一种城市公路隧道自然通风及自然排烟系统的制作方法

本发明涉及隧道通风技术领域，具体地说是一种城市公路隧道自然通风及自然排烟系统。

背景技术：

目前，为缓解日益增长的城市交通压力，以前一些城市采用架设高架桥来构筑城市快速交通通道。由于高架桥所组成的交通通道对于城市景观、老城保护有较大的负面影响，同时产生较大的交通噪声，近年来许多城市开始选择修建市内地下交通隧道。可以预见随着城市交通流量的不断增长，地下空间的开发利用将大大加强，这类隧道将会不断持续增加。

地下隧道空气环境解决方案不仅影响到隧道的结构形式，更主要地在很大程度上决定了隧道日常运行成本的高低。与一般公路隧道不同，这类市内隧道多属于浅埋式隧道(隧道顶部距地面约2～6m)，但隧道长度越来越增加，在上世纪九十年代以200～300米的过街短隧道为主，现在则以区域性的通道为主，长度达到3000米以上。传统的通风解决方式是采用射流风机机械通风，但这种方式造成隧道内部噪声高，行车环境差，又消耗大量的运行电力。究竟采用何种方式有效解决这类隧道的空气环境问题是城市地下空间开发应用需要认真解决的重大问题。

此外，由于公路隧道特殊的结构形式以及复杂的气流条件，也为消防安全带来了一系列突出的问题。近十几年来，频繁发生的重大隧道火灾事故告诉我们，隧道火灾虽然是小概率事件，但其一旦发生且得不到有效控制的话，将带来灾难性的损失。统计结果表明，由于不完全燃烧所产生的有毒有害烟气是隧道火灾中导致人员死亡的最主要因素。传统的方法是将机械排烟与机械通风结合，火灾时利用风机形成纵向气流，将烟气排出，但是这种方式会加快火势蔓延，而且，在风机气流的扰动下，烟气的分层结构会被迅速破坏，烟气在隧道种弥漫，下层空间充满烟气，能见度低，空气稀薄，对逃生和救援非常不利。我国大部分己建成的长隧道均采用了通风换气与排烟兼用的纵向排烟系统。从验收模拟试验情况来看，其排烟效果不理想，并且由于风机功率太大，对灭火器扑灭初期火灾有着极不利的影响。

技术实现要素：

本发明的目的是针对城市公路隧道通风及排烟的问题，提出一种城市公路隧道的自然通风及自然排烟系统。

本发明的技术方案是：

一种城市公路隧道自然通风及自然排烟系统，在公路隧道顶部，每隔一段距离L开设一个通风竖井，通风竖井将隧道内部空间和隧道外部的上层大气相联通，顶部的通风竖井沿隧道纵向的长度为W；相邻两个通风竖井之间为暗埋段，前述暗埋段的顶部形成楔形结构，楔形结构的厚度即楔形结构最低点与通风竖井的底部的垂直距离H。

本发明的通风竖井的宽度按照路面绿化带的宽度进行设置。

本发明的通风竖井沿隧道纵向的长度W和隧道高度h的比值范围是：0.5-0.7，前述隧道高度h是指隧道内路面到暗埋段底部的高度。

本发明的通风竖井沿隧道纵向的长度W和隧道高度的比值是0.7。

本发明的楔形结构的厚度H与隧道自然通风效能y1、隧道自然排烟效能y2满足下述条件：

隧道自然通风效能y1、隧道自然排烟效能y2均根据隧道设计指标获取，采用上述公式计算满足隧道自然通风效能y1时的楔形结构的厚度H的范围以及满足隧道自然排烟效能y2时的楔形结构的厚度H的范围，选择同时满足前述两个范围的楔形结构的厚度H。

y1是一个自然通风量的比值。垂壁高度为零时，通风量最大。将此时的通风量作为基准通风量。y1＝实际通风量/基准通风量，y1是一个无量纲的数值，最大值为1，值越大表明通风效果越好。

本发明的暗埋段长度L与隧道自然排烟量y3、隧道自然通风量y4以及无量纲压力y5满足下述公式：

y3＝Exp[(-L/350)³]

y4＝Exp[(-L/600)²]

其中，h是隧道高度即隧道内路面到暗埋段底部的高度，隧道自然排烟量y3、隧道自然通风量y4以及无量纲压力y5均根据隧道设计指标获取；采用上述公式计算满足隧道自然排烟量y3时的暗埋段长度L的范围、满足隧道自然通风量y4时的暗埋段长度L的范围以及满足无量纲压力y5时的暗埋段长度L的范围，选择同时满足前述三个范围的暗埋段长度L。

车辆行驶，会在车头处积累正压。假设暗埋段无限长，车头的正压没有得到释放，其会逐渐增大到一个稳定值，这个被称为理论最大正压。y5是实际隧道中车头压力与理论最大正压的比值，也是一个无量纲参数。

本发明的有益效果：

本发明给出了一种城市公路隧道自然通风和自然排烟系统，以及其设计计算方法。运用本方案的公路隧道，能在车辆正常运行的情况下，利用交通风力进行自然通风；在火灾时，通过本身的结构，遏制烟气的蔓延，并收集烟气，并利用烟气本身的浮力，将其排出隧道。

本发明充分利用交通风力和烟气的浮力，完全摈弃机械通风和机械排烟方案，节约大量的运行能耗。排烟过程种没有风机引起的流场扰动，烟层分层结构稳定，烟气不会弥漫在整个隧道。有利于逃生、疏散和救援。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图。

图2是本发明的系统自然通风示意图。

图3是本发明的系统自然排烟示意图。

图4是本发明的实施例中H和L与相关因素的关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

一种城市公路隧道自然通风及自然排烟系统，在公路隧道顶部，每隔一段距离L开设一个通风竖井3，通风竖井3将隧道内部空间和隧道外部的上层大气相联通，顶部的通风竖井3沿隧道纵向的长度为W；相邻两个通风竖井3之间为暗埋段4，前述暗埋段4的顶部形成楔形结构，楔形结构的厚度即楔形结构最低点与通风竖井3的底部的垂直距离H。

本发明的通风竖井3的宽度按照路面绿化带的宽度进行设置；通风竖井3沿隧道纵向的长度W和隧道高度h的比值范围是：0.5-0.7，优选0.7，前述隧道高度h是指隧道内路面到暗埋段底部的高度。

具体实施时：

如图1所示，当公路隧道中的车辆正常行驶时，车辆运动产生的交通风力将在开孔处形成震荡性的压力波动，从而使隧道内部空气与外界得以反复交换。实验证明，隧道外界的空气在被吸入隧道后，在隧道内运动车辆的扰动下，能与隧道内底层的空气掺混。这种掺混能稀释隧道底层的气体污染物浓度，提高隧道内的空气质量。

如图2所示，当公路隧道内发生火灾时，由于隧道是狭小的近似封闭的空间，火灾时热量迅速堆积，燃烧强度大。且由于通风不足，不完全燃烧所产生的烟气是导致人员死亡的最主要因素。火灾烟气流动是一种复杂的浮力驱动流。烟气卷吸周围空气形成火羽流。火羽流撞击隧道顶面，然后向四周蔓延，最终受到隧道侧壁的限制而转变为沿隧道的一维运动。隧道顶部的“楔形”结构能起到挡烟垂璧的作用，有效抑制烟气的蔓延。此外，两个“楔形”结构及其中间的竖井将形成一个“集烟漏斗”。此漏斗状的结构能收集烟气的作用。而且，在浮力效应下，烟气从顶部竖井排出。实验已经证明，此结构能大幅抑制火灾烟气的蔓延长度，排烟迅速。排烟过程种没有风机引起的流场扰动，烟层分层结构稳定，烟气不会弥漫在整个隧道，有利于逃生、疏散和救援。

具体结构设计时，楔形结构的厚度H与隧道自然通风效能y1、隧道自然排烟效能y2满足下述条件：

隧道自然通风效能y1、隧道自然排烟效能y2均根据隧道设计指标获取，采用上述公式计算满足隧道自然通风效能y1时的楔形结构的厚度H的范围以及满足隧道自然排烟效能y2时的楔形结构的厚度H的范围，选择同时满足前述两个范围的楔形结构的厚度H。

y1是一个自然通风量的比值。垂壁高度为零时，通风量最大。将此时的通风量作为基准通风量。y1＝实际通风量/基准通风量，y1是一个无量纲的数值，最大值为1，值越大表明通风效果越好；

当隧道设计要求：隧道自然通风效能y1大于等于0.6，并且隧道自然排烟效能y2大于等于0.4时，综合满足这样个要求下，得到垂壁的高度范围0.6m-1.2m。

暗埋段长度L与隧道自然排烟量y3、隧道自然通风量y4以及无量纲压力y5满足下述公式：

y3＝Exp[(-L/350)³]

y4＝Exp[(-L/600)²]

其中，h是隧道高度即隧道内路面到暗埋段底部的高度，隧道自然排烟量y3、隧道自然通风量y4以及无量纲压力y5均根据隧道设计指标获取；采用上述公式计算满足隧道自然排烟量y3时的暗埋段长度L的范围、满足隧道自然通风量y4时的暗埋段长度L的范围以及满足无量纲压力y5时的暗埋段长度L的范围，选择同时满足前述三个范围的暗埋段长度L。

车辆行驶，会在车头处积累正压。假设暗埋段无限长，车头的正压没有得到释放，其会逐渐增大到一个稳定值，这个被称为理论最大正压。y5是实际隧道中车头压力与理论最大正压的比值，也是一个无量纲参数。

当隧道设计要求：隧道自然排烟量y3>0.7，并且隧道自然通风量y4>0.3，无量纲压力y5>0.95时，综合满足这样个要求下，得到L的取值范围为200m-350m。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。