大梁山特长公路隧道通风环境监测设施安装位置研究_潘建龙.pdf

大梁山特长公路隧道通风环境监测设施安装位置研究潘建龙1，傅长荣2*（1.丽水市公路港航与运输管理中心，浙江 丽水 323000；2.丽水学院 工学院，浙江 丽水 323000）摘要：隧道作为半密闭空间，机动车在行驶过程中排出的 CO、NO2等有害气体，将在隧道空间内沉积富集，对车辆行车安全、乘客的身体健康产生不利影响。对于中、长隧道而言，通常采用射流风机主动排风的方式降低有害气体浓度。通风环境监测设施作为主动排风系统的前端设备，其监测精度将直接影响射流风机的运行功率，进而影响隧道内有害气体的排出效率。经对现有公路隧道不完全抽样调查，发现目前通风环境监测设施安装位置所测量数据或不能代表隧道内的实际环境情况。为进一步研究通风环境监测设施在隧道内的最优布置位置及数据修正方式，以大梁山特长公路隧道为例，通过有限元模拟、比尺模型试验、现场实地采样等方式方法对环境监测设施展开研究，提出环境监测设施的最优布置位置及数据修正方式，对隧道环境监测设计有一定指导意义。关键词：隧道；气体环境；监测修正；通风；通风设备doi：10.3969/j.issn.2095-3801.2023.02.002中图分类号：U453.5文献标志码：A文章编号：2095-3801（2023）02-0009-08On the Installation of Ventilation Environment Monitoring Facilitiesin Daliangshan Extra Long Highway TunnelPANJianlong1，FUChangrong2*（1.Lishui HighwayPort and Transportation Management Center，Lishui 323000,Zhejiang;2.School ofEngineering，Lishui University，Lishui 323000，Zhejiang）Abstract：The semi enclosed-space tunnel will deposit and enrich harmful gases when CO、NO2emits during thedriving of motor vehicles,this will have adverse effects on vehicle driving safety and passengershealth.Themedium and long tunnels usually use jet fans to exhaust air to reduce the concentration of harmful gases.Thefront-end equipment of exhausting system using the ventilation environment monitoring facilities can directly affectthe operatingpower ofjet fans,sothat the exhaustingefficiencyofharmful gases in the tunnel is improved.Throughincomplete sampling survey of existing highway tunnels,it is found that the data measured at the installation收稿日期：2022-10-18；修回日期：2022-12-01基金项目：浙江省交通运输厅科技计划项目“分区级联式隧道通风无级调速控制技术研究”（2018015）作者简介：潘建龙，男，浙江丽水人，高级工程师。*通信作者：傅长荣，男，浙江丽水人，教授级高级工程师。丽 水 学 院 学 报JOURNAL OF LISHUI UNIVERSITY第 45 卷第 2 期Vol.45No.22023 年 3 月Mar.2023在公路工程中，公路隧道扮演着重要的角色。公路隧道的修建不但解决了交通行程长、地形崎岖、道路不便等诸多问题，还有效地节约了道路使用者的宝贵时间，对生态环境起到了一定的保护作用1。随着交通量的不断增长，机动车在公路隧道行驶的过程中排出的 CO、NO2等有害气体不仅会妨碍行车安全，而且还增加对车辆驾驶员身体的危害2。许多地方公路隧道临近城市，行人、非机动车与机动车在同一隧道中通行，道路使用者对隧道内的空气质量要求就更高了。汽车的有害气体以碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）、氮氧化合物（NOx）为主3，规范4中隧道内通风环境检测参数主要为 CO 浓度、烟尘浓度、NO2浓度、风速、风向、湿度等。规范4笼统规定一个通风分段（1 000 m）内在隧道侧壁安装 2 套 CO浓度、NO2浓度检测仪，2 套能见度检测仪，在距离隧道洞口 10 倍断面当量直径的位置安装 1 套风速检测仪。在一个断面处检测环境数据，相当于检测了一个点的环境数据，这难以代表隧道内的通风环境。经对现有公路隧道不完全抽样调查，发现CO/VI 检测仪安装于距离进出洞口 150 m左右，风速风向仪安装于距离进洞口 70100 m 处，安装高度距离检修道地面均为 2.53.0 m，而隧道同一断面内有害气体、隧道风速呈非均匀分布状态1-3，5，现有安装位置环境监测设施所测量数据，或不能代表隧道内的通风环境，因此通过怎样的换算可以满足对隧道通风环境监测的需求，具有一定的研究意义。1依托工程的概况丽水市水阁至腊口公路大梁山特长隧道按双向四车道一级公路标准建设，设计时速 80 km/h；左洞长 3 264 m，右洞长 3 305 m。隧道标准断面净空周长为 30.857 m，净空面积为 64.66 m2，当量直径为 8.038 m，具体尺寸见图 1。该隧道长度达到 3km 以上，洞内有多组风机配置，气流在洞内运行比较稳定，是理想的研究通风状态的实体。大梁山隧道单洞通风系统共设射流风机 11组、CO/VI 检测器 12 个、风速仪 12 套，具体布局为隧道进口 200 m 处开始每隔 180 m 处安装一组风机，连续安装 4 组，隧道出口往里 200 m 处开始每隔 180 m 处安装一组风机，连续装 4 组，并在进口通风段与出口通风段间设 3 组风机，每组间隔约460 米，在每组风机两侧分别安装一套 CO/VI 检测仪，隧道进出口段风机两头各安装一套风速仪，中间每组风机边上安装一套风速仪，详见图 2。2隧道内烟雾、有害气体分布研究2.1有限元模拟在全射流通风方式中，射流风机引起的升压作用在理论上会使隧道内的风压在射流风机处产生跳跃6，结合相关文献有限元分析结果7-8，一组风机在其位置前约 100 m 对气流扰动明显，在其后约 200 m，气流形成稳定层流，然后直至下一组风机的作用扰动，接着进入下一个循环。location of ventilation environment monitoring facilities at present does not represent the actual environment in thetunnel.In order to further study the optimal location of ventilation environment monitoring facilities in the tunneland the methods of data correcting,taking the Daliang Mountain extra long highway tunnel as an example,finiteelement simulation,scale model test on site sampling and other methods are used to study the environmentalmonitoring facilities.The study proposes the optimal location of environmental monitoring facilities and the datacorrecting methods,so that some certain guiding significance for the design of tunnel environmental monitoring isobtained.Key words：tunnel；gas environment；monitoring correction；ventilating；ventilator丽 水 学 院 学 报2023 年10故本次有限元建模以一组风机工作影响长度为建模单元，隧道建模长度 300 m，距离隧道进口100 m 设置一组风机（风机参数按常用功率 37kW，50 Hz，出口流量 31.3 m3/s，风速 32.2 m/s，轴向推力 1 180 N 进行输入），同时对隧道几何进行简化，仅保留风机口与隧道通道，其他细节省略，计算几何模型见图 3。图 1隧道标准断面图图 2大梁山隧道射流风机、CO/VI 检测器、风速检测仪布置图（以右洞为例，左洞形式相同）图例：风机；CO V I 检测仪；风速风向检测仪潘建龙，傅长荣：大梁山特长公路隧道通风环境监测设施安装位置研究第 2 期11图 3隧道计算模型根据文献 9，隧道内烟雾的扩散完全被隧道气流控制，其他有害气体具有同样的特性。依照这一特性，本次建模未对有害气体释放源进行模拟，即以气流风速等代替有害气体浓度分布。根据模拟计算，获得气流场在隧道内的铅垂面和水平面的分布情况。如图 4、图 5。图 4隧道轴线铅垂面气流场分布云图图 5距离路面 3.0 m水平面气流场分布云图由图 4 分析可知：风机使气流升压作用范围为沿隧道纵向长度 80120 m，在隧道中心铅垂面（Y，Z 平面）上，距离路面不同高度的气流场呈不均匀分布，在气流场的作用下隧道内的烟尘和CO、NO2等有害气体大部分被集结在离路面 3.0 m至隧道顶部的空间内。由图 5 分析可知：以道路中线为轴，平行路面（X，Y 平面）的平面内的气流场也是分布不均匀的。在隧道水平面的气流场以隧道道路中线为界，远离道路中线逐渐减小，靠近隧道侧壁的气流场最小，呈现扇形分布。根据气流场的作用效果，靠近隧道侧壁的浓度最小，并且沿隧道纵向各断面的浓度分布是不均匀的。2.2模型、现场试验综合考虑依托项目的现场条件、模拟要求等因素，设计隧道模型。模型隧道断面根据实际依托项目的设计断面同比例缩小，考虑到模型制作的难度、试验人员进出的方便及有一定的通风空间，经试验组反复研讨，将隧道模型的尺寸确定为长度为 50 m，宽 1.85 m，高 1.2 m。隧道模型材料为全透明材料，可防紫外线，其龙骨采用扁钢，如图 6（A）所示。风机型号为 L-150，转速为 2 200、2 550r/min，可实现至少两个档位的风速控制。根据隧道长度设置 5 个风机，位于隧道进出口 5 m 处、中段每隔 10 m 处。考虑风机过密会影响风机工作功效，且为使风机位置更加灵活和可控，在隧道内部设供风机位置调节的轨道；另合理配置了若干对应的风速仪、CO/VI 检测仪以及监控装置。透明的隧道顶棚有利于采集烟雾在隧道中分布的影像10。利用该模型进行了多次排烟模拟。丽 水 学 院 学 报2023 年12ms-130 m80 mms-1zxy图 6模型隧道、实体隧道烟雾气流场分布实验图在封闭交通的情况下，选择在右洞隧道入口1 000 m 处安装生烟装置，烟雾释放量以该断面触发火灾报警为限，根据消防设计规范，对隧道风机在恒定风速11规定为 2 m/s 的情况下，检测通风排烟效果。通过模型隧道、实体隧道烟雾试验（图 6）分析可知，隧道内的热气流，烟雾，CO、NO2等气体物质，在隧道内气流场作用下，主要分布于距离隧道路面 3.0