摘 要：针对高海拔隧道和水下隧道因建设条件、地理条件和环评要求等因素影响不便修建竖、斜井的问题，提出了平行导洞—分段纵向通风系统。在隧道通风理论的基础上，推导了适用于该通风系统的设计参量的计算公式；同时结合隧道通风设计程序，给出了从隧道分段位置确定、设计风量计算、设计参数初始值计算到污染物浓度校核的设计流程，从隧道长度限制和需风量，初步分析了混合通风方式的适用条件。结合工程案例，给出了混合通风方式的实际应用方案，方案在不修建竖井的前提下，结合集中排烟通道很好地解决了火灾人员逃生问题，具备实际可行性，为今后穿越高海拔和跨海公路隧道的通风设计提供了新思路。
0 引言
随着各滨江临海城市的快速发展以及高速公路网向广大中西部山区迈进,许多穿越高海拔和水下区域的隧道日益增多。 虽然我国公路隧道建设和通风技术在近年来得到快速发展,但对于高海拔、水下隧道,在不能修建竖、斜井的问题上,采用何种通风、排烟方式保证隧道的安全运营仍是隧道通风技术的难点。
针对这一问题,车轮飞等基于青岛胶州湾隧道提出了不设海中竖井的新型海中送排通风方案,虽能实现超长海底隧道海中少设通风竖井,但该通风方案年能耗略大,系统布置较为复杂。 平行导洞作为近年来隧道通风的新思路,有着高效节能的优势。 传统意义上,平行导洞的作用主要在于为主洞提供超前地质预报、改善高应力或软弱围岩隧道的围岩变形,同时还具备协助隧道施工分部开挖、排水和施工通风的特点。
目前针对高海拔地区低等级公路隧道的平导送风型半横向通风方式已经进行了不少的研究,而关于高等级特长公路隧道或水下隧道应用平行导洞作为通风道的研究相对较少。 曾艳华等应用气体流动的能量方程建立了公路长隧道平行导坑通风的计算模式,陈建勋等确定了特长公路隧道平导送风型半横向式通风的计算模式,并推导了送风机的风压理论计算公式。 张娜利用模型实验研究了平导型半横向通风系统,并与模拟结果相对比,验证了理论计算的准确性。 张素磊等将 Scott-Hinsley 回路法应用到平导半横向通风方式的解算中,编制了计算横通道风量和风阻的解算程序。 吴奉亮进一步用质量流量表示隧道风网的分风模型,实现了正常与火灾时隧道风网求解模型的统一。 严涛等对采用平导压入式分段纵向通风的巴郎山隧道的通风网络进行优化,提出运营时期开启 3 条横通道送风的建议。 张祉道等分析了平导外风道通风方式火灾通风排烟的特点,得出了此通风方式在火灾时不能保证人员和车辆安全的结论。 栾荣璇以天山特长隧道为依托,基于通风网格理论给出了 4 种平导式通风方案。 刘永胜等以深埋特长公路隧道为依托,提出了独立式和联动式两种平行导洞通风系统。 尉洪利等]结合正在施工的狮子坪特长隧道项目,总结了平导与主洞相交断面结构安全验算及优化方法。陈小峰等针对运营隧道提出钢波纹板代替混凝土的新型中隔墙技术,提高了通风平导通风防灾性能。 郭志杰等以天山胜利隧道工程施工为背景,研究了平导辅助通风和辅助排烟的可行性。 王道远等进行了围岩大变形控制措施的现场试验研究,优化施工工法,发挥平导的超前作用。 以上研究均局限于小交通量的低等级公路特长隧道、城市交通隧道或施工工艺的优化,对于高等级特长公路隧道或水下隧道应用平行导洞结合分段纵向通风暂无研究先例。
本文将采用理论推导和工程应用的方法,兼顾运营通风和火灾排烟两个方面,对因地理条件差、建设条件有限等因素不便设置竖、斜风井的特长公路隧道进行平导结合分段纵向通风系统研究,解决无法设风塔的安全运营问题。 以期为穿越高海拔和跨海公路隧道的通风设计提供新思路。
1 平行导洞结合分段纵向通风方式原理
1. 1 基本原理
常规的分段送排式纵向通风方式的隧道气流从隧道入口进入,在与隧道内的污染物混合后,从排风井排出大部分污染空气,再从送风井送入后续所需的新鲜空气,以满足隧道的通风卫生要求,如图 1 所示。 由于通风井内的轴流风机不能为隧道提供足够的空气动力,因此还需在隧道中布设一定数量的射流风机来增加通风动力。
图 1 常规分段纵向通风结构形式示意图
平行导洞结合分段纵向的通风方式是在前述基础上,充分利用大断面主洞使其与送排风平导组成通风系统,以降低系统通风能耗。 先从主隧道送入大部分所需新鲜空气,由排风道排出部分污浊空气,再经送风道补充剩余部分所需空气。 该运营方式使得左右主洞的进排风系统相互独立,互不干扰,具有良好的可控性。
1. 2 结构形式
平行导洞结合分段纵向通风的结构形式是利用平行导洞代替分段送排式纵向通风的通风井,其组合结构形式如图 2 所示。
图 2 平行导洞—分段纵向通风组合结构示意图
2 组合通风设计方法
2. 1 隧道分段位置范围的确定
隧道送、排风口位置的确定是隧道进行分段设计的关键,为方便描述,本文将隧道送排风口至入口段称为隧道前段,送排风口至出口段称为隧道后段,并选取其中一条线路(左线)进行研究。
由于隧道设计风量大于需风量,隧道前段的设计风量不超过限制风量,故隧道后段的设计长度应满足式:
式中:L 为隧道左线长度;LA 为隧道后段的设计长度;T 为左线隧道需风量的增长斜率,斜率大小表示左线的需风量随隧道里程的变化情况,T =QQ/L,QQ 为左线隧道最不利工况下需风量; VC 为隧道最大设计风速;A 为隧道静空断面积。
由于平行导洞设置在隧道的出口端,隧道后段长度应小于隧道前段,同时隧道后段的设计风量不超过限制风量的要求,故隧道后段的设计长度 LA应满足式:
式中:QBD 为隧道前段设计风量;Qe 为排风道的设计风量。
由上述分析可知,隧道后段设计长度的选取范围为:
2. 2 设计风量的确定
此系统中设计风量的确定位置主要包括隧道前段、隧道后段以及平行导洞中送、排风道。 假设隧道后段的设计长度取值确定且为 LA,则送、排风口位置、隧道前段和平行导洞设计长度均可固定。考虑一定的安全储备,隧道前段设计风量可在需风量的基础上适量增大,但不应大于隧道限制设计风量,其计算式为:
TLB ≤ QBD ≤ VC A (5)
式中:LB 为隧道前段设计长度;QBD 为隧道前段设计风量。
送风道与隧道后段的需风量为:
Qb= QAQ = TQLA (6)
式中:QAQ 为隧道后段的需风量;Qb 为送风道的需风量。
排风道的设计风量为:
Qe= QBDe (7)
式中: e 为排风比,分段纵向通风中常取 0. 85 ~0. 9。
由于隧道后段的风量包括隧道前段、送排风道风量共同调整后的剩余风量,故隧道后段设计风量为:
QAD = QBD - Qe+ Qs (8)
式中:QAD 为隧道后段的设计风量;Qs 为送风道的设计风量。
2. 3 设计参数初始值的确定
隧道地形复杂多变,常规分段纵向通风方式的通风井长度很难与隧道其他参数联系,在通风设计时需单独考虑其设计参数。 而从平行导洞—分段纵向通风的结构形式可以看出,隧道各处设计风量均与隧道分段设计长度有关,结合这一特点,对隧道前段设计长度与风机配机功率之间的关系进行分析。
根据公路隧道通风设计理论,分别对隧道前段和后段进行设计计算。
2. 3. 1 射流风机总功率的确定
(1)参考《公路隧道通风设计细则》中“隧道风速取 6 ~ 8 m / s 较为经济合理”的建议,选定射流风机且风机的风口面积和风速均为定值。 根据射流风机风压计算公式可得,隧道风速小范围改变时,射流风机提供的风压变化较小,故假定单台固定型号的射流风机的升压力为定值。 则隧道前段自然通风力为:
式中:ΔpmB 为隧道前段的自然通风力;D 为当量直径;ξ 为局部阻力系数;λ 为沿程阻力系数;vn 为自然风速;aij、bij、cij 为式中除长度参数外各系数简化表达形式(下同)。
(2)隧道前段通风阻力为:
式中:ΔprB 为隧道前段的通风阻力;vB 为隧道前段设计风速。
(3)隧道前段交通通风力为:
式中:ΔptB 为隧道前段的交通通风力;Am 为汽车等效阻抗面积;vb 为送风口风速;nc 为隧道内的车辆数;vt 为隧道车速。
(4)单台射流风机的通风动力为:
式中:Δpj 为单台射流风机升压力;v 为隧道风速;vj为射流风机出口风速;Aj 为射流风机出口面积;η为摩擦阻力损失折减系数。
(5)隧道排风口升压力为:
式中:ΔPe 为排风口升压力; ve 为排风口风速;α为排风道外端与隧道的夹角。
QAD = QBD - Qe+ Qb (14)
LA= L - LB (15)
(6)隧道后段自然通风力为:
式中:ΔpmA 为隧道后段自然通风力。
(7)隧道后段通风阻力为:
式中:ΔprA 为隧道后段通风阻力。
(8)隧道后段交通通风力为:
式中: ΔptA 为交 通 通 风 力; vA 为 隧 道 后 段 设 计风速。
(9)隧道送风口升压力为:
式中:ΔPb 为送风口升压力; β 为送风道外端与隧道的夹角。
为平衡隧道内的压力,隧道通风动力应与通风阻力相同:
Δpe+ Δpb+ nΔpj= Δpr+ Δpm- Δpt (20)
综合式(9)—(13)可得:
综合式(14)—(19)和(20)可得:
式中:ΔprB 为隧道前段的通风阻力;ΔpmB 为隧道前段的自然通风力;ΔptB 为隧道前段的交通通风力;ΔPe 为排风口升压力;Δpj 为单台射流风机升压力;当 n1≤0 时,m1= 0,当 n1 > 0 时,m1= [n1 ] ;当n2≤0 时,m2= 0,当 n2 >0 时,m2= [ n2] 。 当隧道设计车速为 vt,射流风机开启台数为 m1 、m2 之和。
综上,射流风机总功率为:
W射= (m1+ m2 )S (23)
式中:S 为单台射流风机的风机功率。
2. 3. 2 轴流风机总功率的确定
排风型轴流风机设计风压为:
式中:ΔPtote 为排风机设计全压;Pde 为排风口、排风井及其连接风道压力损失;Pse 为排风口升压力。
送风型轴流风机设计风压为:
式中:ΔPtotb 为送风机设计全压;Pdb 为送风口、送风井及其连接风道压力损失;Psb 为送风口升压力。
轴流风机总功率为:
将射流风机总功率和轴流风机总功率相结合,建立变量为 LB 的 F 函数, 见式 ( 27), 其中 aF 、bF 、cF 、dF 均可通过具体工程算得。
F(LB ) = W轴+ W射=aF LB3 + bF LB2+ cF LB+ dF (27)
2. 3. 3 能耗最小值的确定
由于隧道分段长度的取值对风机功率、平行导洞长度和土建工程量均产生影响。 根据平行导洞—分段纵向通风结构的特点可知,随着隧道后段设计长度的取值增大平行导洞的长度及土建工程量也相应增大。 因此,在确定隧道后段初始设计长度后,通过减少隧道后段设计长度的方法进行均匀分组取值,并代入函数 F 中算得一系列风机功率值,再与土建工程量相结合,综合考虑确定通风系统的最终设计参数的合理取值。
2. 4 浓度校核
在确定隧道各通风区段设计风量后,需对各区段污染物浓度进行校核,以防止隧道内污染物浓度超限。 隧道污染物浓度分布如图 3 所示。
图 3 平行导洞—分段纵向通风方式污染物浓度分布
此处假设隧道内各处污染物浓度不超过限值K。 从图 3 可知,污染物浓度易超出限值的位置分别位于送排风道之间的短道末端与隧道出口处,对隧道进行分段标识,将左线隧道划分为 3 部分,分段长度分别为 LB 、LD、LA,相对应的污染物排放量分别记作 qB 、qD、qA,具体信息如图 4 所示。
qx= TLx (28)
式中:qx 为 qB 、qD、qA,分别代表 LB 、LD、LA 各段对应的污染物排放量。
在完成对 qB 、qD、qA 的计算后,对图 4 中两个节点的污染物浓度进行核算,令送排风道之间的短道末端与隧道出口处的污染物浓度校核系数分别为 C1 和 C2 ,经过计算可得两个节点的安全系数表达式为:
式中:K 为左线隧道污染物设计浓度限值;QAD 为隧道后段设计风量;C1 、C2 为节点 1、2 污染物浓度校核系数。
图 4 平行导洞—分段纵向通风方式分段标识
需要注意的是,若浓度校核系数大于 1,空气质量不满足要求时,可在满足规范要求的基础上,适量增大隧道各段设计风量值。 若浓度校核系数过大,可采用迭代的方式,在初次确定隧道各段长度的基础上,进行隧道设计风量的二次设计分配,进而重新确定隧道各段长度和浓度校核。
3 适用性分析
3. 1 隧道长度限制
理论上采用平行导洞对隧道进行辅助通风时隧道分段不受限制,但过多分段需要配置相应的通风道,使得隧道结构复杂化,因此对本方案隧道进行分段划分时,通风区段不宜超过 3 段。
假设风道沿程阻力为 3 000 Pa,风道风速取15 m / s,风道面积取 20 ~ 30 m2,由式计算可得隧道两侧的风道长度为 4 km,当然通过增大风道面积或在风道内布设风机增压可增加隧道风道的应用长度。 此处仅作保守估算。
另一方面,根据《细则》规定隧道中部的通风区段长度不应大于 5 km。 故采用平行导洞—分段纵向通风方式的隧道最大应用长度可达 13 km 左右,具有广泛适用性。
3. 2 需风量
由前述研究可知,隧道适用长度是从风道内的风机动力角度进行分析的,且为保守估算,因此下面将从隧道需风量角度进行分析,给出平行导洞—分段纵向通风方式的需风量适宜范围。
3. 2. 1 隧道设计风速取值
在进行分段纵向通风方案设计时,主隧道的设计风速是有一定限制的,若主隧道的设计风速过大,主隧道内沿程摩擦阻力增大,交通活塞风动力减少,使得隧道运营通风能耗明显增加;若主隧道的设计风速过小,隧道分段数量和通风井数量增加,使得隧道土建规模和初期投资明显增加。
结合隧道通风细则要求,分段纵向通风方式的隧道设计风速不宜超过 8 m / s,本着经济合理的原则,本文在后续通风方案的设计中,隧道设计风速取值范围定为 5 ~ 7 m / s。
3. 2. 2 短道风速
为防止送、排风口间的短道段出现污染物浓度超限或回流的问题,分段纵向通风方案设计中需保留部分短道风量,对应的短道风速一般为 2 m / s以上。
3. 2. 3 适用需风量取值范围
平行导洞—分段纵向通风方式分段不宜大于3 段,在考虑短道窜流风量影响的情况下,每个分段的设计风量均不得超过最大允许分段长度的需风量。 故平行导洞—分段纵向通风方式的隧道的最大需风量应为。
Q ≤ 3QC- 2Q短= (3vC- 2v短)A (32)
平行导洞—分段纵向通风方式的需风量应大于全射流通风方式的最大允许需风量。
v′C A < Q (33)
式中:v′C为全射流通风方式下隧道最大允许设计风速,单位为 m / s。
综合式(32)和(33),可得平行导洞—分段纵向通风方式的需风量的取值范围:
v′C A < Q ≤ 3QC- 2Q短= (3vC- 2v短)A (34)
4 依托工程应用
4. 1 工程概况
江苏省某水下隧道全长 8. 96 km,需解决穿越自然保护区而无法设置竖井的问题。 隧道高峰小时交通量为 2 566 veh / h,设计车速为 80 km / h。 隧道通风设计参数见表 1。 在满足隧道各处污染物浓度均达标的情况下,左、右线隧道的需风量见表 2。
表 1 隧道设计参数
表 2 左、右线隧道需风量
由于隧道内轮廓面积为 115. 7 m2,经计算隧道左、右线的设计风速均未达到 10 m / s,理论上可采用全射流通风方案,但由于隧道较长,为保证通风质量需要布设的射流风机数量较多,运营能耗较大,同时因地理因素无法设置竖井,因此不推荐该水下隧道采用全射流通风方案。 结合该水下隧道的工程特点,拟给出平行导洞—分段纵向通风方案,并进行详细设计。
4. 2 方案设计
根据工程概况中的基本数据,在隧道两侧各设一条平行导洞,同时隧道横向中部设有逃生通道和集中排烟通道,增强隧道火灾人员逃生的安全性。
结合依托工程和第 2 节的设计方法对分段长度进行初始值计算,初步设计需要用到的参数如表3 所示。 计算如下:
(1)射流风机总功率计算:
(2)轴流风机总功率计算:
(3)分段长度确定:
F(LB ) = W轴+ W射=- 3. 81 × 10-7LB3 + 4. 11 × 10-3LB2-7. 20LB+ 3. 99 × 104 (48)
即分段位置关键点为:
式(49)的关键点中 LB1 和 LB2 为极值点,LB3 和 LB4为边界点。 LB4 大于隧道长度说明该隧道可以采用全射流纵向通风方式,其值需要调整为隧道长度8. 96 km。 将 4 个关键点代入式(48)中,可得该工程隧道前段设置为 7. 2 km 时,通风效能最好。
表 3 基础参数及设计参数初选值
结合初步设计的隧道长度值,对该水下隧道的通风系统进行详细设计,其隧道结构布置如表 4 所示,通风结构示意如图 5 所示。 结合工程实际情况,对隧道参数进行微调,最终确定 a 段长度(LA )取为 1. 7 km,b、c 段总长(LB )取为 7. 26 km。 各断面示意图如图 6、图 7 所示。
图 5 平行导洞—分段纵向通风组合结构示意图
表 4 通风方案结构布置表
图 6 A-A、C-C 断面示意图
图 7 B-B 断面示意图
从图 6 可看出平行导洞—分段纵向通风方案在隧道标准断面的基础上, A-A 和 C-C 截面共增加了 12 m2 的送风道和 18 m2 的排风道,集中排烟通道的断面积设置为 14. 6 m2,隧道横截面中部的宽度增加至 5 m。 隧道各通风区段的风量和风压如表 4 所列。
平行导洞—分段纵向通风方案可利用双向隧道中间安全通道上部结构作为排烟风道,并每隔一定距离均匀设置排烟孔和排烟风阀。 在隧道靠近出口端的外侧设置送排风道,送排风口将隧道分为入口至送、排口的隧道前段和送排口至出口的隧道后段。 隧道进、出口端均设置送、排风塔,分别服务于左、右线隧道。 送、排风塔之间保持合理间距和高差,避免排风塔的污浊空气回流到送风塔中,同时送排风塔内设置大型轴流风机。 正常及阻滞工况时,通过轴流风机和隧道内的射流风机调节隧道风量,保证隧道的运营通风卫生安全;火灾工况下,利用风塔内的排烟轴流风机和集中排烟通道,保证隧道的火灾排烟安全。
正常运营工况与阻滞工况时需开启送排轴流风机和隧道射流风机来保证隧道送排风,风道风量和射流风机的开启台数应根据不同时期的交通情况进行调整,尽量避免产生运营通风不足和通风过量的情况发生。 当隧道发生火灾时,若隧道车况处于正常运营时期,可采用纵向排烟模式,开启着火点上游的射流风机,保证上游人员安全逃生,着火点下游的车辆人员可通过出口安全驶离隧道;若隧道车况处于阻滞工况下,着火点两侧的车辆人员均不能快速撤离隧道,可采用集中排烟模式,通过开启着火点两侧的可逆射流风机、着火点附近的排烟风阀和风塔内的排烟轴流风机,控制烟气从集中排烟通道中抽出,防止烟气的扩散,保障隧道内的人员从安全通道撤离。
7 结论
(1)基于平行导洞的结构特点,结合纵向通风理论,提出了平行导洞—分段纵向通风结构,并通过理论分析得出该方案下的通风区段划分方法。
(3)在实际工程中,该混合通风方式能够针对性地解决无法修建竖井的问题,在初选设计参数后能够给出合理的分段长度,并且可结合重点排烟通道增强其火灾安全性。 若将该通风方式设计体系形成一套计算程序,对提升设计便捷性有较大的实际意义。