一种带竖斜井的双线代偿式通风系统的制作方法

本实用新型属于隧道工程技术领域，具体涉及到一种具有双线代偿通道结合竖井送排的混合通风系统的双洞特长隧道结构。

背景技术：

纵观现有的双洞公路隧道，其通风系统从单纯依靠自然风或交通风的最简单的纵向通风，到横向式、半横向式通风，现已逐步演变为利用射流风机、利用斜(竖井)送排风、斜(竖井)送排风和射流风机相结合、射流风机和电气集尘相结合、双洞互补等多种通风。随着经济和技术的发展，隧道逐渐趋向于“长大化”，这使得其施工难度大，通风系统投资大，运营管理费用极高，造成电能的极大消耗。

经验表明长大公路隧道通风设备及土建费用一般为整个工程造价的10％～30％，隧道运营通风所需能耗与隧道长度成正比增加，其费用将是一笔巨大的开支。此外，随着越来越多的公路隧道被建成并投入运营，公路隧道事故也呈现逐年上升的趋势。由于隧道拥有结构复杂、空间狭小、通风条件受限、纵深较长、出入口少等特点，不合理的通风设计会引发多种交通事故，甚至发生隧道火灾。一旦发生火灾，火灾持续时间长、影响范围大、烟雾难以排出、火势扑救和人员疏散都将十分困难，且救援难度很大，往往会造成极具破坏性和危险性的后果，甚至产生二次灾害，进而造成较大的经济损失或者人员伤亡，产生较大的社会影响。所以，建设具有兼顾经济和安全的通风系统的双洞特长隧道是隧道未来发展的趋势。

目前，对于超过5km的特长隧道最为普遍采用的通风方法为设置竖斜井进行纵向通风，随着隧道长度的增加，可能需要两座、三座甚至更多的竖斜井来降低隧道污染物浓度，其土建工程量较多，风机设备花费大，运营成本高。另一方面，由于坡度和交通量不均衡，特长公路隧道的上行隧道和下行隧道所需要的需风量往往有较大差异，只设置竖斜井进行纵向通风会忽略这个特点，从而造成投资的增大，电力资源的浪费。

带竖斜井的双线代偿式混合通风系统即是一种能够很好适用于特长公路隧道的运营通风方式，是一种节能的通风系统。本实用新型将给出双洞特长公路隧道一种具有节能效果新的通风系统设计方法。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足,提供一种设计合理、整体进行内部能够相互通风换气、使得两条隧道内空气质量均能够满足通风要求的带竖斜井的双线代偿式通风系统及应用方法。

解决上述技术问题采用的技术方案是：包括上行隧道和下行隧道，上行隧道和下行隧道顶部均设置有射流风机，下行隧道区间内设置有第一竖斜井和第二竖斜井，上行隧道上第一竖斜井对应位置设置有与第一竖斜井相连通的上行排风通道和上行送风通道，下行隧道上第一竖斜井对应位置设置有与第一竖斜井相连通的下行火灾排烟通道，上行隧道上第二竖斜井对应位置设置有与第二竖斜井相连通的上行火灾排烟通道，下行隧道上第二竖斜井对应位置设置有与第二竖斜井相连通的下行排风通道和下行送风通道，第一竖斜井和第二竖斜井之间设置有使上行隧道和下行隧道相连通的上行代偿通道和下行代偿通道，上行代偿通道和下行代偿通道内气流方向相反，上行代偿通道和下行代偿通道内均设置有轴流风机，上行代偿通道与上行隧道气流分流处设置有送风口风隔板，下行代偿通道与下行隧道气流分流处设置有送风口风隔板，第一竖斜井和第二竖斜井内均设置有轴流风机。

本实用新型的上行代偿通道和下行代偿通道之间的距离为50～100m。

本实用新型的送风口风隔板为矩形板，矩形板的长度为50mm、宽度10cm，送风口风隔板由加防火材料的轻质板制作。

本实用新型的第一竖斜井和第二竖斜井的距离不得大于5km。

本实用新型相比于现有技术具有以下优点：

1、土建量稍小，土建费用有所降低；

2、风机配备的射流风机比之前稍有增加，但轴流风机数目减小，按总费用来说，其购置费用降低。

3、电机功率比单斜井方案少，通风系统规模减少，运营管理费用下降，有良好的经济效益。

4、本实用新型在保证整座隧道通风系统初期投资没有较大波动并降低运行费用的前提下，充分利用了两条负荷不均匀的隧道内污染物浓度差值进行互补代偿，减小的竖斜井的数量，减少工程数量，并可利用施工斜井作为通风通道，能极大减少建设费用，提高通风效率，避免不必要浪费，降低后期运营费用。

附图说明

图1为具有双洞互补式结合竖井送排式通风系统的双洞特长隧道结构图。

图2是图1的A-A断面示意图。

图3是图1的B-B断面示意图。

图4是图1的C-C断面示意图。

图5是图1的D-D断面示意图。

图6是图1的E-E断面示意图。

图7是图1的污染物浓度分布图。

图8是隧道内风流示意图。

图9原方案通风示意图。

图中：1、下行隧道；2、上行隧道；3、上行送风通道；4、上行排风通道；5、上行代偿通道；6、下行代偿通道；7、上行火灾排烟通道；8、下行排风通道；9、下行送风通道；10、轴流风机；11、第二竖斜井；12、第一竖斜井；13、下行火灾排烟通道；14、送风口风隔板；15、射流风机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步详细说明，但本实用新型不限于这些实施例。

实施例1

在图1～6中，本实用新型一种带竖斜井的双线代偿式通风系统,包括上行隧道2和下行隧道1，上行隧道2和下行隧道1顶部均安装有射流风机15，射流风机15用于平衡隧道内风压，下行隧道1区间内设置有第一竖斜井12和第二竖斜井11，本实用新型的第一竖斜井12和第二竖斜井11的距离不得大于5km。上行隧道2上第一竖斜井12对应位置设置有与第一竖斜井12相连通的上行排风通道3和上行送风通道4，上行排风通道3和上行送风通道4用于上行隧道2与外界进行适量的换气，下行隧道1上第一竖斜井12对应位置设置有与第一竖斜井12相连通的下行火灾排烟通道13，上行隧道2上第二竖斜井11对应位置设置有与第二竖斜井11相连通的上行火灾排烟通道7，下行隧道1上第二竖斜井11对应位置设置有与第二竖斜井11相连通的下行排风通道8和下行送风通道9，下行排风通道8和下行送风通道9用于下行隧道与外界进行适量的换气，上行火灾排烟通道7和下行火灾排烟通道13均距离最近的竖斜井设置，减小火灾烟气流经长度，提高隧道防灾能力，正常运营情况下为关闭状态，当发生火灾时开启上下行隧道的排烟通道。

第一竖斜井12和第二竖斜井11之间设置有使上行隧道2和下行隧道1相连通的上行代偿通道5和下行代偿通道6，为防止烟气串流，所述的上行代偿通道5和下行代偿通道6之间的距离为50～100m。上行代偿通道5和下行代偿通道6内气流方向相反，通过两条代偿通道使上行隧道2向下行隧道1导风和下行隧道1向上行隧道2导风，上行代偿通道5和下行代偿通道6内均设置有轴流风机10，轴流风机10为代偿隧道提供动力，代偿通道进风口和出风口都为圆角形式；为保证行车安全，上行代偿通道5与上行隧道2气流分流处设置有送风口风隔板14，下行代偿通道6与下行隧道1气流分流处设置有送风口风隔板14，本实用新型的送风口风隔板14为矩形板，矩形板的长度为50mm、宽度10cm，送风口风隔板由加防火材料的轻质板制作。第一竖斜井12和第二竖斜井11内均设置有轴流风机10，轴流风机10将污染物浓度高的空气排出隧道，并送入新鲜空气。

隧道内风流方向如图8所示，上行隧道2风流朝着行车方向向左流动，到达下行代偿通道6位置后分流，一部分空气流入下行隧道1，剩余空气与通过上行代偿通道5送入的空气混合，风流继续往前，到达上行排风风道4后分流，部分导出，剩余的与上行送风风道3的新鲜空气混合，继续向前，流出隧道，下行隧道1气流流向与上行隧道2相反。

隧道内污染物浓度如图7所示，粗锯齿线表示下行隧道1污染物浓度的变化，波纹线表示上行隧道2污染物浓度的变化，横向细实线表示隧道污染物浓度限值，虚线表示两条隧道未经过任何通风处置措施，上下行隧道内的污染物浓度在隧道的后半段会有部分超出限制值，通风系统不能够保证隧道内空气质量。Ln为上下行隧道第一次污染物浓度相等时的位置，此时浓度要小于污染物浓度限值；Lm为下行隧道污染物浓度即将达到限值的位置，此时应两条代偿通道设置在Ln—Lm之间。

随着隧道不断深入，其污染物浓度逐渐增加；当上下行隧道经过两条代偿通道进行双向换气后，下行隧道内污染浓度较高的气流与上行污染物浓度较低的气流混合，使得下行隧道污染物浓度有一定比例的下降，上行隧道内气流在经过双线代偿系统后与下行隧道内污染浓度相对较高的气流交换，上行隧道污染物浓度发生较大的增长；当气流达到两条隧道的竖斜井处，上下行隧道的污染物浓度均达到最大，且均小于污染物浓度限制值，经过送、排风风道的作用，一定比例的高污染物浓度的空气会被排出隧道，一定比例的新鲜空气会被送入隧道，与高污染物浓度的空气混合，降低污染物浓度；到达洞口时，上下行隧道污染物浓度不超过最大限值，最终被排出洞外。

本实用新型为进行竖斜井送排风和火灾排烟可设置地表风机房或地下风机房，按隧道所在具体环境、安全、经济等因素进行选取。

本实用新型形式一般适用于超过7km的特长隧道，并存在因上下行交通量和坡度等因素使得上下行需风量不均衡的现象，若隧道过长，可视情况增加竖斜井数量，经过计算，本实用新型可节约建设和运营经费的10％～20％。

一种带竖斜井的双线代偿式通风系统的应用方法，包括以下步骤：

S1、确定竖斜井位置：竖斜井距离洞口极限距离需满足两个条件；

a、上行隧道2进口到第一竖斜井12的需风量与下行隧道1进口到第二竖斜井11的需风量之和小于限制风量Q限

Q限＝2V限Ar

式中，Ar—隧道断面面积；

V限—隧道限制风速，一般取10m/s；

b、第一竖斜井12和第二竖斜井11的间隔不得大于5km；考虑火灾情况下的排烟要求；

第一竖斜井12距上行隧道2进口的极限距离或第二竖斜井11距下行隧道1进口的极限距离Lt为：

T上—上行隧道2需风量随进深变化的增长速率,即上行隧道2需风量与长度的比值。

T下—下行隧道1需风量随进深变化的增长速率,即下行隧道1需风量与长度的比值。

竖斜井设置时，一般取极限距离，通风效果最优；

S2、竖斜井内轴流风机的选型布置：

本实用新型适用于上下行负荷比较大的隧道，主要影响在需风量方面，影响本实用新型的需风量因素主要有环境(温度和海拔)、隧道设计长度、纵坡坡度、实测交通量及其组成以及隧道的间距，其中依据试验计算对比，环境(温度和海拔)因素影响较小，总体时可不做重点考虑。

a、确定上行隧道2进口至第一竖斜井12风量和下行隧道1进口至第二竖斜井11风量，本实用新型的风量是根据上下行需风量之和的1/2，由于风机功率与风量的三次方成正比，当上行隧道2进口至第一竖斜井12风量Q上和下行隧道1进口至第二竖斜井11风量Q下相等时，风机功率最小，即

Q上—上行隧道2进口至第一竖斜井12风量；

Q下—下行隧道1进口至第二竖斜井风量11；

Q上需—上行隧道2进口至第一竖斜井12需风量；

Q下需—下行隧道1进口至第二竖斜井11需风量；

b、本实用新型中的竖井送排设计与常规的竖井设计不同，只需要将污染物气体部分排出，并补充适量新鲜空气即可使后段空气污染物含量满足要求，在设计上下行隧道竖斜井至隧道出口风量时，考虑交通风压力抵消竖斜井至隧道出口的风流阻力，据此可以得到竖斜井至隧道出口的风量。假设烟雾为控制要求，确定竖斜井设计送风量Q送和排风量Q排；

qc—上行隧道2第一竖斜井12至出口的污染物排放量或下行隧道1第二竖斜井11至出口的污染物排放量；

K—污染物浓度限值；

式中，VC—上行隧道2出口距第一竖斜井12或下行隧道1出口距第二竖斜井11风速，

其中,Am—汽车等效阻抗面积；n—隧道内车辆数；ρ—隧道内空气密度；ζ—隧道内局部阻力损失系数和；λ—沿程阻力系数；D—隧道当量直径；Vt—行车速度；

c、确定竖斜井内排风轴流风机和送风轴流风机的功率

排风轴流风机的功率Sthe

送风轴流风机的功率Sthb

式中，Ptotb—送风机的设计风压(Pa)；

A排—排风井的面积(m²)；□

Pse—由隧道内排风口到通风井排风口的沿程阻力和局部阻力之和(Pa)；

Pe—排风口的升压力(Pa)；

Qa—轴流风机的风量(m³/s)；

t1—风机环境温度(℃)；

t0—标准温度(℃)；

p1—风机环境大气压(N/m²)；

p0—标准大气压(N/m²)；

A送—送风井的面积(m²)；

Psb—由隧道内送风口到隧道内送风口的沿程阻力和局部阻力之和，(Pa)；

Pb—送风口的升压力(Pa)；

S3、上行代偿通道5和下行代偿通道6位置确定：Ln为上、下行隧道第一次污染物浓度相等时的位置，此时浓度要小于污染物浓度极限值；Lm为下行隧道污染物浓度即将达到限值的位置，应将两条代偿通道设置在Ln～Lm之间；

S4、上行代偿通道5和下行代偿通道6内轴流风机的选型布置：

根据互补式换气经验分析，本实用新型中为减少空气对流等不平稳现象，最好互补式通风上下隧道的换气量相等。考虑浓度关系，设定换气风量。

a、确定上行代偿通道5和下行代偿通道6的换气风量Q代

式中：T上—上行隧道需风量随进深变化的增长速率,即上行隧道需风量与长度的比值。

T下—下行隧道需风量随进深变化的增长速率,即下行隧道需风量与长度的比值。

L1—下行隧道进口与上行代偿通道的距离；

L2—上行代偿通道与第二竖斜井的距离；

L3—上行隧道进口距下行代偿通道的距离；

L4—下行代偿通道与第二竖斜井的距离；

b、确定轴流风机的功率

上行代偿通道和下行代偿通道的轴流风机功率Sthd

式中，A代—上行代偿通道和下行代偿通道截面的面积(m²)；

Psb—由隧道内送风口到隧道内送风口的沿程阻力和局部阻力之和，(Pa)；

Pb—送风口的升压力(Pa)；

Qa—轴流风机的风量(m³/s)；

t1—风机环境温度(℃)；

t0—标准温度(℃)；

p1—风机环境大气压(N/m²)；

p0—标准大气压(N/m²)；

S5、上行隧道2和下行隧道1内射流风机15的选型布置：根据上行隧道2和下行隧道1内压力平衡来确定。

以国内某一特长公路隧道作为算例，双洞单向隧道，全长将近10公里，左线长度9161m，右线长度9183m，内轮廓面积64.62m2，内轮廓周长31.28m。

(1)原方案

原方案采用三段通风方案，即：左线两区段送排风，右线三区段无轨斜井+无轨斜井送排式通风方案，其中进口端无轨斜井供右线送排风及火灾工况左线排烟，出口端无轨叙井供左右线送排风，如下图。

(2)本实用新型方案

方案拟采用带竖斜井的双线代偿式通风方式，在保证整座隧道通风系统初期投资没有较大波动并降低运行费用的前提下，充分利用了两条负荷不均匀的隧道内污染物浓度差值进行互补，并都满足安全要求。将右线栾川端一号斜井排、送风口转接到隧道左洞相同里程处，取消左线隧道双龙端2号斜井送、排口。并在两隧道的第一区段间建设换气代偿通道。改建后通风方案如图1所示。具体方案结构如下表所示。

表1双洞互补与两区段无轨斜井通风结合方案结构

(3)通风计算

表2计算参数

表3需风量

表4近期竖井送排口和代偿通道所需升压力

表5近期竖井送排口和代偿通道所需升压力

(4)风机计算

根据隧道近、远期交通量大小及考虑到火灾时射流风机控制风流的作用并备用部分射流风机,本实用新型方案设计风机功率如下：

表6改建方案风机数量表

(5)方案比选

根据隧道近、远期交通量大小及考虑到火灾时射流风机控制风流的作用并备用部分射流风机，原方案最终风机功率见表6和表7：

表7原方案风机数量表

根据两种方案对比，带竖(斜)井的双线代偿式通风系统结合方案优点如下：

(1)土建量稍小，土建费用有所降低；

(2)风机配备的射流风机比之前稍有增加，但轴流风机数目减小，按总费用来说，其购置费用降低。

(3)电机功率比单斜井方案少900kW，通风系统规模减少，运营管理费用下降，按照每度电0.6元/(kW·h)，平均每年减少运营管理费用约200万元，通车20年共产生经济效益约4000万元。