王 影 馮 煉

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城市特長水下公路隧道頂部開口結(jié)合全射流方案研究

王 影 馮 煉

（西南交通大學機械工程學院 成都 610031）

參考武漢某隧道建立了城市特長水下公路隧道一維通風模型，研究了頂部開口結(jié)合全射流方案的通風效果，并分析了隧道參數(shù)對通風效果的影響。結(jié)果表明：在初始條件下，頂部開口結(jié)合全射流方案不能滿足原隧道的通風要求；當移動頂部開口段位置至距隧道入口約600m～4500m處、更改風口前隧道長度至≤4500m左右或增大隧道斷面積至>81m2左右時，才能滿足通風要求。

城市特長水下公路隧道；頂部開口；全射流；通風效果；隧道參數(shù)

0 引言

為緩解河流周邊地區(qū)生態(tài)環(huán)境、交通壓力，城市水下公路隧道的研究與建設成為城市軌道交通的熱點[1,2]，且建設長度日益增加，出現(xiàn)了越來越多的城市特長水下公路隧道。由于該類型隧道長度較長、車流量大，又封閉于水下，導致隧道內(nèi)排污困難；另外，隧道周邊環(huán)境保護要求高[3]，污染物排出隧道后對洞外環(huán)境造成影響。因此在通風方案研究時，需同時滿足隧道內(nèi)、外的環(huán)境要求。全射流方案具有無需通風道和風機房、土建費用低等優(yōu)點，但僅采用全射流方案，污染物全部從隧道洞口排出，對洞外周邊環(huán)境造成嚴重污染；隧道頂部開設自然通風口可分散洞外環(huán)境污染[4]，但適用長度較短。將二者結(jié)合能使隧道通風更加理想化。

Jin Sike[5]搭建實驗分析了不同頂部開口布置方式下城市隧道的氣流速度，得出在恒定的車流量下，頂部開口提供了顯著的通風量，并且在不同位置的開口呈現(xiàn)不同的通風能力。胡春艷[6]計算了開口不同布置方式下城市短隧道內(nèi)CO的分流率及濃度分布情況，得到頂部開口自然通風可以降低隧道出口處濃度，減少隧道出口的污染物排放量。

目前國內(nèi)外對于頂部開口結(jié)合全射流方案的研究及經(jīng)驗較少，因此本文研究頂部開口結(jié)合全射流方案對城市特長水下公路隧道的通風效果。

1 計算模型的建立

參考武漢某隧道，建立城市特長水下公路隧道通風一維數(shù)值模型，隧道全長6522m，斷面積為72m2，單向三車道。根據(jù)初始設計條件，隧道出口附近1130m開設七組共34個頂部自然通風口，每組由3-6個風口組成[7]，單個風口尺寸為7.85m寬×4m長。隧道頂部自然通風口布置示意圖如下圖1所示，將隧道入口算作起點，至各個通風口的中心位置，直至隧道出口，將隧道看成由35段組成。

圖1 隧道頂部自然通風口布置示意圖(單位:m）

射流風機全部選用SDS(R)-11.2型號可逆式風機，兩組射流風機的最小縱向間距為150m，因此風口后隧道內(nèi)可布置的射流風機數(shù)量非常有限[8]。

2 計算結(jié)果及分析

2.1 射流風機未開啟時通風效果分析

針對原始隧道模型，射流風機未開啟時各車速下隧道內(nèi)CO最高濃度如圖2所示。

從圖2可知，車速60km/h工況下隧道內(nèi)CO濃度能夠達標；車速40km/h和20km/h工況下隧道內(nèi)CO最高濃度遠超標準值。因此射流風機未開啟時不能滿足原隧道的通風要求。

圖2 隧道內(nèi)CO最高濃度

2.2 射流風機開啟時通風效果分析

2.2.1 風量與濃度分布規(guī)律

本節(jié)以風口后、前分別開啟12臺、60臺射流風機為例，分析不同車速下通風口風量、隧道風量和隧道內(nèi)CO濃度分布規(guī)律如下圖3、4、5所示。

從圖3、4、5看出，風口前射流風機的推力作用使得風口段前端風口的排風量增加，風口后射流風機的拉力作用使得風口段后端風口的進風量增加；由于風口前射流風機數(shù)量較多，使得隧道最高風量出現(xiàn)在風口前隧道段，隧道中間段風量恢復周期性的大小波動現(xiàn)象，不受射流風機影響；隧道內(nèi)CO最高濃度出現(xiàn)在自然通風口段前端，距離隧道入口5400m的位置，射流風機作用使得隧道內(nèi)CO最高濃度遠低于未開啟射流風機工況。

圖3 各個通風口風量

圖4 隧道各段風量

圖5 隧道內(nèi)CO濃度分布

2.2.2 不同射流風機數(shù)量下通風效果

上文得出車速60km/h時無需開啟射流風機即可滿足通風要求。本節(jié)分析車速40km/h和20km/h時，風口后分別開啟0臺、2臺、4臺、8臺、12臺射流風機時，達標所需風口前射流風機數(shù)量及達標時隧道內(nèi)CO最高濃度、最高風速，如表1所示。

表1 不同射流風機數(shù)量下計算結(jié)果

從表1看出，車速40km/h工況下，風口段后分別開啟0臺、2臺、4臺、8臺、12臺射流風機時，達標所需的風口前射流風機數(shù)量相同，均為78臺，隧道最高風速均≤10m/s?？梢?，當風口后開啟0臺射流風機時達標所需的射流風機總數(shù)量最少，為78臺。因此，車速40km/h工況下，只需在自然通風口段前開啟78臺射流風機，頂部開口結(jié)合全射流方案便能夠滿足原隧道的通風要求。

車速20km/h工況下，風口后開啟0臺射流風機時，達標所需的風口前射流風機數(shù)量為152臺；風口后分別開啟2臺、4臺、8臺、12臺射流風機時，達標所需的風口前射流風機數(shù)量均為134臺?？梢姡L口段后射流風機數(shù)量為2臺時，達標所需的射流風機總數(shù)量最少，隧道最高風速最小，但超過了10m/s。因此，車速20km/h工況下，頂部開口結(jié)合全射流方案不能滿足原隧道的通風要求。

綜上得出結(jié)論，在目前設計條件下，頂部開口結(jié)合全射流方案不能滿足原隧道的通風要求。

2.3 通風效果影響因素分析

2.3.1 頂部開口段位置對通風效果影響

當頂部開口段位置改變時，隧道內(nèi)氣流組織發(fā)生變化，風口前后射流風機數(shù)量的布置方案改變，導致達標所需的射流風機數(shù)量和達標時最高風速不同。本節(jié)分析頂部開口段距隧道入口362m、1000m、2000m、3000m、4000m、5030m時，不同方案下達標時隧道最高風速的最小值，如圖6所示。

圖6 不同位置下達標時隧道最高風速

從圖6發(fā)現(xiàn)，頂部開口段距隧道入口600m～4500m時，達標時隧道最高風速≤10m/s；頂部開口段距隧道入口3000m時，達標所對應的隧道最高風速值最小。因此，滿足隧道通風要求的頂部開口段位置為：距隧道入口600m～4500m；頂部開口段的最佳位置為：距隧道入口3000m。

2.3.2 隧道長度對通風效果的影響

當風口后隧道長度保持362m不變時，僅改變風口前的隧道長度，取3000m、3500m、4000m、4500m、5030m，分析風口前隧道長度對通風效果的影響。圖7為風口前不同隧道長度下，CO濃度達標時隧道最高風速的最小值。

圖7 達標時隧道最高風速

從圖7看出，風口前隧道長度越長，達標時隧道最高風速越大。當風口后隧道長度不變時，風口段前隧道長度需小于4500m左右，達標時隧道最高風速≤10m/s，頂部開口結(jié)合全射流方案能夠滿足隧道通風要求。

下文通過改變風口后隧道長度，得到能夠滿足隧道通風要求的風口前隧道長度。風口后隧道長度分別為100m、362m、700m、1000m、2000m、3000m時，能夠滿足隧道通風要求的風口前最大隧道長度如下表2所示。

表2 風口后不同隧道長度下通風效果

從表2可知，當風口后隧道長度在一定范圍內(nèi)變化時，對隧道通風效果沒有影響，風口前隧道長度均需≤4500m即可滿足隧道通風要求。因此在目前頂部開口參數(shù)下，只需更改隧道長度保證風口前隧道長度≤4500m即可滿足隧道通風要求。

2.3.3 隧道斷面積對通風效果影響

汽車對隧道的阻塞比越大，活塞風速越大[9]。隧道斷面積改變時，阻塞比改變，導致活塞風速及隧道風量改變，從而影響達標所需射流風機數(shù)量和達標時隧道最高風速。取隧道斷面積在69～87m2之間變化，間隔3m2取值，分析不同隧道斷面積下，達標時隧道最高風速的最小值，如圖8所示。

圖8 隧道最高風速

從圖8中看出，由于隧道斷面積越大導致隧道風量越大，因此CO濃度達標時的隧道最高風速值越小。當隧道斷面積＞81m2左右時，達標所對應的隧道最高風速≤10m/s，頂部開口結(jié)合全射流方案能夠滿足隧道通風要求。

3 結(jié)論

本文研究了頂部開口結(jié)合全射流縱向通風方案對城市特長水下公路隧道的通風效果，并分析了不同隧道參數(shù)對通風效果的影響，得出以下結(jié)論：

（1）針對原始隧道模型，未開啟射流風機時無法滿足原隧道的通風要求；開啟射流風機時，在初始設計條件下，頂部開口結(jié)合全射流方案也不能滿足原隧道的通風要求；

（2）通過改變隧道參數(shù)，當移動頂部開口段位置至距隧道入口約600m～4500m處、更改開口前隧道長度至≤4500m左右或增大隧道斷面積至＞81m2左右時，頂部開口結(jié)合全射流方案才能滿足隧道的通風要求。

[1] 鄧欣.水下特長公路隧道通風技術研究[D].重慶:重慶交通大學,2012.

[2] 佚名.中國代表性跨海海底隧道工程[J].科技導報,2016(21):F0003.

[3] 呂錦剛,蔣樂,周俊.風景區(qū)特長湖底城市隧道特點與關鍵技術創(chuàng)新[J].城市道橋與防洪,2014(3):22-24.

[4] Huo Z, Long E, Wang J. Influence of Urban Highway Tunnel Upper Vents Groups Number on Natural Ventilation Efficiency[J]. Lecture Notes in Electrical Engineering, 2014,263:357-363.

[5] Jin S, Jin J, Gong Y. Natural ventilation of urban shallowly-buried road tunnels with roof openings[J]. Tunnelling & Underground Space Technology, 2017,63:217-227.

[6] 胡春艷.市政公路隧道頂部開孔自然通風研究[J].成都:西南交通大學,2007.

[7] 郭清超,閆治國,朱合華.城市隧道頂部開口型自然通風研究現(xiàn)狀綜述[C].運營安全與節(jié)能環(huán)保的隧道及地下空間暨交通基礎設施建設學術研討會,2013.

[8] JTJ 026.1—1999,公路隧道通風照明設計規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2000.

[9] 金學易,陳文英.隧道通風及隧道空氣動力學[M].北京:中國鐵道出版社,1983.

Research on Top Opening Combined with Full Jet Scheme of Urban Special Long Underwater Road Tunnel

Wang Ying Feng Lian

( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

Referring to a tunnel in Wuhan, a one-dimensional ventilation model for urban special long underwater road tunnel is established. The ventilation effect of the top opening combined with the full jet scheme is studied, and the influence of tunnel parameters on the ventilation effect is also analyzed. The results show that the top opening combined with the full jet scheme can not meet the ventilation requirements of the original tunnel under the initial conditions; and the ventilation requirements can be met when the top opening section is moving to about 600m-4500m from the tunnel entrance, the length of tunnel before the opening is changed to less than 4500m or the broken area of the tunnel is increased to more than 81m2.

urban special long underwater road tunnel; top openings; full jet; ventilation effect; tunnel parameters

U453.5

A

1671-6612（2019）02-108-04

王 影（1992-），女，在讀碩士研究生，E-mail：1173411263@qq.com

馮 煉（1964-），女，博士，教授，E-mail：lancyfeng90@163.com

2018-04-28