多匝道城市公路隧道通风孔布置研究

姜学鹏， 余 璨， 毛杨苏宜

(武汉科技大学资源与环境工程学院， 湖北 武汉 430081)



多匝道城市公路隧道通风孔布置研究

姜学鹏， 余 璨， 毛杨苏宜

(武汉科技大学资源与环境工程学院， 湖北 武汉 430081)

针对某多匝道城市公路隧道，利用SES通风模拟软件研究通风孔布置、通风孔个数等因素对隧道内污染物体积分数分布、通风孔排污效率等通风效果的影响。结果表明： 1)隧道采用顶部开孔自然通风方式，可以有效减少隧道内及出口处污染物体积分数； 2)在匝道分岔点上方集中布置通风孔能达到较好的通风效果，开孔个数较少可减少土建投资； 3)隧道段过长污染物体积分数不能满足标准时，应在隧道段后部增设开孔。

多匝道公路隧道； 顶部通风孔； 自然通风； 通风孔布置； SES

0 引言

随着隧道交通的发展，公路隧道的结构越来越复杂。复杂形式公路隧道具有长度大、匝道多和坡度变化频繁等本体构造特点。多匝道形式使交通流及交通风力更加多变，多匝道进出气流耦合影响主线隧道中的空气流动，形成较复杂的通风网络[1-2]。

一些学者针对多匝道城市公路隧道通风进行了相关研究。陈玉远[1]研究表明多匝道城市公路隧道长度不大且洞口污染物能满足环境要求时，采用射流风机全纵向通风方案通风效果较好； 王艳等[2]对多匝道隧道送排风井加射流风机纵向混合通风方式进行了研究，结果表明在正常车速情况下应采用射流风机纵向通风方式，交通阻滞时应开启风井抽流风机。以上研究均为机械通风，机械通风风机设置增加了隧道断面高度、系统能耗，从而增加了隧道运营和建设成本。

针对多匝道隧道的自然通风相关研究不多，部分学者对无匝道直线型隧道顶部开孔自然通风进行了研究[3-7]。胡春艳[4]认为顶部通风孔集中布置在隧道后段通风效果最佳，其次是成组布置方式，均匀布置方式效果最差； 葛家美等[5]研究表明5个或6个通风孔一组沿程排放污染物能力最强，通风孔分流率随着孔间距的增大而减小； 李东霞[6]研究表明隧道长度在1 000～1 500 m时选择3个或4个通风孔成组的方式较好，2 000～2 500 m时5个通风孔成组的方式较好； 霍峙屹等[7]研究表明通风孔集中布置在隧道后段比中段和上段效果更佳。前人得出的最佳顶部开孔布置方式并不一定适用于多匝道公路隧道，故对多匝道隧道通风孔布置研究具有重要意义。

本文将采用SES通风模拟软件，针对某多匝道城市公路隧道，研究通风孔布置、通风孔个数等因素对隧道内污染物体积分数分布、通风孔的排污效率等通风效果的影响，以获得多匝道城市公路隧道最佳顶部通风孔布置方案。

1 研究方法及参数设定

1.1 研究方法

Subway Environment Simulation(SES)是被国际上认可并相对成熟地用于地铁环控的模拟计算软件，1976年SES4.1修改后被广泛应用于公路隧道通风分析[8-12]，在地铁的车站和区间隧道、铁路隧道和公路隧道中有较强的适用性。SES主要由列车运动子程序、空气动力学子程序、温度/湿度子程序及热库/环境控制子程序组成，通过节点图表示隧道、竖井和匝道的空间位置关系，可以模拟隧道的自然通风、车辆交通风以及机械通风。SES计算得到隧道各段的风量，结合分段计算的CO的排放量而得到各段污染物的体积分数，从而判断隧道内污染物体积分数是否达标。

1.2 模拟参数设定

某多匝道城市公路隧道断面尺寸为12 m×5 m(见图1)，具有4条进出口匝道(断面尺寸同主隧道)，匝道将整个隧道分成a、b、c、d、e5段，其中b、d2隧道段较长。主线隧道合流段车流量为3 000 pcu/h，分流段为2 000 pcu/h，匝道为1 000 pcu/h。其中大客车占90%，小客车占10%。CO排放量的计算依据为《公路隧道通风设计细则》[13]。研究考虑车速为20 km/h时的交通阻塞情况，此时隧道内CO体积分数最高，选取CO体积分数限制值为150×10-6。

图1 隧道北线示意图(单位： m)

2 自然通风模拟计算

2.1 通风孔集中布置

在隧道顶部的特殊位置布置通风孔，利用较少的通风孔数量使隧道内CO体积分数达到隧道卫生标准。根据风量平衡定理，进口匝道分岔点上方布置通风孔有助于污染物的排出，出口匝道分岔点上方布置通风孔有助于污染物的稀释，故在匝道分岔点上方集中布置通风孔，通风孔尺寸为6 m×5 m(长×宽)。

2.1.1 匝道分岔点上方布置通风孔

通风孔集中布置——单孔示意图如图2所示。在匝道分岔点处上方各设1个通风孔，共4个通风孔。图3为隧道内CO体积分数分布情况，隧道顶部未布置通风孔时，隧道内CO体积分数在3 000 m处超过体积分数限制值150×10-6，并沿着隧道纵向直线上升，由于E匝道带走较多的污染物而在2 200 m处下降，在隧道出口体积分数高达267.63×10-6。隧道顶部集中布置通风孔时，隧道内的CO体积分数在1 800 m和 3 600 m 处2次大幅下降，是由于进口匝道中新鲜空气进入主隧道稀释了CO体积分数，而出口匝道对主隧道起到分流作用，排出较多的污染物使CO体积分数下降。隧道内CO体积分数低于顶部无开孔隧道，达到了较好的通风换气效果。

图2 通风孔集中布置——单孔示意图

Fig. 2 Sketch diagram of centralized ventilation openings and single ventilation opening

图3 顶部无开孔和集中开孔时隧道内CO体积分数

Fig. 3 Comparison between concentration of CO in tunnel with no ventilation opening and that with centralized ventilation openings

通风孔集中布置——2孔1组示意图如图4所示。匝道分岔点上方设置2个1组通风孔，有4个匝道分岔点，共8个通风孔，编号为1—8，研究组内间距分别为10、20、30 m 3种情况。

匝道分岔点上方开孔时隧道内CO体积分数如图5所示。可以看出，匝道分岔点上方2孔1组时隧道内CO体积分数在2 000 m和3 600 m 2处的降幅大于匝道分岔点上方单孔布置的情形，且隧道内CO的最高体积分数和隧道出口体积分数都要低于单孔布置的情形，所以2孔1组的通风效果比单孔布置方式效果更佳。

图4 通风孔集中布置——2孔1组示意图

Fig. 4 Sketch diagram of layout of centralized ventilation openings (one group with two openings)

图5 匝道分岔点上方开孔时隧道内CO体积分数

Fig. 5 Relationship between concentrations of CO in tunnel and distance from tunnel entrance

通风孔的风量如图6所示。

图6 通风孔的风量

由图5和图6可知，顶部2孔1组时组内不同间距(10、20、30 m)下的隧道内CO体积分数和通风孔风量基本没有变化，说明组内通风孔间距对顶部通风孔集中布置的隧道无影响。

2.1.2 匝道分岔点上方和隧道段上方均布置通风孔

当2匝道分岔点之间的隧道段较长时，CO体积分数将沿程一直增加并超过体积分数限制值，故针对在隧道段上方增设开孔的情况进行研究。

在b、d隧道段上方的前段(工况2)、中段(工况1)、后段(工况3)分别增设通风孔，如图7所示(绿色表示开孔，白色表示未开孔)。不同位置增设开孔时隧道内CO体积分数如图8所示。可以看出，3种工况下隧道内的CO体积分数在增设的通风孔处都会有明显的下降，通风效果比未增设开孔时效果更佳，增设的通风孔在b、d隧道段后部时(工况3)隧道内CO的最高体积分数最低。

图7 不同位置增设开孔示意图

图8 不同位置增设开孔时隧道内CO体积分数

Fig. 8 CO concentrations in tunnel when additional openings are made in different locations

由于开孔增设在b、d隧道段后部通风效果更佳(见图9)，在匝道分岔点上方设4个开孔的情况下分别在b、d隧道段后部增设2、4、6个开孔。计算结果如图10所示。可以看出，增设的通风孔数量越多，通风效果越好。

综上，通风孔集中布置时，匝道分岔点上方开孔成组布置比单孔布置通风效率更高，通风效果随着孔组内通风孔数量的增加而增加，孔组内间距对通风效果无影响； 2分岔点之间的隧道段较长时，需要在隧道段上方增设通风孔，且布置在隧道段后部要比前部和中部效果好。

图9 增设开孔示意图

图10 分段后部增设不同数量孔时隧道内CO体积分数

Fig. 10 Relationship between CO concentrations in tunnel and amount of additional ventilation openings

2.2 通风孔均匀布置

在通风孔总面积与集中布置方式相同情况下布置通风孔，即在隧道顶部沿纵向以200 m等间距均匀布置20个通风孔，通风孔尺寸为3 m×5 m(长×宽)，总面积为300 m2。沿行车方向依次标记为1、2、……、20，如图11工况8所示(红色箭头为进口，蓝色箭头为出口)。

计算结果如图12所示。可以看出，3种通风方式下，隧道内CO体积分数均远低于顶部无开孔隧道。在通风孔总面积相同的情况下，均匀布置方式同样能达到较好的通风效果。3种布置方式通风效果相差不大，而均匀布置方式通风孔数量比集中布置方式多1倍，增加了土建成本。

图11 3种方式通风孔布置示意图

图12 3种方式布置通风孔时隧道内CO体积分数

Fig. 12 Comparison among three layout modes of ventilation openings in terms of concentrations of CO

将以上3种不同方式下通风孔排污效率(通风孔CO排污量与隧道排污量之比)、隧道出口处CO体积分数和2匝道出口体积分数整理如表1所示。隧道顶部无开孔时，隧道内CO体积分数高达267.63×10-6，通风孔集中布置和均匀布置的自然通风方式均大大降低了隧道内和隧道各出口处的CO体积分数。2孔1组和隧道段上方开孔(工况7)方式通风孔排污效率最高。

表1 3种布置方式通风效果比较

3 结论与建议

以某多匝道城市隧道为算例，采用SES软件计算分析了不同通风孔布置方式对隧道自然通风效果的影响，得到的主要结论如下。

1)多匝道隧道采用顶部开孔自然通风方式，可以有效减少隧道内及出口处污染物体积分数。

2)多匝道隧道通风孔集中布置时，进口匝道分岔点上方布置通风孔有助于污染物的排出，出口匝道分岔点上方布置通风孔有助于污染物的稀释，能达到较好的通风效果。开孔成组布置比单孔布置通风效率更高，通风效果随着孔组内通风孔数量增加而增加，孔组内间距对通风效果无影响。2分岔点之间的隧道段较长时，需要在隧道段上方增设通风孔，且布置在隧道段后部要比前部和中部效果好。

3)仅针对运营通风，在通风孔总面积相同的情况下，多匝道隧道通风孔均匀布置时的通风效果与集中布置方式相差不大，但需要设置的通风孔个数较多，增加了土建成本，故通风孔集中布置在匝道分岔点上方更经济。

以上结论是在特定的交通量和车速条件下模拟得到的，且仅针对正常运营通风情况进行的研究，今后的研究应对不同交通量、不同车速以及火灾情况等因素作出进一步的研究。

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Research on Layout of Ventilation Opening of Multiple-ramp Highway Tunnel in Urban Areas

JIANG Xuepeng, YU Can, MAO Yangsuyi

(SchoolofResourceandEnvironmentEngineering,WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430081,Hubei,China)

The influences of layout and amount of ventilation openings on ventilation effects of multiple-ramp highway tunnel in urban areas, such as concentration of pollutant and ventilation efficiency of openings, are analyzed by ventilation simulation software SES (subway environment simulation). The analytical results show that: 1) The concentration of pollutant in tunnel and at tunnel exit can be effectively reduced by setting ventilation openings on tunnel roof. 2) Good ventilation effect will be reached by setting centralized openings above fork of ramps, which will result in a reduction of construction cost. 3) Ventilation openings should be increased especially at back section of tunnel when the tunnel section between two forks is too to meet ventilation standards.

multiple-ramp highway tunnel; ventilation opening on tunnel roof; natural ventilation; layout of opening; SES (subway environment simulation)

2016-11-09;

2017-03-10

公安部消防局科研计划项目(2016XFCX20)； 湖北省自然科学基金资助项目(2015CFB200)； 湖北省教育厅科学研究计划重点项目(D20151207、D20161105)； 建筑消防工程技术公安部重点实验室开放课题(KFKT2014MS01)

姜学鹏(1976—)，男，山东平度人，2008年毕业于中南大学，消防工程专业，博士，副教授，现从事地下空间通风排烟技术研究工作。E-mail: jxp5276@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.05.006

U 45

A

1672-741X(2017)05-0560-05