算，最終通過(guò)計(jì)算不同型號(hào)的射流風(fēng)機(jī)的升壓力，選取不同型號(hào)風(fēng)機(jī)所需臺(tái)數(shù)、布置間距等。

4 地下車行系統(tǒng)通風(fēng)計(jì)算實(shí)例

4.1 計(jì)算條件

封閉段長(zhǎng)度：1 525 m；

隧道斷面積：89.3 m2；

行車方式：?jiǎn)蜗蛐熊嚕?/p>

當(dāng)量直徑：9.6 m；

設(shè)計(jì)交通量：4 200 pcu/h；

大型車混入率：2%；

行車速度：10 km/h；

隧道需風(fēng)量：267.9 m3/s。

4.2 所需升壓力

4.3 射流風(fēng)機(jī)選型及臺(tái)數(shù)

風(fēng)機(jī)選用高性能的可逆射流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)性能參數(shù)如下：葉輪直徑1250 mm、軸向推力不小于1143 N、出口風(fēng)速不小于29.4 m/s、流量不小于36 m3/s、每臺(tái)電機(jī)功率為30 kW；則每臺(tái)的升壓力為：

4.4 風(fēng)機(jī)布置

經(jīng)過(guò)上述計(jì)算，確定左、右線需開啟風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)各為6臺(tái)，實(shí)際配置風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)時(shí)考慮一組備用（每2臺(tái)一組），即該項(xiàng)設(shè)計(jì)安裝風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)為左、右線各8臺(tái)，均為4組。風(fēng)機(jī)考慮進(jìn)出口集中布置。風(fēng)機(jī)在進(jìn)出口各布置兩組，第一組距洞口200 m，第二組距第一組200 m，在出口布置時(shí)同進(jìn)口布置相對(duì)稱。安裝時(shí)風(fēng)機(jī)的任何部分不得侵入建筑限界內(nèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

城市地下空間車行系統(tǒng)，有其通風(fēng)設(shè)計(jì)的特殊性，通風(fēng)方式的選擇需要綜合考慮車行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式及所處地理?xiàng)l件。在進(jìn)行縱向通風(fēng)需風(fēng)量計(jì)算時(shí)，臨界風(fēng)速需要進(jìn)行坡度修正。射流通風(fēng)單元流動(dòng)模型，為射流風(fēng)機(jī)的組合設(shè)計(jì)提供幫助，車行系統(tǒng)通風(fēng)實(shí)例計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)行射流風(fēng)機(jī)的選型及配置數(shù)量，為同類型工程通風(fēng)計(jì)算提供參考。

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