竖井型城市隧道自然通风哮喘效应模型研究

陈明 袁方 徐万里

(空军第一空防工程处，北京 100079)

0 引言

针对前期一些关于竖井型城市隧道的模型试验研究[1，2]，我们发现隧道内的压力小，通风作用小的竖井则很容易受到隧道外大气环境的影响，产生风向的频繁波动。此现象可称为“哮喘效应”。哮喘效应的存在会影响到竖井的通风效果。哮喘效应能否克服，有什么办法可以减小哮喘效应的影响，针对这些问题作进一步的研究十分有意义。

1 原实验模型及现象[3]

模型实验按照尺寸比例1∶10进行。运用风速传感器对模型中的风速进行测量，并在数据分析时把现象反映至原型中。选用PS有机塑料板制按照断面尺寸比例1∶10搭建一条长40 m的模型隧道，并按几何比例常数，制作模型竖井以及挡板。实验选用23辆14 cm×15 cm×24 cm的可遥控速度的玩具汽车模拟汽车流，选用EE65风速变送器测定风速，采用RS-485通信总线进行数据通信采集。

搭建的模型见图1。探头布置方案见图2。

图2 隧道自然通风模型探头布置方案

图3为竖井4在车速1.6 m/s，车距0.8 m时的风速变化。

图3 竖井4风速逐时变化图

图3表明，竖井4的风速也是在不断变化的。竖井4不仅风速变化，就连风向也在不断变化，竖井时而发挥排风作用、时而发挥补风作用。其他竖井的风速也有变化，但方向总体没变。像竖井4时而排风、时而进风，就如同一个人不停地喘息一样，故竖井4的现象可称为“哮喘效应”。“哮喘效应”导致隧道内压力的频繁波动，同时导致污染空气在竖井内做往复运动，不能达到换气效果。

2 实验改进

为了研究哮喘效应，我们又改变了车辆的速度和行车间距，但实验结果表明，无论采用何种模型车速、车距，部分平均速度很小的竖井均发生了“哮喘效应”。其实，除了平均风速接近于零的竖井外，其他各竖井均存在一定的风向变化现象，只是风向变化没有像风速接近于零的竖井那样频繁。

“哮喘效应”总是伴随着平均风速很小的竖井发生的，根据管路压力与速度的平方关系可知，发生“哮喘效应”的根本原因是竖井受到的压力很小。由于受到隧道内的压力过小，所以竖井很容易受到隧道外大气环境的影响。前文述及，排风竖井与补风竖井交替处必存在静压为零处，故作用交替的竖井受到的压力最小，最容易发生“哮喘效应”。

因此，本文对模型1做出以下两种更改，研究消除“哮喘效应”的方法。

方法1:改变竖井组位置。

将竖井向后推延4 m，即增加暗埋段1的长度。模型设计如图4所示，图4中的模型称为模型2。

图4 推延竖井位置模型搭建方案（模型2，单位：m）

这样的改动是为了增大暗埋段1所能留下的余压，试图增大竖井4所受到的静压。图5为各竖井的平均风速测试结果。

图5 模型2竖井风速分布

图5表明，移动竖井组的位置使得竖井4的平均风速进一步减小至零。图6为竖井4的风速变化。图6表明，竖井4的正负波动更加频繁。改变竖井组的位置非但没有减缓“哮喘效应”，反而减小了竖井的通风作用。因此，改变竖井位置的方法不可行。

图6 模型2中竖井4风速变化图

方法2:取消竖井3、竖井4。

本实验按照图7的方法取消掉两个发生“哮喘效应”的竖井，图中模型编号为模型3。

图8为竖井2的测试结果。测试结果表明，虽然去掉了曾经发生“哮喘效应”的两个竖井，但是“哮喘效应”转而在其他的竖井上发生。

图7 取消部分竖井模型搭建方法（模型3，单位：m）

图8 模型3中竖井2风速变化图

两组对比实验表明，“哮喘效应”是自然通风隧道设置多组竖井时的必然产物。只要存在竖井间作用的交替，则发生作用交替的竖井必定压力很小，不可避免的发生“哮喘效应”。存在“哮喘效应”的竖井通风作用虽然很小，但又不能取消，否则将影响整个隧道的气流组织。也可这样理解“哮喘效应”的竖井发挥的作用，这样的竖井是保证其他竖井通风效果良好的一种必然代价，虽然通风量很小，但也是隧道设计中必不可少的。

3 结语

通过模型改进实验，可以得到以下结论:

暗埋段汽车产生的交通风压大于隧道的通风阻力，富余的压力作用于竖井上使得竖井内空气流通。竖井受到的余压随距暗埋段距离的增加而减小。也正是由于这样的原因，几组连续竖井中最中间的几个竖井压力很小，风速也较小，通风作用不强。这种现象是连续竖井的必然产物，是不能阻止的，并非取消这些通风作用小的竖井便能消除这种现象。也可这样理解，这样的竖井是保证其他竖井通风效果良好的一种必然代价，虽然通风量很小，但也是必不可少的。正如通风作用小的竖井不能取消一样，哮喘效应也是不能克服的。取消掉这些竖井后，类似的现象转而在其他的竖井上发生。

其实，“哮喘效应”并非破坏了隧道的通风效果，只是使得实际效果没有人们根据平均风速所预计的那么高。所以，没必要因为“哮喘效应”而对竖井通风的作用产生怀疑。

[1] 夏永旭.我国长大公路隧道通风中的几个问题[J].公路，2003(5):47-48.

[2] 蒋鹏飞，万剑平，喻 波.雪峰山隧道通风模型实验设计研究[J].中南公路工程，2006(1):11-12.

[3] 朱培根，梅 健，涂江峰，等.竖井型城市隧道阻滞交通状况下自然通风模型实验研究[J].流体机械，2012(1):25-26.