一种多匝道城市道路隧道全射流纵向通风需风量计算方法

摘要

本发明涉及一种多匝道城市道路隧道全射流纵向通风需风量计算方法，属于，隧道通风技术领域。该方法包含如下步骤：S1：依次计算各段主线隧道车流量；S2：将主线隧道分解为若干段，并进行编号；S3：计算各匝道隧道和各段主线隧道的烟尘和CO排放量，并分别汇总获取整个隧道烟尘排放总量和CO排放总量；S4：分别计算整个隧道稀释烟尘和CO各自的需风总量；S5：计算各匝道隧道稀释烟尘和CO各自的需风量，进一步计算各匝道隧道的最终需风量；S6：根据各匝道隧道的最终需风量，计算各段主线隧道的最终需风量。本发明方法具有较好的工程适应性和可操作性，且理论意义明确，能够很好地解决多匝道城市道路隧道全射流纵向通风的稀释有害气体需风量的计算。

说明书

技术领域

本发明属于隧道通风技术领域，涉及一种多匝道城市道路隧道全射流纵向通风需风量计算方法。

背景技术

多匝道城市道路隧道作为一种非常规形式的新型隧道，关于多匝道城市道路隧道通风设计，尤其是对全射流纵向通风稀释有害气体需风量的计算，目前相关研究还较少。

陈玉远应用地铁环控计算软件SES辅助计算了多匝道城市道路隧道工程通风系统，强化了通风设计的合理性。王艳等应用SES软件分析了某多匝道城市道路隧道各车速工况下的通风系统，优化了其通风系统运行模式。胡清华应用SES软件分析了某多匝道城市道路隧道工程自然通风口和隧道内的通风量，推荐采用自然通风+竖井分段纵向通风的通风方案。李俊梅等采用通风网络对某多匝道城市地下道路分段纵向排烟系统的烟气控制效果进行了模拟分析，得到了不同火灾场景中风机运行的最佳策略。阳东和赵成梅针对某一多分支隧道的防排烟工况，利用理论分析建立了各种气流模式的控制方程，并通过数学方法获得了理论解。高君鹏等通过CFD数值计算模型研究了不同火灾规模下隧道内的烟雾分布特性及规律，并制定了隧道内各类火灾事故下的通风控制方案。傅琼阁等搭建了1:10的包含多匝道的隧道模型，对城市隧道出口匝道气流组织形式进行了试验研究。崔德振等通过模型试验方法研究了通风井型隧道处于交通阻滞时通风井的通风效果。

上述研究对开展多匝道城市道路隧道通风设计和改善运行条件提供了新的思路，但是研究成果并未系统性地解决工程设计中的具体应用问题，工程实践指导意义不足。

我国近年来建设的长度大于5000m的高速公路隧道普遍采用“通风井送排式+射流风机”的组合方式。据调研，我国现有长度小于5000m的高速公路隧道(华蓥山隧道、谭家寨隧道、乌云山隧道等)也普遍采用纵向通风方式。从而，不仅是特长隧道，中长公路隧道也有向纵向通风方式发展的趋势。

由于其隧道进风(对应分流型隧道)或出风(对应合流型隧道)均是一个洞口进或出的，主线隧道与匝道隧道的通风以及匝道隧道之间的通风均相互影响，隧道通风系统存在多个支路，通风网络较复杂，稀释有害气体需风量不能用常规的通风计算方法开展设计。对此，现有研究和设计规范并未给出明确方法和规定，导致相应通风工程设计缺乏指导依据。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多匝道城市道路隧道全射流纵向通风需风量计算方法，该方法具有较好的工程适应性和可操作性，且理论意义明确，能够很好地解决多匝道城市道路隧道全射流纵向通风的稀释有害气体需风量的计算。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多匝道城市道路隧道全射流纵向通风需风量计算方法，该方法包含如下步骤：

S1：根据整个隧道设计总车流量和匝道隧道的设计车流量，依次计算各段主线隧道车流量；

S2：以匝道隧道和主线隧道之间的连接点为分界点，将主线隧道分解为若干段，并进行编号；

S3：计算各匝道隧道和各段主线隧道的烟尘和CO排放量，并分别汇总获取整个隧道烟尘排放总量和CO排放总量；

S4：根据整个隧道烟尘排放总量和CO排放总量，分别计算整个隧道稀释烟尘和CO各自的需风总量；

S5：根据各匝道隧道烟尘占比和CO占比，计算各匝道隧道稀释烟尘和CO各自的需风量，进一步计算各匝道隧道的最终需风量；

S6：根据各匝道隧道的最终需风量，计算各段主线隧道的最终需风量。

进一步，步骤S2具体为：

S21：以匝道隧道和主线隧道之间的连接点为分界点，将主线隧道分解为若干段；

S22：将主线隧道按照车流量增大的顺序进行编号，将各段主线隧道依次编号为1,2,3…n；

S23：将匝道隧道按照分界点之前的主线隧道编号和分界点之后的主线隧道进行编号，将匝道隧道编号为“1→2”，“2→3”，...，“n-1→n”。

进一步，步骤S3中所述整个隧道烟尘排放总量和CO排放总量为：

∑Q_VI＝Q_VI1+Q_VI1→2+Q_VI2+…+Q_VI(n-1)→n+Q_VIn

∑Q_CO＝Q_CO1+Q_CO1→2+Q_CO2+…+Q_CO(n-1)→n+Q_COn

其中，为隧道烟尘排放总量，为第n段主线隧道烟尘排放总量，Q_VI(n-1)→n为第n-1→n段匝道隧道的烟尘排放量；为隧道CO排放总量，为第n段主线隧道CO排放总量，Q_CO(n-1)→n为第n-1→n段匝道隧道的CO排放量。

进一步，步骤S4中整个隧道稀释烟尘和CO各自的需风总量为：

∑Q_req(VI)＝∑Q_VI/K

∑Q_req(CO)＝∑Q_CO×P₀×T×10⁶/(δ_CO×P×T₀)

其中，为隧道稀释烟尘的需风总量，为隧道稀释CO的需风总量，K为烟尘设计浓度，为CO浓度，为标准大气压，P为隧址大气压，为标准气温，T为隧址夏季气温。

进一步，步骤S5具体为，根据各匝道隧道的烟尘排放量和CO排放量各自所占比例，分别求得各匝道隧道稀释烟尘的需风量和稀释CO的需风量，并取二者之间的大值作为各匝道隧道的需风总量，

烟尘需风量：

Q_req(VI)n＝∑Q_req(VI)

Q_req(VI)(n-1)＝Q_req(VI)n-Q_{req(VI)(n-1)→n}

其中，Q_req(VI)n为第n段主线隧道的烟尘排放需风量，Q_{req(VI)(n-1)→n}为n-1→n段匝道隧道的烟尘排放需风量，Q_req(VI)(n-1)为第n-1段主线隧道的烟尘排放需风量；

CO需风量：

Q_req(CO)n＝∑Q_req(CO)

Q_req(CO)(n-1)＝Q_req(CO)n-Q_{req(CO)(n-1)→n}

其中，Q_req(CO)n为第n段主线隧道的CO排放需风量，Q_{req(CO)(n-1)→n}为n-1→n段匝道隧道的CO排放需风量，Q_req(CO)(n-1)为第n-1段主线隧道的CO排放需风量；

各匝道隧道的需风总量：

Q_req(n-1)→n＝max{Q_{req(VI)(n-1)→n}，Q_{req(CO)(n-1)→n}}

其中，Q_req(n-1)→n为第n-1→n段匝道隧道的需风总量。

进一步，步骤S6中各段主线隧道的最终需风量具体为：

Q_reqn＝Q_req1+Q_req1→2+Q_req2+…+Q_{req(n-2)→(n-1)}+Q_req(n-1)

其中，Q_reqn为第n段隧道的最终需风量。

本发明的有益效果在于：本发明所述方法首先分别求得稀释烟尘和CO所需总需风量，然后按有害气体排放量比例分摊计算各匝道隧道需风量，最后求得主线隧道所需最终风量。本发明方法具有较好的工程适应性和可操作性，且理论意义明确，能够很好地解决多匝道城市道路隧道全射流纵向通风的稀释有害气体需风量的计算。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明流程图；

图2为本发明主线隧道与匝道隧道的编号示意图；

图3为本发明实施例的几何外形示意图；

图4为本发明实施例的计算模型图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明为一种多匝道城市道路隧道全射流纵向通风需风量计算方法，如图1、图2所示，包括以下步骤：步骤一：根据整个隧道设计总车流量和匝道隧道的设计车流量，依次求得各段主线隧道车流量；步骤二：以匝道隧道和主线隧道之间的连接点为分界点，将主线隧道分解为若干段，进行编号；步骤三：求得各匝道隧道和各段主线隧道的烟尘和CO排放量，并分别汇总求得整个隧道烟尘排放总量和CO排放总量；步骤四：根据整个隧道烟尘排放总量和CO排放总量求得整个隧道稀释烟尘和CO各自的需风总量；步骤五：根据各匝道隧道烟尘占比和CO占比，求得各匝道隧道稀释烟尘和CO各自的需风量，进一步求得各匝道隧道的最终需风量；步骤六：根据各匝道隧道的最终需风量，最终求得各段主线隧道的最终需风量。

本发明的实施例，如图3所示，属城市主干道，海拔高度约为300m～450m，交通形式为双洞单向交通，设有左右两线，左线隧道和右线隧道长度分别为2140m、2115m。以右线为实施例，右线设有2条匝道隧道，长度分别约715m和772m。主线隧道设计车速为50km/h，匝道隧道设计车速为30km/h。主线隧道为二类隧道，匝道隧道为三类隧道，最大坡度为4.5％。仅限机动车辆通行，设有交通监管系统，项目抗震设防类别为A类。

根据交通专业的根据交通量预测报告，第3段主线隧道的交通流量(远期(2039年))为2397pcu/h，“1→2”匝道远期单向交通量为666pcu/h，“2→3”匝道远期单向交通量为892pcu/h，根据步骤一，计算出第2段和第1段主线隧道的交通流量分别为1505pcu/h、839pcu/h。

本发明实施例的其他相关参数见表1～3，

表1主要设计标准与相关参数

表2车型构成比例表

表3车型中汽油车与柴油车比例表

步骤二：以匝道隧道和主线隧道之间的连接点为分界点，将主线隧道分解为若干段；按车流量依次递增的次序，将各段主线隧道依次编号为1,2,3,…n；匝道隧道的编号由分界点之前的主线隧道编号和分界点之后的主线隧道编号共同组成，匝道隧道的编号为“1→2”,“2→3”,“2→3”,…,“n-1→n”，如图4所示。

步骤三：根据各段隧道的车流量，结合隧道的内空断面积、纵坡、海拔高度、车辆构成以及行车速度，计算出各段隧道CO和烟尘的排放量，

∑Q_VI＝Q_VI1+Q_VI1→2+Q_VI2+…+Q_VI(n-1)→n+Q_VIn>

ΣQ_CO＝Q_CO1+Q_CO1→2+Q_CO2+…+Q_CO(n-1)→n+Q_COn>

其中，为隧道烟尘排放总量，为第n段主线隧道烟尘排放总量，Q_VI(n-1)→n为第n-1→n段匝道隧道的烟尘排放量；为隧道CO排放总量，为第n段主线隧道CO排放总量，Q_CO(n-1)→n为第n-1→n段匝道隧道的CO排放量。

根据公式(1)和(2)，计算出相应的CO和烟尘排放总量，如表4所示

表4CO与烟尘的排放量

步骤四：根据整个隧道烟尘排放总量和CO排放总量，分别计算整个隧道稀释烟尘和CO各自的需风总量，

ΣQ_req(VI)＝ΣQ_VI/K>

∑Q_req(CO)＝∑Q_CO×P₀×T×10⁶/(δ_CO×P×T₀)>

其中，为隧道稀释烟尘的需风总量，为隧道稀释CO的需风总量，K为烟尘设计浓度，为CO浓度，为标准大气压，P为隧址大气压，为标准气温，T为隧址夏季气温。

根据公式(3)、(4)，求得整个隧道稀释烟尘和CO各自的需风总量，结果分别为754.49m3/s、314.89m3/s，如图3所示，本实施例隧道段3的通风量要承担所有隧道段有害气体的稀释任务，总风量即为隧道段3的风量。

步骤五，根据各匝道隧道的烟尘排放量和CO排放量各自所占比例，分别求得各匝道隧道稀释烟尘的需风量和稀释CO的需风量，并取二者之间的大值作为各匝道隧道的需风总量，

烟尘需风量：

Q_req(VI)n＝∑Q_req(VI)>

Q_req(VI)(n-1)＝Q_req(VI)n-Q_{req(VI)(n-1)→n}>

其中，Q_req(VI)n为第n段主线隧道的烟尘排放需风量，Q_{req(VI)(n-1)→n}为n-1→n段匝道隧道的烟尘排放需风量，Q_req(VI)(n-1)为第n-1段主线隧道的烟尘排放需风量；

CO需风量：

Q_req(CO)n＝∑Q_req(CO)>

Q_req(CO)(n-1)＝Q_req(CO)n-Q_{req(CO)(n-1)→n}>

其中，Q_req(CO)n为第n段主线隧道的CO排放需风量，Q_{req(CO)(n-1)→n}为n-1→n段匝道隧道的CO排放需风量，Q_req(CO)(n-1)为第n-1段主线隧道的CO排放需风量；

各匝道隧道的需风总量：

Q_req(n-1)→n＝max{Q_{req(VI)(n-1)→n}，Q_{req(CO)(n-1)→n}}>

其中，Q_req(n-1)→n为第n-1→n段匝道隧道的最终需风总量。

根据公式(5)～(10)，以隧道段2→3和1→2为例，匝道隧道稀释有害气体需风量计算过程为：

隧道段2的风量要承担隧道段2、1、1→2的稀释任务，匝道段2→3的风量只需承担其自身的稀释任务，隧道段2与匝道段2→3的风量在隧道段3的风量基础上进行分配：

匝道段2→3的产生CO的比例：0.009609/(0.009609+0.031148+0.016552+0.007746)＝0.1477

匝道段2→3的稀释CO风量为：0.1477×754.49＝111.44m3/s

隧道段2的稀释CO风量为754.49-111.44＝643.05m3/s。

隧道段1与匝道段1→2的风量在隧道段2的风量基础上进行分配。

匝道段1→2的产生CO的比例为：0.007746/(0.007746+0.016552)＝0.3188，

匝道段1→2的稀释CO风量为：0.3188×643.05＝205.00m3/s。

隧道段1的稀释CO风量为：643.05-205.00＝438.05m3/s。

按照相同的方式计算出匝道段2→3、1→2与隧道段1的稀释烟尘风量分别为52.56、96.86、165.50m3/s。

按式(11)，匝道段稀释有害气体需风量最终取其稀释CO风量与烟尘风量之间的大值，计算结果如表5所示。

表5匝道隧道稀释有害气体需风量

步骤六：根据各匝道隧道的最终需风量，计算各段主线隧道的最终需风量。

各段主线隧道的最终需风量具体为：

Q_reqn＝Q_req1+Q_req1→2+Q_req2+…+Q_{req(n-2)→(n-1)}+Q_req(n-1)>

其中，Q_reqn为第n段隧道的最终需风量。

步骤六中各段主线隧道的最终需风量为其所“管辖”的各匝道隧道的最终需风量之和，计算各段主线隧道最终需风量，具体按式(12)进行计算，分别计算第2段、第3段主线隧道的最终需风量，第1段主线隧道之后由于没有匝道隧道，因此第1段主线隧道类似于匝道隧道，第1段主线隧道最终需风量见表5。

主线隧道段2的最终稀释有害气体需风量为匝道隧道1→2与隧道段1之和：438.05+205.00＝643.5m3/s；

主线隧道段3的最终稀释有害气体需风量为匝道隧道1→2、2→3与隧道段1之和：438.05+205.00+111.44＝754.49m3/s。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。