城市地下空间车行系统的射流式纵向通风设计

张红兵

（济南市市政工程设计研究院（集团）有限责任公司，山东济南 250101）

0 前言

国际上把21世纪作为人类开发利用地下空间的年代。地下空间为城市可持续发展和提高城市功能发挥了巨大的作用，地下车行系统作为城市地下空间开发利用的具体形式之一，是地面道路的延伸和补充，易于与地下公用停车场、地下街、地下储蓄仓库、地面交通系统衔接。挪威、加拿大、美国等国家在城市地下空间利用领域已达到相当的规模和水平，建成了许多大型的地下城市车行系统，如美国波士顿中央大道隧道、日本东京中央环线隧道等，这些大型城市车行系统在减小城市交通压力，增强交通可靠度、改善交通环境方面发挥了积极的作用。近年来，我国越来越重视城市地下空间的开发利用，在北京、上海等地也有成功的案例。

地下车行系统提供给人们交通便利的同时，也给人们提出了许多新的问题，如：内部空间新风量的不足、汽车尾气的排放、烟雾的增加、地下氡浓度的超标等，解决这些问题需要采取有效的通风方式，从而达到行车的安全性和舒适性。

1 地下车行系统通风方式

按通风动力可分为自然通风和机械通风两种方式。自然通风比较经济，主要在通风发展的初期，以及封闭段短、交通量小或顶部有开设天窗条件的系统中运用。随着汽车时代的到来，交通量日趋增大，道路不断延伸，再加上火灾排烟的要求，依靠自然风就难以满足隧道各项指标了，必须采用机械通风手段。机械通风以机械设备产生的风压作为通风换气的动力，控制进、排风量，充分发挥通风技术的效能。可以按照下列方法初步判断是否设置机械通风：

双向交通隧道，当符合下列条件时，宜设置机械通风：

单向交通隧道，当符合下列条件时，宜设置机械通风：

式中：L——车行系统封闭段长度，m；

N——设计交通量，pcu/h。

根据风的流动特性，机械通风又分为纵向通风、半横向通风和全横向通风等形式，纵向通风方式中又有单纯射流风机、竖井与射流风机组合方式等，射流式纵向通风方式见图1所示。

图1 纵向通风示意图

全横向式、半横向式通风效果较好，但这两种方式的工程投资，设备费与运营管理费均较纵向式高，汽车活塞风也不能得到充分利用。

现代的纵向通风方式自1961年采用以来，得到了大力的推广应用，其形式愈加多样化，适用范围也越来越广。城市地下空间车行系统应优先采用射流式纵向通风。这种方式有以下优点：车道作为风道，风压损失小，不另设风道，土建工程量较小；在单向行车系统中可有效利用行车的活塞风作用，节约能源；使用射流风机，价格较低，设备费用小；可根据交通量的增长情况分期安装风机，从而减少工程前期投入；可根据需要控制风机运转台数，有利于降低运营费用；洞内如有火灾，着火点前方车辆可较快驶出隧道，由于风力朝向前方，着火点后方的车辆可不受烟火的损害，处于较安全状态。此外，射流风机还可以逆向运转，发生火灾等紧急事故时，可以根据实际情况决定风机的射流方向，排出烟雾，使人员迅速撤离。

2 地下车行系统通风量计算

隧道内汽油车行驶时，排放废气中主要是CO气体。柴油车行驶时，排放出的CO气体量极少，但却放出大量烟雾；地下空气中也夹杂着异味气体。这些都影响着安全可见视距和行驶舒适度。同时考虑到防灾安全对风速的要求，因此在进行通风量计算时，需要同时进行稀释汽油车CO浓度、柴油车烟雾浓度和异味达容许标准、火灾救援所需通风量的计算，选择中间较大值作为设计风量。

2.1 按稀释CO计算需风量

确定需风量时，根据《公路隧道通风照明设计规范》（JTJ026.1-1999）对计算行车速度以下各工况车速按20 km／h为一档分别进行计算，并考虑交通阻滞状态，取其较大者作为设计需风量。稀释CO的需风量按下式计算：

2.2 按稀释烟雾计算需风量

2.3 按稀释空气中异味计算需风量

隧道空间不间断换气频率，不宜低于每小时5次；交通较小或特长隧道，可采用每小时3～4次。采用纵向通风的隧道，隧道内换气风速不应低于2.5 m/s。

2.4 按防灾救援临界风速计算需风量

为确保火灾工况下人员和车辆的安全疏散，避免烟气产生回流需要确定临界风速。临界风速的定义为：当采用纵向排烟时，控制烟雾沿隧道坡度逆向流动的最小风速。临界风速要根据火灾时可燃物质的热释放率计算确定。火灾时烟气流向见图2所示。

图2 火灾时烟气流向示意图

当隧道采用纵向通风排烟时，纵向气流的速度应高于临界风速，但不应小于2 m/s，根据美国矿务局计算公式，临界风速需要联立方程组求解，可按下式计算：

式中：VC——临界风速，m/s；

Q——火灾规模，kW；

H——隧道最大净空高度，m；

A——隧道横断面积，m2；

Kg——坡度修正系数；

i——隧道坡度，%；

Cp——空气比热，kJ/kg.K；

g——重力加速度，m/s2；

T——火场远区空气温度，K；

Tf——烟气平均温度，K；

ρ——火场远区空气密度，kg/m3。

3 地下车行系统通风压力计算

隧道内通风风速一般都较低，通常均不考虑空气的压缩性影响，通风中涉及到的流动，在微观上是复杂的，但在宏观上可视为恒定流。要达到隧道内所需要风量，隧道内必须维持一定的压力才能克服相应风量下的压力损失。对于全射流纵向通风系统而言，隧道内的升压主要由交通风升压力和射流风机升压力来提供，隧道内的压力损失或者说阻力主要有自然风阻力和通风阻抗力，根据《公路隧道通风照明设计规范》（JTJ026.1-1999）隧道内的压力平衡应满足下式：

式中：ΔPm——自然风阻力，Pa；

ΔPr——通风阻抗力，Pa；

ΔPt——交通通风力又称为活塞力，Pa；

ΣΔPj——射流风机升压力，Pa。

射流通风是在隧道中将多组风机按照一定间距串联，利用射流的诱导效应和增压效应，在隧道中形成空气的纵向流动，满足隧道通风的需要。射流通风系统中每一组风机射流作用的单元流动模型如图3所示。

射流风机产生的升压力与风机的风量，以及风机风流与隧道内风流的相对速度有关，可按下式计算：

图3 射流通风系统的单元流动模式示意图

在隧道纵向通风设计中，通常是按照上述步骤计算，最终通过计算不同型号的射流风机的升压力，选取不同型号风机所需台数、布置间距等。

4 地下车行系统通风计算实例

4.1 计算条件

封闭段长度：1 525 m；

隧道断面积：89.3 m2；

行车方式：单向行车；

当量直径：9.6 m；

设计交通量：4 200 pcu/h；

大型车混入率：2%；

行车速度：10 km/h；

隧道需风量：267.9 m3/s。

4.2 所需升压力

4.3 射流风机选型及台数

风机选用高性能的可逆射流风机，风机性能参数如下：叶轮直径1250 mm、轴向推力不小于1143 N、出口风速不小于29.4 m/s、流量不小于36 m3/s、每台电机功率为30 kW；则每台的升压力为：

4.4 风机布置

经过上述计算，确定左、右线需开启风机台数各为6台，实际配置风机台数时考虑一组备用（每2台一组），即该项设计安装风机台数为左、右线各8台，均为4组。风机考虑进出口集中布置。风机在进出口各布置两组，第一组距洞口200 m，第二组距第一组200 m，在出口布置时同进口布置相对称。安装时风机的任何部分不得侵入建筑限界内。

5 结语

城市地下空间车行系统，有其通风设计的特殊性，通风方式的选择需要综合考虑车行系统的结构形式及所处地理条件。在进行纵向通风需风量计算时，临界风速需要进行坡度修正。射流通风单元流动模型，为射流风机的组合设计提供帮助，车行系统通风实例计算，实现了进行射流风机的选型及配置数量，为同类型工程通风计算提供参考。

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