隧道工程运营通风.ppt

隧道工程第四章隧道的运营通风 4.1概述1、运营通风的必要性汽车所排的的尾气中含有多种有毒有害成分，如CO、煤烟、Al、S、磷化物等，车辆携带及卷起的尘土，均构成对隧道的污染。由于隧道为封闭空间，只有进出口与外部大气相通，污染物不能很快地扩散，如果不采取通风措施，隧道内的污染空气的浓度就会逐渐增大，对人体产生毒害甚至危及生命。此外，隧道内烟雾及尘土量达到一定的程度，会使能见度降低，从而影响隧道内的行车安全。2、改善隧道空气质量的三种方法生产无公害汽车；（目前还是有待解决的课题）使用滤毒装置还原被污染的空气，将有害物稀释到容许值以下；（目前在经济上还未达到实用化水平）从洞外引进新鲜空气，冲淡隧道内的有害物质的浓度，使空气质量满足卫生标准及能见度要求。（这是目前常用的方法） 3、通风设计中应该考虑的主要问题空气中有害物质的容许浓度;新风量的确定；判断自然通风的能力；机械通风方式的讨论；通风设备的选择。 4.2空气中有害物质的容许浓度一、CO的容许浓度CO无色无味，人的感觉器官不能分辨，非常危险。研究表明，健康成年人受CO的影响程度与CO的浓度、活动状态（如静坐、步行等）、吸入时间有关。在通风设计中，根据美国矿山局的研究结果，将CO的容许浓度给定为400ppm。（ppm是1/1000,000的意思，即以1m3的空气中存在的CO的cm3数来表示）。隧道内污染空气中，除了CO，还有其他有害物质，但在稀释CO的同时，其他有害物质的浓度也相应地下降了。而对于CO浓度的测定要比对其它有害物的测定更容易些，因而将CO浓度作为隧道内污染空气的代表，其容许浓度用δco表示。该值的确定主要从司机的健康安全和舒适性两方面考虑。 1971年国际道路协会（PIARC）推荐的δco如下：城市道路：正常状态δco取70～100ppm阻塞状态δco取250ppm（15min）山岭隧道：正常状态δco取150ppm阻塞状态δco取250ppm（15min） 二、烟雾的容许浓度为了保证停车视距及行车舒适性，必须将烟雾浓度控制在容许的标准之下。烟雾浓度的表示不是采用通常的重量浓度和体积浓度表示法，而是用光的透过率（τ）来表示。透过率（τ）是光线在污染空气中的透过量与在洁净空气中的透过率之比。用下式表示：式中：、—分别为同一光源通过污染空气和洁净空气后的照度。 透过率（）随光源与受光部之间的距离而改变，还因烟雾浓度不同而不同。烟雾浓度为1的定义：光源光通过单位距离（1米）后受光部所接收到的光通量减至光源光通量的1/10时，定义烟雾浓度为1。（其余的光均被烟雾吸收和散射了）假定烟雾浓度为1，则经过1m时光通量减至,经过2m时光通量减至，经过m时光通量减至。如浓度为2时，则在1m处光通量减至，浓度为时，则在m处光通量减至。 即光源光穿过厚为m，烟雾浓度为的污染空气后，通过率为：上式还可表示为：式中—烟雾浓度（m-1）—烟雾层厚度（m）—光源光穿过m后的容许透光率。在隧道通风与照明中，取=100m，故烟雾容许浓度为：(4-3)(%)(m-1)(m-1)（4-4）（4-2） 世界各国规定的隧道烟雾浓度的容许值为：法国5×10-3（m-1）日本（7.5～9）×10-3（m-1）英国10×10-3（m-1）光的透过率还与隧道的路面照度有关，可通过乘以相应的修正系数予以修正。其修正值见书上P47表4-3。 4.3新风量计算新风量即指隧道运营时所需的通风量。计算新风量时，应当考虑通过隧道的交通量和交通流的组成。一、交通量和交通流组成1、交通量国际上通用的交通量取值法，是PIARC(国际道路协会）推荐的第30h交通量。即统计全年365天，每天24h，共有8760h的交通量，采用第30h交通量作为通风量计算的依据。第30h交通量是个经验数据，全年8760个小时的交通量中仅有29个超过此值。 2、交通流组成组成交通流车辆的划分： 从通风的角度，应主要看交通流中的汽油车及柴油车所占比例。交通流中的车辆以汽油车为主，就以汽车排出的CO的排放量作为计算新风量的依据。交通流中的车辆以柴油车为主，就以柴油车所排放的烟雾浓度作为通风量的计算依据。另外，小汽车和摩托车的CO排放量与大型车不同，应进行相应的折减。通常把摩托车换算为0.5辆小轿车。而小汽车与大型车的CO排放量按照不同的标准计算。 二、按稀释CO计算新风量1、在标准状态下的CO产生量标准状态：是指海拔高度在400m以下的水平路段上，小汽车以40～60km/h、大型车以40～50km/h的速度行驶的状态。随着海拔的增高，空气会更稀薄，温度和气压会逐渐降低，直接影响CO的产生量。因此应根据海拔高度按海拔标高修正系数对CO的量进行修正。也可按P50图4-4取值。CO的产生量还随坡度的增加而增加，大型车所受坡度的影响比小汽车更大，应根据坡度修正系数对CO的量进行修正。其修正系数见（P49图4-2、图4-3）。—海拔标高（m） 标准状态下CO产生量：式中：—汽油车的交通量（辆/h）；—车辆重量（t/辆）；—CO的基本产生量，即在海拔400m以下，小汽车以40～60km/h，大型车以50～60km/h的速度行驶时，每t﹒km的CO的产生量，记作Nm3/t﹒km，小汽车=0.012(Nm3/t﹒km)；大汽车=0.017(Nm3/t﹒km)；—海拔标高修正系数；—坡度修正系数；—储备系数1.1。(Nm/t﹒km)(4-5) 为了方便，可以利用P50表4-5进行值的计算。2、标准状态下所需新风量：式中：—CO容许浓度(ppm）。3、按气体状态方程换算后，实际所需新风量：式中：—隧道所在地气压(mmHg)—隧道所在地区夏季室外通风设计绝对温度（K）。（Nm3/km﹒h）(4-6)（m3/km﹒h或m3/m﹒s）(4-7) 4、隧道所需通风量：式中：—隧道长度（km）。三、按稀释烟雾浓度计算新风量当交通流组成柴油车的比例大到某一限度后，烟雾危害会超过CO危害，就需要按稀释烟雾浓度计算新风量。（具体计算过程请参考P51。）（m3/h）（4-8） 4.4通风方式的选择一、综述通风方式选择应考虑的因素：主要因素为隧道长度及交通条件；其次为气象、环境、地形、地质条件等。通风方式分类： 各种通风方式的适用情况：水底隧道通风要求高，一般采用可靠性高的全横向式通风方式，隧道断面宜采用圆形断面。车道板以下空间送风，顶棚以上空间排风。城市隧道交通量大，交通流量不稳定，可采用不受交通状况影响的全横向式通风及半横向式通风方式。若在隧道内设置人行道及自行车道，则全横向式通风最为理想。山岭隧道，从经济上考虑，大多采用半横向式通风和纵向式通风方式。若地质条件良好，可以开挖大断面隧道，就可以选择全横向式或半横向式通风。若能获得全年稳定的自然风，则选择自然通风的方式最为经济。 纵向式通风及半横向式通风会引起沿隧道纵向风速过大，对车辆及人行有影响，因此，应对风速进行限制。国际道路协会（PIARC）推荐的风速为8m/s，日本规定风速应控制在12m/s以下。单向交通时，车流会有活塞作用，引起活塞风，也称交通风（例如车速为50～60km/h时，可引起6m/s的活塞风），这时以纵向通风方式为宜。但交通量大时，会影响活塞所用，宜改用全横向式或半横向式通风方式。对象交通的隧道没有活塞作用。应根据隧道的具体情况选择通风方式。选择通风方式，首先要确定隧道所需的通风量，然后分析及讨论自然风及活塞风能否满足通风需要，否则，则应采用机械通风。 二、自然通风是否选择自然通风，主要看隧道长度及交通量大小。可由下列经验公式作为划分自然通风与机械通风的限界：式中：—隧道长度（km)—设计交通量（辆/h，以小轿车为准）（我国道路设计规范规定以卡车计）选择自然风，也可由书上P53图4-6自然通风限界来确定。该图是根据一些有名隧道的统计数据绘制而成，交通流量以小轿车计）上述限界是指交通正常的情况。若隧道有可能发生交通堵塞，则应考虑射流式通风方式。对于单向交通的隧道，如果自然风是从隧道出口吹进隧道，必然会削减交通风速。为了克服这种影响，可在出口附近设置洞口通风门，将逆风截流。见P54图4-7。 三、交通风压头计算：交通风（活塞风）在单向交通情况下，有可能进行足够能力通风，可按下式计算交通风压头：式中:—汽车正投影面积（m2）;—汽车的隧道内阻系数。式中为反映汽车阻力的量，用表示，称为汽车的等效阻力面积。随大型车混入率不同而不同，其关系见P54图4-8，计算交通风压头时可参考。（Pa） 四、纵向式通风纵向式通风：从一个洞口由通风机直接引进新鲜空气，由另一个洞口把污染空气排出的方式。（即在通风机作用下，风流沿着隧道轴线方向流动，风流方向与自然通风的方向相同）这种通风方式在隧道纵向的风速有入口至出口都是匀速的，但空气的污染浓度由入口至出口方向呈直线增加。在没有自然风和交通风的前提下，为了使隧道产生风速为的空气流动，需进行机械通风，其所需风压按下式计算：式中：—机械通风所需风压（Pa）;—隧道长度（m）;—入口损失系数（≈0.6）;—隧道当量直径（≈6～8）;—隧道墙面摩阻损失系数（≈0.24）;—隧道内平均风速（m/s）;—空气密度（=0.1224kg.s2/m4）。 纵向式通风方式主要有射流式、集中排气式（竖井排风式）两种。1、射流式通风这种通风是在隧道上方吊设射流式通风机，用以升压，进行通风的方式。见图4-9（P55）根据需要，沿隧道纵向以适当间隔吊设数组射流式风机，每组为1至数个射流式风机。每台射流式风机产生的升压值可由下式计算：式中—射流通风机吹出的风速（m/s）;—断面积比—射流机吹出口断面积—车道空间断面积—流速比—隧道内风速—射流机吹出口风速（Pa） 由隧道所需风压及每台射流机产生的升压值，即可求出隧道所需射流通风机的台数。对向交通时，由于上、下行交通量变化而改变风向，应考虑1.2的备用系数，计算值四舍五入。单向交通不用考虑备用系数。射流式风机安装位置：应安装在行车限界以外。若隧道为拱形顶棚，可吊设在拱脚至拱顶任何位置;若为平顶顶棚，应装在墙顶角部。安装间隔：最外面一台距洞口100m，内部间隔70m左右，至少40～50m。射流式风机的适用情况：对向交通时，适用于1000m以下隧道;单向交通时，可适用于2000m左右的隧道射流式风机的优缺点：通风设备费少，但风机噪音大。 2、有竖井的纵向式通风（竖井排风式）纵向式通风以自然通风为主，不足时，用机械通风补充，但通风所需动力与隧道长度的立方成正比。所以采用机械通风时，隧道越长就越不经济。如果在隧道中间设置竖井，就可以克服这一缺点。因此，纵向式通风常用竖井对长隧道进行分段。对向交通的隧道，竖井位置宜设在隧道中间;单向交通时，竖井应设在靠近出口侧。见图4-11（P56）竖井排风式通风的适用情况：对向交通时，适用于3000m以下的隧道；单向交通时，适用于1500m以下的隧道。 五、半横向式通风半横向式通风的标准型式为送风式半横向通风。即新鲜空气净送风管直接吹向汽车的排气孔高度附近，对污染风进行稀释。污染空气在隧道上方扩散（横向扩散），经过隧道两端洞门排出。对向交通时，两洞口送入等量的空气，因此，在隧道中点，空气为静止的，风速为零，这一点称中性点。送风式半横向通风时，隧道内各处空气的污染浓度相等。单向交通时，送风式的中性点多半至入口之外，排风式的中性点，则靠近出口。见图4-12（P57）半横向式通风适用于3000m以下的隧道。 六、全横向式通风纵向式及半横向式通风均有纵向风速较大的特点，火灾时，对隧道下风侧不利。因此，在长大隧道（2km以上）、重要隧道、水底隧道中，为避免过大的纵向风速，应采用全横向式通风。全横向式通风，即在隧道内，同时设置送风管道和排风管道，，因而隧道内基本不产生沿纵向流动的风，只有横向风流动，即风流方向与隧道轴线方向垂直。见图4-13（P57）对向交通采用这种通风方式时，车道的纵向风速基本为零，污染浓度沿隧道分布均匀。 单向交通时，因为交通风的影响，在纵向会有一定风速，污染浓度由入口至出口呈逐渐增加的趋势，一部分污染空气能直接由隧道出口排出。但通常可以认为送风量与排风量相等，因而将送风管道及排风管道的断面积设计成同样大小。全横向式通风有送风系统及排风系统两套系统。送风系统是由送风塔吸入新鲜空气，经通风机升压后，将空气送入隧道的送风管道，再经送风孔送入车道空间。排风系统是将车道的污染空气经排风孔、排风管道、连接管道由通风机加负压经排风塔排出。由于有两套系统，因而全横向式通风方式的造价很高。七、混合式通风由上述几种基本通风型式组合而成，即称混合式通风。 4.5通风机的选择一、通风机类型轴流式通风机较为常用。 二、通风机台数正确选定通风机台数，可以提高通风的可靠性。如果仅选用一台通风机，若发生故障，就完全丧失了通风能力。一般情况下，一个通风系统应由2～3台通风机并联运转。重要隧道，有时需要设置两个通风系统，并需要适当的转换装置。三、通风机的选择通风机的生产已系列化。选择通风机时，可通过已知风量及风压，可由图4-15(P60）查出轴流式通风机的转数、电动机功率及口径等概略数据。从而可选出对应的通风机型号。 通风机所需的轴功率用下式计算：式中—所需风量（m3/s）—全风压（Pa）—通风机效率（约80%） 四、通风机运转等级隧道内的交通量是变化的，所需的通风量也需改变。交通量少时，按设计时考虑的交通量全负荷运转不经济。一般的做法是将通风量区分为2～4级，这样，就可根据需要调整通风量，但所分档次不宜太多，否则，频繁调档易引起故障。有一种通风机，可以利用叶片角度的调整来调整风量。五、通风用附属设施除通风机外，还应有电动机、供电变电设备、转换风路的风门、CO检测计、烟雾透过率计、火灾报警器以及紧急电话等附属设施。通风系统的电源应有两套独立的供电系统，并能自动进行转换。