城市立交互通隧道縱向通風(fēng)方案優(yōu)化

邢文典，王明年，李 珂，李 博

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031；2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031)

[通信作者]王明年，教授，博導(dǎo)。

隨著我國(guó)隧道修建技術(shù)的進(jìn)步以及人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，城市隧道等地下交通形式越來越為人們廣泛運(yùn)用。國(guó)內(nèi)已建成的大型城市立交互通隧道有廈門的萬石山地下立交隧道，在建的有廈門東坪山立交隧道和海滄疏港通道-海景路城市立交互通隧道以及重慶的朝天門兩江隧道。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于城市立交互通隧道的通風(fēng)方案進(jìn)行了一定研究，劉宏[1]等對(duì)大型地下立交通風(fēng)技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究，提出了當(dāng)大型地下互通式立交左右洞隧道通風(fēng)負(fù)荷差異較大時(shí)，可設(shè)置洞內(nèi)空氣交換站的縱向式通風(fēng)方案降低功耗；王中正[2]等對(duì)深圳市過境高速公路連接線工程進(jìn)行了正常營(yíng)運(yùn)和火災(zāi)工況下的風(fēng)機(jī)配置。但上述研究主要針對(duì)實(shí)現(xiàn)清潔空氣有效利用的方法或存在依托工程互通形式較為簡(jiǎn)單的問題。

1 工程概況

廈門海滄疏港通道-海景路城市立交互通隧道下穿蔡尖尾山，海景路與疏港通道交叉處通過設(shè)置A、D兩條匝道解決廈成高速與港區(qū)之間的交通轉(zhuǎn)換，通過設(shè)置B、C兩條匝道解決廈門本島與港區(qū)之間的交通轉(zhuǎn)換。廈門海滄疏港通道-海景路城市立交互通隧道如圖1所示，隧道參數(shù)見表1。

圖1 海滄疏港通道-海景路城市立交互通隧道

由圖1可知廈門海滄疏港通道-海景路城市立交互通隧道的特點(diǎn)是主隧道分支匝道及匝道內(nèi)部枝生匝道，其網(wǎng)絡(luò)形式復(fù)雜，不僅東西向單向雙線主隧道與南北向單向雙線主隧道交通互通，匝道之間亦有交通分流匯流情況。目前尚無類似工程的通風(fēng)方案研究，本文旨在建立立交互通隧道的通風(fēng)控制標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)原縱向式通風(fēng)方案進(jìn)行優(yōu)化。

表1 隧道參數(shù)

2 通風(fēng)計(jì)算方法

2.1 通風(fēng)計(jì)算體系

廈門海滄疏港通道-海景路城市立交互通隧道主匝道互通網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，根據(jù)匝道連接節(jié)點(diǎn)將互通隧道劃分區(qū)段如圖2所示。

圖2 城市立交互通隧道通風(fēng)計(jì)算分段

2.2 隧道運(yùn)營(yíng)需風(fēng)量計(jì)算

根據(jù)JTG/T D70/2-02-2014《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》，以滿足遠(yuǎn)期2040年隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)為目標(biāo)，計(jì)算隧道各區(qū)段運(yùn)營(yíng)時(shí)稀釋煙塵、CO和滿足換氣要求的需風(fēng)量。隧道遠(yuǎn)期高峰小時(shí)交通量見圖3，隧道遠(yuǎn)期需風(fēng)量計(jì)算結(jié)果見表2。

2.3 通風(fēng)控制標(biāo)準(zhǔn)

由于廈門海滄疏港通道-海景路城市立交互通隧道存在多匝道與主隧道相連，污染物在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)竄流，很多區(qū)段實(shí)際通風(fēng)是被污染的空氣，因此城市立交互通隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)各區(qū)段設(shè)計(jì)通風(fēng)量中包含的新鮮風(fēng)量應(yīng)滿足各區(qū)段需風(fēng)量。根據(jù)廈門海滄疏港通道-海景路城市立交互通隧道主匝道互通形式，將風(fēng)流互通形式分為分流和匯流。下面根據(jù)新鮮風(fēng)量滿足需風(fēng)量的要求分別對(duì)分流和匯流兩種形式進(jìn)行區(qū)段設(shè)計(jì)風(fēng)量的理論推導(dǎo)，從而將各區(qū)段設(shè)計(jì)風(fēng)量作為城市立交互通隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)控制標(biāo)準(zhǔn)(圖4、圖5)。

圖3 遠(yuǎn)期2040年疏港通道—海景路立交流量流向(pcu/h)

表2 隧道遠(yuǎn)期需風(fēng)量 m3/s

圖4 分流示意

圖5 匯流示意

2.3.1 分流

(1)

式中：Q1為區(qū)段1的設(shè)計(jì)風(fēng)量；Qreq1為區(qū)段1的需風(fēng)量；C1為區(qū)段1新鮮空氣利用率；C0為區(qū)段1前區(qū)段新鮮空氣利用率。

那么區(qū)段2的設(shè)計(jì)風(fēng)量應(yīng)滿足：

(1-C1)·Q2≥Qreq2

(2)

即：

(3)

式中：Q2為區(qū)段2的設(shè)計(jì)風(fēng)量；Qreq2為區(qū)段2的需風(fēng)量；同理，區(qū)段3的設(shè)計(jì)風(fēng)量應(yīng)滿足：

(1-C1)·Q3≥Qreq3

(4)

即：

(5)

式中：Q3為區(qū)段3的設(shè)計(jì)風(fēng)量；Qreq3為區(qū)段3的需風(fēng)量。

2.3.2 匯流

(6)

(7)

(1-C1)·Q1+(1-C2)·Q2≥Qreq3

(8)

Q3=Q1+Q2

(9)

3 城市立交互通隧道縱向式通風(fēng)方案優(yōu)化

3.1 全射流縱向式通風(fēng)方案

廈門海滄疏港通道-海景路城市立交互通隧道首先采用全射流縱向式通風(fēng)，風(fēng)向與單向交通行車方向一致，根據(jù)隧道各區(qū)段新鮮風(fēng)需風(fēng)量，由2.3節(jié)分流和匯流的通風(fēng)設(shè)計(jì)風(fēng)量的理論推導(dǎo)公式，得出廈門海滄疏港通道-海景路城市立交互通隧道各通風(fēng)計(jì)算區(qū)段的設(shè)計(jì)通風(fēng)量和設(shè)計(jì)風(fēng)速如表3所示。

由表3可以得出全射流縱向式通風(fēng)在滿足各隧道區(qū)段設(shè)計(jì)風(fēng)量時(shí)，海景路左線二段的風(fēng)速達(dá)到了10.4 m/s，超過了規(guī)范要求的風(fēng)速10 m/s限值。因此，采用全射流縱向通風(fēng)方案不能滿足海滄疏港通道-海景路城市立交互通隧道的通風(fēng)設(shè)計(jì)。

3.2 分段縱向式通風(fēng)初步方案

在全射流縱向通風(fēng)不能滿足通風(fēng)設(shè)計(jì)的前提下，將其改為分段縱向式通風(fēng)設(shè)計(jì)方案，將送排風(fēng)斜井布置在疏港通道，其中左線送風(fēng)道里程ZK4+800，左線排風(fēng)道里程ZK4+855；右線送風(fēng)道里程YK4+898，右線排風(fēng)道YK4+840。通風(fēng)斜井布置示意圖如圖6所示。

表3 全射流縱向式通風(fēng)設(shè)計(jì)風(fēng)量及設(shè)計(jì)風(fēng)速

廈門海滄疏港通道—海景路城市立交互通隧道分段縱向式通風(fēng)初步方案各通風(fēng)計(jì)算區(qū)段的設(shè)計(jì)通風(fēng)量和設(shè)計(jì)風(fēng)速見表4。

由表4可以得出分段縱向式通風(fēng)初步方案在滿足各隧道區(qū)段設(shè)計(jì)風(fēng)量時(shí)，海景路左線下游的風(fēng)速依然達(dá)到了10.4 m/s，超出了規(guī)范要求的風(fēng)速10 m/s限值。因此，送排風(fēng)斜井布置在疏港通道的情況下，分段縱向通風(fēng)方案仍不能滿足海滄疏港通道-海景路城市立交互通隧道的通風(fēng)設(shè)計(jì)，需要修改通風(fēng)方案。

3.3 分段縱向式通風(fēng)優(yōu)化方案

根據(jù)前面計(jì)算結(jié)果分析判斷，通風(fēng)不滿足要求區(qū)段均是海景路左線下游，決定對(duì)分段縱向式通風(fēng)方案進(jìn)行優(yōu)化，調(diào)整通風(fēng)斜井位置設(shè)于海景路左線下游，右線上游。優(yōu)化方案示意圖如圖7所示。

圖6 分段縱向式通風(fēng)初步方案

圖7 分段縱向式通風(fēng)優(yōu)化方案

廈門海滄疏港通道-海景路城市立交互通隧道分段縱向式通風(fēng)優(yōu)化方案各通風(fēng)計(jì)算區(qū)段的設(shè)計(jì)通風(fēng)量和設(shè)計(jì)風(fēng)速見表5。

表4 分段縱向式通風(fēng)初步方案設(shè)計(jì)風(fēng)量及設(shè)計(jì)風(fēng)速

表5 分段縱向式通風(fēng)初步方案設(shè)計(jì)風(fēng)量及設(shè)計(jì)風(fēng)速

由表5可以得出分段縱向式通風(fēng)優(yōu)化方案在滿足隧道各區(qū)段設(shè)計(jì)風(fēng)量的同時(shí)通風(fēng)風(fēng)速均滿足規(guī)范要求的單向交通隧道設(shè)計(jì)風(fēng)速10 m/s限值要求。因此分段縱向通風(fēng)優(yōu)化方案能滿足海滄疏港通道-海景路城市立交互通隧道的通風(fēng)設(shè)計(jì)。

基于海滄疏港通道-海景路城市立交互通隧道分段縱向式通風(fēng)優(yōu)化方案的控制標(biāo)準(zhǔn)，利用網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)技術(shù)，對(duì)海滄疏港通道-海景路城市立交互通隧道進(jìn)行風(fēng)機(jī)配置。

網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)計(jì)算通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)如圖8所示。風(fēng)機(jī)配置參數(shù)如表6和表7所示。

圖8 優(yōu)化方案通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)

表6 射流風(fēng)機(jī)參數(shù)

表7 SDZ260參數(shù)

分段縱向式通風(fēng)優(yōu)化方案風(fēng)機(jī)配置如圖9所示。

圖9 優(yōu)化方案風(fēng)機(jī)配置

對(duì)風(fēng)機(jī)配置進(jìn)行通風(fēng)控制標(biāo)準(zhǔn)校核，檢驗(yàn)風(fēng)機(jī)配置的合理性和正確性(表8)。由表8可得，分段縱向式通風(fēng)優(yōu)化方案風(fēng)機(jī)配置合理，通風(fēng)優(yōu)化方案可行。

表8 分段縱向式通風(fēng)優(yōu)化方案風(fēng)機(jī)配置控制標(biāo)準(zhǔn)校核

4 結(jié)論

(1)根據(jù)廈門海滄疏港通道-海景路城市立交互通隧道工程特點(diǎn)，建立了立交互通隧道通風(fēng)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)模型。

(2)根據(jù)風(fēng)量守恒原理和通風(fēng)需風(fēng)量要求，建立了城市立交互通隧道風(fēng)流分流和匯流情況下的通風(fēng)控制標(biāo)準(zhǔn)。

(3)對(duì)海滄疏港通道-海景路城市立交互通隧道通風(fēng)方案進(jìn)行了優(yōu)化，將通風(fēng)斜井位置調(diào)整到設(shè)計(jì)風(fēng)速超出規(guī)范限值的區(qū)段，即調(diào)整到海景路左線下游，右線上游。優(yōu)化后的分段縱向式通風(fēng)方案滿足通風(fēng)控制標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)亦滿足風(fēng)速限值要求。

(4)根據(jù)分段縱向式通風(fēng)優(yōu)化方案，對(duì)海滄疏港通道-海景路城市立交互通隧道進(jìn)行了風(fēng)機(jī)配置，可以應(yīng)用于實(shí)際工程。