隧道工程运营通风.ppt

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1、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

2、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 400 ppm。（ppm 是 1/1000,000的意思，即以 1 m3 的空气中存在的 CO 的 cm3 数来表示）。隧

3、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 co 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 co 如下：城市道路：正常状态 co 取 70 100 ppm 阻塞状态 co 取 250 ppm（15 min）山岭隧道：正常状态 co 取 150 ppm 阻塞状态 co 取 250 ppm（15 min）,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

4、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（）来表示。透过率（）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 1 m 时光通量减至,经过 2 m时光通量减至，经过 m 时光通量减至。如浓度为 2 时，则在 1 m

5、 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=100 m，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 510-3（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 P 47 表 4-3。,4.3 新风量计算,新风量即指隧道运

6、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 30 h 交通量。即统计全年 365 天，每天 24 h，共有8760 h的交通量，采用第 30 h 交通量作为通风量计算的依据。第 30 h 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

7、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 400 m 以下的水平路段上，小汽车以 4060 km/h、大型车以 4050 km/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

8、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（P 49 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 400 m 以下，小汽车以 4060 km/h，大型车以 5060 km/h的速度行驶时，每 tkm的CO 的产生量，记作 Nm3/tkm，小汽车=0.012(Nm3/tkm)；大汽车=0.017(Nm3/tkm)；海拔标高修正系数；坡度修正系数；储备系数 1.1。,(Nm/tkm)(4-5),为了方便，可以利用 P50 表4-5进行 值的计算。2、标准状

9、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/kmh）(4-6),（m3/kmh 或 m3/ms）(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 P 51。）,（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

10、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（

11、PIARC）推荐的风速为 8 m/s，日本规定风速应控制在 12 m/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 5060 km/h时，可引起 6 m/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

12、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 P 54 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

13、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 P 54 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（68）;隧

14、道墙面摩阻损失系数（0.24）;隧道内平均风速（m/s）;空气密度（=0.1224 kg.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（P 55）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。

15、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 100 m，内部间隔 70 m左右，至少 4050 m。射流式风机的适用情况：对向交通时，适用于 1000 m 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

16、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（P 56）竖井排风式通风的适用情况：对向交通时，适用于 3000 m 以下的隧道；单向交通时，适用于 1500 m 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，

17、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 3000 m 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（2 km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

18、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

19、,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 23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 24 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。,