隧道标准通风设计与计算

５ 通风设计及计算

在隧道运营期间，隧道内保持良好的空气和行车安全的必要条件。为了有效降低隧道内有害气体与烟雾的浓度，保证司乘人员及洞内工作人员的身体健康，提高行车的安全性和舒适性,公路隧道应做好通风设计保证隧道良好通风。

5.１通风方式的确定

隧道长度:长度为84０m,设计交通量N ＝ 11２7.４辆/小时,双向交

通隧道。

单向交通隧道,当符合式(5．２．1）的条件时,应采用纵向机械通风。

6210L N ?≥? (5.1)

该隧道：远期,

61127.4248400.10 2.2710L N ?=???=?＞6210? 故应采用纵向机械通风。

5.2需风量的计算

虎山公路隧道通风设计基本参数:

道路等级 山岭重丘三级公路

车道数、交通条件 双向、两车道、

设计行车速度 ｖ ＝ 40 km/h ＝11.１1m/s

隧道纵坡 i 1 =2% L 1 = 240 m ｉ2 = -2%

L 2=60０ m

平均海拔高度 H = （179.65+１8４.１1)/2 =

181.8８ m

隧道断面周长 L r = 30.84 隧道断面 A ｒ = ６7.26 m 2 当量直径 D ｒ ＝ 9．２5 ｍ 自然风引起的洞内风速 V ｎ= 2．5 m ／s 空气密度:31.20/kg m ρ=

隧道起止桩号、纵坡和设计标高：

隧道进口里程桩号为Ｋ0+1６０，设计高程181.３６米。出口里程桩号

为K1,设计高程180．58米。隧道总长度L 为８40m 。

设计交通量：11２７.４辆／h

交通组成:小客 大客 小货 中货 大货 拖挂

1９.3％ 3０.１% 7.8％ 17．3% ２2．6%

2.9%

汽 柴 比：

小货、小客全为汽油车 中货为0．６8：0.32 大客为0.７１:0.２9 大货、拖挂全为柴油车 隧道内平均温度：取20o C

５．2.1 ＣO 排放量

据《JTJ ０２６．1—1９9９公路隧道通风照明设计规范》中关于隧道内的CO 排放量及需风量的计算公式，行车速度分别按40ｋｍ/h 、20km/h 、1０km/h 的工况计算。

取CO 基准排放量为：30.01/co q m km =?辆 考虑CO 的车况系数为: 1.0a f = 据《J ＴJ026.1—1９９9公路隧道通风照明设计规范》中,分别考虑工况车速40km/h 、20ｋm/h 、10ｋm ／h,不同工况下的速度修正系数fiv 和车密度修正系数fd 如表5.1所示：

表5.1 不同工况下的速度修正系数和车密度修正系数取值

考虑CO 的海拔高度修正系数:

平均海拔高度:181.36180.58

180.972

m += 取 1.45h f =

考虑ＣO 的车型系数如表５．2:

表５.２考虑CO 的车型系数

交通量分解：

汽油车:小型客车２1８,小型货车８8,中型货车133,大型客车241 柴油车：中型客车６2, 大型客车9８，大型货车255，拖挂3３ 计算各工况下全隧道CO 排放量： 按公式（5.3.1)计算，

()1

613.610n

CO

co a d h iv m m m Q q f f f f L N f ==?????????∑ （５.２.１） 式中

CO Q ——隧道全长CO 排放量(m 3／ｓ)

co q ——C Ｏ基准排放量(3/m km ?辆 ）,可取 30.01/m km ?辆 ； a f ——考虑C Ｏ的车况系数，取为1.0； d f ——车密度系数,按表5－1取值；

h f ——考虑CO 的海拔高度系数,取 1.45h f = iv f ——考虑ＣO 的纵坡—车速系数，按表5-1取值； m f ——考虑C Ｏ的车型系数，按表5-2取值；

n ——车型类别数；

m N ——相应车型的设计交通量辆/h 。 当40/v km h =时 查表得到：

q ｃｏ =0.01 , f a =1.１ , f d =1.5 ， f h =１.5 ，

L 1 ＝ ２40 , Ｌ2 ＝6０0 ， f iv1 =1.０ , f iv2 =1．0 ,

6

1

0.01 1.1 1.5 1.45 1.08403.610CO Q =???????

()218629825533 1.088 2.513352417?++++?+?+?+????? 30.0181/m s =

其他各种工况车速下C Ｏ的排放量用同样的方法计算,得出计算结果如表５.3:

表5.3 各工况车速下的ＣO 的排放量

最大CO 由上述计算可以看出，在工况车速为10km/ｈ时,C Ｏ排放量最大,为:30.0712/CO Q m s =

稀释C Ｏ的需风量

根据技术要求，C Ｏ的设计浓度为:

正常行驶200ppm δ=，阻塞路段为300ppm δ=

隧址夏季设计温度取 20o C ,换算成为绝对温度27320293T K =+= 稀释CO 的需风量按(５.3.2)公式计算:

()6

00

10CO req CO Q p T

Q p T δ=???

（5.2．2)

式中 ()req CO Q ——隧道全长稀释CO 的需风量（m 3/ｓ)

δ——CO 设计浓度（正常路段为２50p ｐm,阻塞路段为300ppm ）

； 0p ——标准大气压（kN/m 2),取101.325 kN/ｍ2;

T ——隧址夏季的设计气温(K ）,取 ２９３K;

p ——隧址设计气压，取为 97．88０kN/m 2; 0T ——标准气温，取2７3K 。

()60.0712101.325293

1020097.88273

req CO Q =???

3395.5/m s =

5.2．２烟雾排放量

取烟雾基准排放量为:22.5m /km VI q =?辆 考虑烟雾的车况系数为:() 1.0a VI f =

依据《JTJ ０2６.1—１999公路隧道通风照明设计规范》,分别考虑工况车速80km ／h 、 6０km/ｈ、40ｋm ／ｈ、２０ｋm/h 以及交通阻塞（阻塞路段车速按1０k ｍ／h 及长度按１km 计算)时，不同工况下的速度修正系数()iv VI f 和车密度修正系数d f 如表所示：

考虑烟雾的海拔高度系数

平均海拔高度:181.36180.58

180.972

m +=，取 1.25h f =

考虑烟雾的车型系数如下表5.5

表5.5 考虑烟雾的车型系数

按公式(5．3.３)计算各工况车速下烟雾排放量:

()()()()()

61

1

3.610n

D

VI VI d m a VI h VI iv VI m VI m Q q f f f f L N f ==?????????∑ (５.2.

３)

式中

VI

Q

——隧道全长烟雾排放量（ｍ3/s)

VI

q

——烟雾基准排放量（m 3/km ?辆),可取2．5 m 2/km ?辆; ()a VI f ——考虑烟雾的车况系数，按规范取值,取 1.0; ()

h VI f ——考虑烟雾的海拔高度系数，按规范查得取1．25；

d f ——车密度系数，按表５-4取值；

()iv VI f ——考虑烟雾的纵坡—车速系数，按表5-4取值; ()

m VI f

——考虑烟雾的车型系数，按表5-5取值;

n

D ——柴油车车型类别数。

算出各工况车速下的烟雾排放量如下表5.６:

表 ５.6 各工况车速下的烟雾排放量

最大烟雾排放量：由上述计算可知,在工况车速为1０（k ｍ/h)时，烟雾排放量最大，为：32.404/VI Q m s =

稀释烟雾的需风量

根据规范,正常时取烟雾设计浓度为K=0.00701m -，交通阻滞时取烟雾设计浓度为K=0.00901m -

稀释烟雾的需风量按公式(5.３.4)计算:

()VI

req VI Q Q K

=

（5．2.4）

式中 ()req VI Q ——隧道全长稀释烟雾的需风量(m 3/s)

K ——烟雾设计浓度（1m -)

()32.404

267.11/0.0090

VI req VI Q Q m s K ===

5.２.3稀释空气内异味的需风量

取每小时换气次数为5次，则有：

()r req A L

Q n

t

?=?异味

(５．3.５)

计算得：

()367.26840

5156.94/3600

req Q m s ?=?=异味

5.2.４交通阻滞时的通风量计算

C Ｏ设计浓度为δ=300ｐｐｍ 烟雾设计浓度K=０．00９0 1m - 取隧道长度L=１0０0m 设计时速ｖ=10k ｍ/h 则有:

交通阻滞时稀释CO 的需风量

()60.0712101.325293

1030097.88273

req CO Q =???

3263.7/m s = 交通阻滞时按烟雾排放量计算通风量

()32.404

267.11/0.0090

VI req VI Q Q m s K ===

结论

综合以上计算可知，本隧道的通风量由烟雾排放量的需风量决定，为 ()3386.6/req CO Q m s =

5.3通风计算

5.3.１计算条件

隧道长度:840m L =

隧道断面面积：267.26m r A = 隧道断面周长：30.84r G m =

隧道当量直径：4463.74

8.2730.84

r r r D D m G ?=== 设计交通量（远期）：1127.4/h 辆 需风量:()3386.6/req CO Q m s = 隧道设计风速：()386.6

5.75/67.26

req CO r r

Q v m s A =

=

= 隧址空气密度：31.20/kg m ρ=

表5.７ 损失系数

5.3.２隧道内所需升压力计算

(1)自然风阻力(2

12

e r r r L

v D ρξλ??++?

?? ???）: 2

12

m e r r r L

p v D ρξλ???=++?

?? ??

? (５.3.1) 式中 e ξ——自然风阻力（N ／m 2);

e ξ——隧道入口损失系数，可按规范取值,取０．６;

r v ——自然风作用引起的洞内风速，取2~3 m/ｓ,取3；

ρ——空气密度,取1．2kg/m 3

L ——隧道长度

r λ——隧道壁面摩阻损失系数,可按规范取值，取0.０2； r D ——隧道断面当量直径,计算得9.25r D m =; r A ——隧道净空断面积(m 2)， r G ——隧道断面周长。 (2)通风阻抗力(r p ?）：

212r e r r r L p v D ρ

ξλ???=++??? ??

?

(5.3．2）

式中

r v ——隧道设计风速(m/s ）, 6.07/r v m s =

(3）交通通风力（t p ?):

2()()2m t t r r A p n v v A ρ

++?=???- (5.3.3-1）

式中

t p ?——交通通风力；

n +——隧道内与r v 同向的车辆数,()

3600t N L

n v +++?=

?; (5.3.３-2）

()t v +——与r v 同向的各工况车速（m ／s)

m A ——汽车等效阻抗面积(m 2) 11(1)m cs cs cl cl

A r A r A ξξ=-??+??

(5.3.3-3） 式中

cs A ——小型车正面投影面积（ｍ2)，可取2.13 m 2; cl A ——大型车正面投影面积(m 2)，可取5.37 m 2；

cs

ξ

——小型车空气阻力系数，可取0.5；

cl ξ——大型车空气阻力系数，可取１.0； 1r ——大型车比例,为０．5５6 。

则有:

11(1)m cs cs cl cl A r A r A ξξ=-??+??

()10.556 2.130.50.556 5.37 1.0=-??+??

23.46m =

当速度40/11.11/v km h m s ==时,

自然风阻力:212e r r r L v D ρξλ??++??? ??

?=2840 1.210.60.0239.252??++??? ???=2

18.45/N m 通风阻抗力：r p ?=212e r r r L v D ρ

ξλ??++??? ??

?

=2840 1.210.60.02 5.759.252?

?++??

? ??

? =267.77/N m

交通通风力： ()3600t N L n v +++?=?＝1127.4840

360011.11

??＝23.68

2()()2m t t r r A p n v v A ρ++?=???-=23.46 1.225.1(11.11 5.75)67.262???-=241.52/N m

所需升压力(p ?）:

p ?=m r t p p p ?+?-?

=218.4568.7741.5245.7(/)N m +-=

其他各种工况车速下，隧道内所需升压力用同样的方法计算，得出计算结果 5.

８:

表５.8 隧道内所需升压力计算结果表

５.4通风机台数的计算

在满足隧道设计风速 6.07/r v m s =的条件下,射流风机台数可按式（5.4.1）计算：

j

p

i p ?=

? （5.4.１)

式中 i ——所需射流风机的台数（台)；

j p ?——每台射流风机升压力(2/N m ）。

每台射流风机升压力按式（5.５.2）计算：

21j r j j r j A v p v A v ρη??

?=???-? ? ???

（5.4.2)

式中 j v ——射流风机的出口风速(/m s )；

j A ——射流风机的出口面积（2m ）；

η——射流风机位置摩阻损失折减系数,按规范取值。

（1） 选择9０0型射流风机所需台数 900型射流风机每台的升压力j p ?的计算: 取25/j v m s =，20.636j A m =，0.8η=则有: 代入得：

20.636 6.071.22510.867.2625j p ??

?=??

-? ???

4.5=（2/N m ）

故 86.37

19.220()4.5

i =

=≈台 （2） 选择1120型射流风机所需台数

1120型射流风机每台的升压力j p ?的计算:

取30/j v m s =,20.98j A m =，0.9η= 代入得：

20.98 6.071.23010.967.2630j p ??

?=??

-? ???

8.9=（2/N m ) 故 86.37

9.710()8.9

i ==≈台

5.5风机的布置

经过综合考虑,本隧道选用900型射流风机，通风机选择两侧对称布置,间距84米。射流机设置于建筑限界以外20c ｍ处，风机轴线与隧道轴线平行采用固定式设置,支承风机的结构应保证在实际静荷载的15倍以上，风机安装前应做支承结构的荷载实验。在通风机的使用中，可根据实际情况做出合理调整,做到最优化的布置及使用。