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        分叉式公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)實(shí)例及問題研究

        2020-08-29 01:43:04林欣欣
        關(guān)鍵詞:風(fēng)速設(shè)計(jì)

        林欣欣

        北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司

        0 引言

        隨著我國城市化建設(shè)的不斷推進(jìn),整個(gè)國家公路網(wǎng)在逐步完善升級(jí),公路隧道的建設(shè)速度越來越快,公路隧道已經(jīng)從單管隧道發(fā)展為有多出入口的分叉隧道,隧道出入口滿足不同區(qū)域的車流量要求,分叉隧道的出現(xiàn)對(duì)隧道通風(fēng)系統(tǒng)提出了新的要求,通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要滿足各區(qū)間新風(fēng)量的需求同時(shí)又要保證火災(zāi)情況下排煙的要求,本文以東部過境高速公路蓮塘隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為實(shí)例,對(duì)分叉隧道設(shè)計(jì)中遇見的問題進(jìn)行深入探討。

        1 工程概況

        東部過境高速公路位于深圳市羅湖區(qū),龍崗區(qū)及坪山新區(qū)內(nèi),路線基本為西南—東北走向,路線全長(zhǎng)32.5 公里,公路等級(jí)為高速公路。東部過境高速公路中最長(zhǎng)隧道為蓮塘隧道,包括市政西北、市政東南、市政段、蓮塘主線、口岸線五部分,北線隧道最長(zhǎng)4375 m,南線隧道最長(zhǎng)4463 m,主線設(shè)計(jì)時(shí)速60 km/h,雙洞單向行車,除口岸段為雙向四車道、六車道外,其余隧道均為雙向八車道。隧道設(shè)計(jì)縱坡:-3.0%≤i<2.80%。各段隧道長(zhǎng)度詳見圖1。

        圖1 蓮塘隧道概況圖

        2 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2.1 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

        隧道通風(fēng)主要滿足以下要求:稀釋隧道內(nèi)車輛行駛排出的廢氣(如CO 氣體和影響能見度的煙塵)。稀釋隧道中的異味,保證合理的隧道衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)?;馂?zāi)事故中,隧道通風(fēng)系統(tǒng)可排出火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧,并防止火災(zāi)產(chǎn)生熱量的擴(kuò)散,提供一定數(shù)量的新風(fēng),保證人員的疏散和消防撲救。控制排放和噪聲,滿足環(huán)保要求。本項(xiàng)目采用縱向通風(fēng)+豎井排煙方式。

        2.2 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

        各設(shè)計(jì)參數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[1-2]確定:

        1)一氧化碳(CO)允許濃度

        正常營運(yùn)時(shí):采用縱向通風(fēng)方式,蓮塘隧道一氧化碳(CO)允許濃度取100 cm3/m3。

        交通阻滯時(shí):短時(shí)間(20 min)以內(nèi)為150 cm3/m3,計(jì)算長(zhǎng)度1km。

        2)煙塵允許濃度

        隧道內(nèi)采用LED 燈光源,煙塵設(shè)計(jì)濃度具體如表1 所示:

        表1 煙塵設(shè)計(jì)濃度

        3)隧道內(nèi)縱向風(fēng)速:<10 m/s。

        4)隧道換氣次數(shù):n≥3 次/h。

        5)隧道內(nèi)換氣風(fēng)速:v≥1.5 m/s。

        6)自然風(fēng)速(設(shè)計(jì)取值):vn=±2.5 m/s。

        7)火災(zāi)工況設(shè)計(jì)控制風(fēng)速

        蓮塘主線及口岸段為3 m/s,市政西北及東南為3.5 m/s。

        式中,Φ(t)為沖擊波波陣面在拉格朗日坐標(biāo)系下的位置。結(jié)合初始條件v(0) = V0,式(8)可以給出:

        8)車輛火災(zāi)熱釋放功率按20 MW 計(jì)算。

        2.3 需風(fēng)量計(jì)算

        設(shè)計(jì)需風(fēng)量取各車速工況稀釋一氧化碳(CO)和煙塵(VI),除異味(換氣),火災(zāi)通風(fēng)需風(fēng)量中的最大值。針對(duì)分叉隧道合流、分流處,設(shè)計(jì)按照假定風(fēng)壓恒定原則,隧道分叉口風(fēng)量分配與各洞口斷面積成正比,并且結(jié)合通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)法核算,最終得出各段風(fēng)量。如圖2、3 所示:

        圖2 北線隧道需風(fēng)量(m3/s)

        圖3 南線隧道需風(fēng)量(m3/s)

        2.4 設(shè)備選型

        結(jié)合隧道凈空斷面尺寸,按盡量選擇推力效率高、制造技術(shù)成熟風(fēng)機(jī)的原則,射流風(fēng)機(jī)升壓力按照《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70/2-02-2014)進(jìn)行計(jì)算,因此本設(shè)計(jì)選用100# 雙向射流風(fēng)機(jī),單臺(tái)功率30 kW,射流風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速26.3 m/s,推力1057N,各段設(shè)備臺(tái)數(shù)見圖4 及表2。

        圖4 隧道分區(qū)域網(wǎng)絡(luò)圖

        表2 射流風(fēng)機(jī)配置表

        2.5 系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)計(jì)

        隧道通風(fēng)控制按一氧化碳濃度、煙霧濃度指標(biāo),分近、遠(yuǎn)期,正常工況,交通阻塞及火災(zāi)幾種工況。

        車輛按較高速度正常行駛,車輛帶進(jìn)隧道的新鮮空氣滿足隧道內(nèi)換氣要求,所以隧道換氣不作為風(fēng)機(jī)控制因素。

        1)正常工況:經(jīng)計(jì)算,隧道內(nèi)車輛保持40 km/h 以上工況車速行駛時(shí),隧道交通通風(fēng)力可以滿足隧道設(shè)計(jì)環(huán)境要求,所有射流風(fēng)機(jī)皆無需開啟。

        2)阻滯工況:該工況下,交通通風(fēng)力幾乎接近于零,開啟全部射流風(fēng)機(jī)以保持隧道設(shè)計(jì)環(huán)境衛(wèi)生條件。當(dāng)阻滯時(shí)間超過20 min 時(shí),應(yīng)暫時(shí)關(guān)閉隧道入口,限制車輛進(jìn)入隧道。

        3)火災(zāi)工況:對(duì)于大型立交隧道,火災(zāi)工況通風(fēng)工況復(fù)雜,作為關(guān)鍵的問題在第三節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)分析研究。

        3 關(guān)鍵問題研究

        3.1 排煙控制風(fēng)速研究

        圖5 蓮塘隧道主線火災(zāi)臨界風(fēng)速模型

        圖6 北線分叉口控制風(fēng)速模型

        1)由于斷面和坡率的不同,互通立交不同位置發(fā)生火災(zāi),控制火災(zāi)煙流流動(dòng)的臨界風(fēng)速不同。通過數(shù)值模擬及理論計(jì)算,大型互通立交控制火災(zāi)煙流縱向流動(dòng)的臨界風(fēng)速可按表3 取值(火災(zāi)功率為20 MW)。

        表3 不同隧道段火災(zāi)的臨界風(fēng)速表

        2)為保證火災(zāi)煙流按照規(guī)定路線排走,不流入另一分岔口,在大型互通分岔處應(yīng)保證有一定的控制風(fēng)速。通過模擬,北線蓮塘分岔口連接線主線的控制風(fēng)速為1.5 m/s。南線分岔處口的控制風(fēng)速為1.0 m/s。

        3)若火災(zāi)下游橫通道在火災(zāi)情況下未關(guān)閉,必須有大于1.5 m/s 的風(fēng)速才能保證火災(zāi)煙流不流入未火災(zāi)隧道。

        3.2 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)研究

        深圳東部過境蓮塘隧道大型地下立交的風(fēng)流組織已經(jīng)完全不同于普通的單管隧道,存在多風(fēng)流出入口及多風(fēng)流交匯點(diǎn),已經(jīng)形成通風(fēng)網(wǎng)絡(luò),《細(xì)則》中的通風(fēng)計(jì)算理論已經(jīng)不能解決該地下立交的通風(fēng)計(jì)算,需采用通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算理論進(jìn)行設(shè)計(jì)[3]。

        風(fēng)流理論研究風(fēng)流在隧道中的流動(dòng)特征,討論的是風(fēng)流的微觀現(xiàn)象。風(fēng)流在網(wǎng)絡(luò)中需要遵守以下三個(gè)定律:

        ①質(zhì)量守恒定律:在單位時(shí)間內(nèi),任一節(jié)點(diǎn)流入和流出空氣質(zhì)量的代數(shù)和為零。

        ②能量守恒定律(風(fēng)壓平衡定律):在任何閉合回路(或網(wǎng)孔)上所發(fā)生的風(fēng)流能量轉(zhuǎn)換的代數(shù)和為零。

        ③通風(fēng)阻力定律:對(duì)于處于完全紊流狀態(tài)的風(fēng)流,其阻力遵守平方關(guān)系。

        以上三定律是進(jìn)行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算的基本依據(jù),本工程通風(fēng)風(fēng)量的最后核算與高校合作進(jìn)行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)分析,對(duì)設(shè)計(jì)理論計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證,保證隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。

        3.3 防災(zāi)救援通風(fēng)研究

        疏散救援原則:火災(zāi)時(shí),所有進(jìn)出口實(shí)行交通管制,啟動(dòng)應(yīng)急救援預(yù)案。著火隧道內(nèi)著火點(diǎn)上游人員棄車通過人行橫通道疏散至相鄰隧道。著火隧道內(nèi)著火點(diǎn)下游車輛迅速駛離隧道(隧道擁堵時(shí),火災(zāi)隧道人員均棄車逃生),同時(shí)關(guān)閉車行橫通道的防火卷簾?;鹎檩^小時(shí),非著火隧道車輛停駛,等待著火隧道人員疏散完畢后,再駛離隧道?;蝌v出內(nèi)側(cè)車道,并加速駛離隧道?;鹎樾枰獠肯谰仍畷r(shí),隧道監(jiān)控中心應(yīng)根據(jù)交通情況引導(dǎo)消防車輛通過著火隧道下游或非著火隧道到達(dá)火災(zāi)位置。

        排煙原則:著火隧道開啟適當(dāng)位置、適當(dāng)數(shù)量射流風(fēng)機(jī),控制煙流沿行車方向下游流動(dòng),煙流不逆流。煙氣自豎井或洞口排出。相關(guān)非著火隧道射流風(fēng)機(jī)需根據(jù)著火點(diǎn)不同,開啟射流風(fēng)機(jī)正轉(zhuǎn)或逆轉(zhuǎn),以阻止煙氣進(jìn)入。

        全線隧道根據(jù)著火點(diǎn)位置不同共設(shè)計(jì)12 種通風(fēng)設(shè)備運(yùn)行工況,位置見圖4。表4、5 為北線隧道、南線隧道防災(zāi)救援通風(fēng)策略。

        表4 北線隧道防災(zāi)救援通風(fēng)策略

        表5 南線隧道防災(zāi)救援通風(fēng)策略

        4 結(jié)語

        綜上所述,針對(duì)不同形式的大型“Y”型分岔隧道,臨界風(fēng)速需要在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上結(jié)合模擬分析軟件進(jìn)行核算,互通立交隧道的風(fēng)流互通模式需要采用通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算方法進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算,大型分叉隧道防災(zāi)救援關(guān)系重大,防災(zāi)救援的具體通風(fēng)形式需要進(jìn)行詳細(xì)的分析研究,本文通過對(duì)具體工程案例的分析,希望對(duì)未來隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一定參考。

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