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淺談交通工程隧道通風系統選用
摘要:近年來,隨著交通系統的飛速發展,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,隧道的通風系統也變得至關重要.本文從交通量、隧道長度并結合地形、隧道周圍環境一系列條件來選用各種合適的通風系統, 以使隧道內有害氣體濃度及可見度達到要求.使行車安全得到保障.
關鍵詞:交通工程;隧道通風;系統選擇
1前言
公路隧道內對人體有害的氣體，來自汽車排出的廢氣，其主要成份有:一氧化碳、氮氧化合物、碳氫化合物、醛類、有機化合物等，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。此外，由于車輛產生的煙霧及汽車行駛揚起的灰塵，造成隧道內可見度降低。隧道通風的目的，就是用新鮮空氣來稀釋隧道內汽車排出的廢氣，降低有害物質的濃度，并達到所要求的可見度，從而保證人體健康和車輛行駛安全。隧道通風系統應結合交通量、隧道長度、氣象、地形、環境等因素，同時兼顧供電照明、通信監控、事故、火災、工程造價和維修保養費用綜合考慮。
2容許濃度與可見度
2.1有害氣體的計算
根據上海有關部門的研究，一氧化碳產生量的計算公式為:
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數;
Vco;一廢氣中二氧化碳所占的體積百分數;
Pco一一輛汽車行駛1 km的一氧化碳產生量(耐m3/輛.km).
日本用Pco=0.315f(L/輛·km)計算一氧化碳產生量，可作參考。該式中Pco為一輛汽車行駛1 km產生一氧化碳的平均值;f為燃料消耗率，f=0.105L/輛·km。此外，汽車一氧化碳產生量還與發動機的類型、汽車保養程度、車速、道路狀況、坡度和駕駛技術等有關，如根據國際道路會議常設協會(PLARC)資料，坡度為5%時，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容許濃度與可見度要求
2.2.1隧道內一氧化碳(CO)容許濃度
(1)隧道內工作人員長期停留的工作間、休息室和控制室等為24ppm.
(2)正常營運時為150ppm..
(3)發生事故時，短時間(15min)以內為250ppm.
2.2.2隧道內煙塵容許濃度
(1)高速公路，一、二級公路隧道為75%.
(2)三、四級公路隧道為90%.
2.2.3可見度要求
在路面平均照度30勒克斯情況下，光透過率:=65%，即隧道內稍有薄霧，視力1.5者在75m距離內看車和人清楚，視力0.7者在50m距離內看車清楚，隧道內有舒適感。
日本規定:在平坦的隧道內，車速為40一60km/h，正常情況下，一氧化碳及塵煙濃度標準見表1.
歐洲和美國的標準是l00ppm,在第13屆國際道路會議上，曾建議在正常交通狀態下，一氧化碳濃度為70一100ppm,當發生交通阻塞時，在 15min內允許達到250ppm�？梢姡覈臉藴视悬c偏低，隨著高等級公路隧道的發展及交通量的增加，建議一氧化碳容許濃度不超過l00ppm為宜。
3通風量和風壓
隧道內所需通風量，應根據稀釋隧道內空氣中的有害物濃度達到允許濃度時所需的新鮮空氣量來確定。對于一氧化碳和塵煙，以稀釋二者達到容許濃度所需的通風量，取其大者為設計通風量。
隧道內稀釋一氧化碳所需的新鮮空氣量可按下式計算:
可參閱<<公路隧道設計規范>>.
日本采用的計算方法是,在平坦隧道,行車速度為40~60km/h時:
4通風方式的選擇
目前各國公路隧道通風方式的選擇，主要根據隧道長度和交通量大小來確定。一般隧道長度在200m以下甚至200~300m時，在一定的交通量以下，可采用自然通風。當LN>600時，采用機械通風，式中L為隧道長度(km), N為隧道高峰小時交通量(輛/h).
根據空氣在車道空間流動的方向，機械通風的方式可分為:縱向通風、橫向通風、半橫向流人通風和半橫向流出通風。
4.1縱向通風
縱向通風系統即利用隧道作通風道，一端送風，另一端排風，或兩端進風，中間豎井排風。由熱壓、風壓和洞門附近的大氣壓產生的局部壓力差稱為自然壓力差，以Pe表示，自然壓力差對縱向通風系統影響最大，可能嚴重阻礙氣流，甚至會使氣流倒流。因此，縱向通風系統必須安裝自動操縱換向裝置。通過豎井進出風的縱向通風系統，在有壓力差的情況下，不能全靠提高通風機壓力或使氣流換向，必須增加空氣總用量L。對通風機從隧道較長支路一側產生的氣流來說，如圖2，自然壓力差Pe的反作用將是不利的。這條長度為lt的支路，其阻力與Pe之和將等于長度為12的另一條支路的阻力:
Pe+kl1L21=kl2(L-L1)2
式中:
k-單位長度隧道氣動阻力系數;
L1支路l1稀釋有害物質所需用的空氣量.
L1=(ql1)/Cm
式中q-單位長度隧道內有害物質的排放強度(假定有害物質排放均勻分布,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起向右或向左計算.
4.2橫向通風
橫向通風是沿隧道均勻地抽出和輸入等量空氣，在整個隧道上不會產生壓力差.因此，自然壓力差附加到橫向壓力上并不會影響空氣的軸向對流，也就不會降低通風效果.
設汽車排出的廢氣為q并均勻地分布在隧道全長上，則橫斷面x和(x+△x)之間有害物質的平衡方程式為:
Cx Le + q·△x=(Cx+△C)·Le+ (Cx + △C)Lb △x
式中:
Le—在自然壓力差作用下進人隧道的軸向氣流;
△C—△x區段上有害物質濃度的增值;
Lh—無風時通風系統產生的隧道單位長度的橫向氣流.
微分方程為:
由此得出:
由上式可以得出如下結論:吹入的軸向氣流Le越強，有害物質的濃度就越低;無論在
隧道的哪一段，有害物質都不會超過q/Lb值，即不會超過無風時的濃度.
4.3半橫向通風
半橫向流人通風的傳統方案如圖4所示.風從與隧道平行的平洞或專門的風道進人洞內，并沿隧道長度均勻供風，空氣在洞內的剩余壓力作用下經洞門排出.因此，采用半橫向通風時，隧道內產生軸向氣體氣流，并受到自然壓力差的形響.排出的有害氣體如為均勻分布，則其濃度沿隧道長度不變，這時，空氣總用量可按下面的公式計算:
式中:
l-隧道長度.
自然壓力差的作用，破壞了氣流的對稱性.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洞門排出，又不能流人隧道。這時，洞內最大的剩余靜壓力為Ht= pe，該壓力值定義為整個隧道的氣動全阻力，注意到Lx=L x/1，則得:
如無自然壓力差，就應沿隧道長度的一半求積分，得:
由此可見，在選擇通風機時，半橫向通風系統的自然壓力差可按隧道氣動阻力增大8倍的方法進行計算.也就是說，無論自然壓力差值多大，為了保證所需的通風效果，通風機的壓力系數為10%-15%實際上就足夠了.
半橫向流出通風僅能作為一種應急通風系統，在發生火災或其他危急情況時，將半橫向流人通風系統反向，關閉一部分進風管道，便得到半橫向流出通風系統.在正常情況下，不使用這種通風系統.
4.4各通風系統比較
4.4.1縱向通風系統
(1)能充分發揮汽車活塞風作用，所需通風量較小;
(2)無需額外通風渠道，隧道斷面小，工程費用低，因而比較經濟;
(3)靠近送風口空氣新鮮，隨著空氣流動，距離送風口越遠，空氣越不新鮮，污染也就越嚴重，如果要求一氧化碳達到允許濃度，通風量必然要加大，新鮮空氣沒有得到充分利用;
(4)以隧道作通同道(規定氣流速度l0m/s)，汽車司機有不適之感;
(5)由于存在煙囪效應，對控制火災不利，往往需要避車洞.
4.4.2全橫向通風系統
(1)隧道全長空氣污染程度均勻，新鮮空氣得到充分利用;
(2)隧道縱向無氣流動，駕駛人員無不舒適感，同時有利于防火;
(3)隧道長度不受限制;
(4)投資及運行費用高。
4.4.3半橫向通風系統
(1)由于沒有專門的排風道，比全橫向系統節省了投資;
(2)利用車道排風，減少了排風系統阻力，可降低排風機電機容量;
(3)氣流在隧道內呈部分流動，對防火不利。
對通風方式的選定，除應考慮隧道長度和交通條件外，還須結合地形、周圍環境以及交通停滯或火災等非常情況的適應性和隧道工程費和維修保養費等因素做比較后決定。
5隧道通風方式的發展趨勢
公路隧道的各種通風方式，對一般隧道傳統適用長度界限如下:縱流式通風約2000m以下;半橫流式通風約3000m以下;橫流式通風約2000m以上。由于縱向通風顯著的經濟優越性，近年來在國際上得到日益廣泛的采用，隨著射流通風技術的日臻完善，在2km以上的公路隧道中采用縱向通風已日益增多，據不完全統計，歐美和日本已有39座2km以上的長隧道采用了射流縱向通風方式。日本第二新神戶隧道，全長7175m,采用單井吸出式射流縱向通風，配以良好的消音、除塵裝置及監控、消防、照明系統，完全達到橫向通風的使用要求和安全環保要求。我國成渝高速公路上的中梁山隧道(左3165m，右3103m), 絡云山隧道(左2528m,右2478m)打破2km限界，大膽變更半橫向通風為射流式縱向通風，取得了顯著的經濟效益;在技術上也受到國內外專家的充分肯定。在目前國家財力有限的情況下，中長距離隧道應積極推廣射流式縱向通風方式。
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