基于流模型的城市地下互通運營通風方案研究

基于流模型的城市地下互通運營通風方案研究

0idartv軟件介紹隨著國家城市化的推進，公共交通的需求以及道路和網(wǎng)絡的交叉，形成了越來越多的交流與交叉口。由于城市地面空間的日益捉襟見肘，地下空間的利用和開發(fā)逐漸成為城市建設的熱點，涌現(xiàn)出了一批城市地下互通工程。地下互通工程相較于傳統(tǒng)地面互通工程，在地下形成了一個復雜的通風網(wǎng)絡，給隧道通風及防災救援設計帶來了一定的挑戰(zhàn)。同時，汽車排放的污染物在主線隧道和匝道之間進行分配。因此，有必要確定合理的通風控制模式，實現(xiàn)隧道運營通風的智能化和節(jié)能型控制毛楊蘇宜等人目前針對城市地下互通風流組織復雜的問題，大多采用網(wǎng)絡通風算法進行計算，計算平臺大多采用SES，但SES最初是基于地鐵通風系統(tǒng)設計的，活塞風采用的是列車模擬算法，公路隧道計算采用的是將車流等效成列車，計算準確性值得商榷。本文采用IDARTV軟件針對地下互通運營通風方案進行分析，IDARTV軟件為瑞典EQUA公司專門針對公路隧道通風進行開發(fā)的軟件，針對活塞風問題采用了芬蘭交通流模型進行模擬，考慮了車輛間距及道路服務水平，針對公路隧道更具有適用性。該軟件內置了污染物排放計算模型，同時可對內置的污染物表進行修改已滿足國內設計項目的需求，而SES無計算污染物濃度分布的模塊。同時，該軟件具有可視化界面，軟件操作門檻大幅降低。而SES界面對工程技術人員不友好，無可視化參數(shù)輸入界面，需要手動編制表格輔助軟件參數(shù)設置。目前該軟件在歐洲應用較多，國內目前屬于應用初始階段，目前應用項目有深圳前海城市隧道等項目。1匝道設置情況建寧西路過江通道工程為城市水下公路隧道。該通道位于長江大橋和揚子江隧道之間，距離上游揚子江隧道約1.8km，距離下游長江大橋約2.4km。一期工程全長3.4km，盾構段長度為2.3km。該通道北岸與橫江大道形成互通，其中南線通過A匝道進入橫江大道右行線，通過B匝道進入橫江大道左行線；橫江大道通過C匝道和D匝道進入建寧西路過江通道的北線，完成建寧西路過江通道與橫江大道的交通疏解，匝道設置情況具體見圖1。隧道擬采用的運營通風方式為：北線隧道采用全射流縱向通風+豎井高排的方式，南線隧道采用分段送排的運營通風方案；匝道均采用全射流縱向式通風方案。建寧西路主線通過設置半菱形互通接入與橫江大道平交路口，實現(xiàn)江北核心區(qū)與江南主城區(qū)之間的4個方向交通轉換。主線與匝道之間通過設置A、B、C和D匝道實現(xiàn)不同方向的交通轉換。本隧道、匝道與橫江大道連接形成復雜的地下道路網(wǎng)絡，污染物存在串流，風量存在重新分配的情況。現(xiàn)結合網(wǎng)絡通風計算進行優(yōu)化設計。綜合考慮南京市車輛生產(chǎn)情況、國家關于汽車排放標準的相關法律規(guī)定及項目通車年限，同時考慮到建寧西路過江通道屬于城市隧道，故本項目汽車排放標準全部按照國Ⅳ標準執(zhí)行。根據(jù)工程可行性報告中交通量預測結果，遠期主線和匝道的交通量結果如表1所示。隧道內僅限客車通行，小客車和大客車的比例分別為94.4%，5.6%，匝道分流系數(shù)為40%。2實際效果綜合確定通風標準在我國現(xiàn)行的《公路隧道通風設計細則》基礎上適當提高，結合本隧道的具體條件及國內既有城市道路隧道通風的實際效果綜合確定，具體采用標準如表2所示然后根據(jù)《公路隧道通風設計細則》(JTG/TD70/2-02-2014)分別計算稀釋CO和煙塵的需風量，再計算換氣工況所需的需風量，最終確定隧道的需風量，受制于文章篇幅，不列出計算過程。隧道內風速應滿足稀釋空氣中異味的需風量要求，每小時換氣次數(shù)為4次。隧道內養(yǎng)護維修時，CO和NO3idaartv軟件計算針對橫江大道互通多匝道且匝道為曲線型，正常運營工況下，主隧道和匝道的風量分配需考慮汽車活塞風以及對曲線段進行沿程阻力損失的折減，采用傳統(tǒng)方法難以計算。地下互通匝道之間容易發(fā)生污染物串流，故需進行風量調配進行整體設計優(yōu)化。本文采用IDARTV軟件對橫江大道互通進行模擬分析，考慮不同車速工況下的活塞風，針對匝道與主隧道相接段采用局部阻力系數(shù)進行折減。結合理論需風量計算結果確定需要開啟的射流風機臺數(shù)，從而優(yōu)化通風運營方案。橫江大道互通為地下互通多出入口隧道，多匝道使得隧道通風網(wǎng)絡變得復雜。主隧道和匝道的風量分配受車輛運行和機械通風的影響，采用常規(guī)的方法對隧道實際通風量和射流風機配置方案計算并不適用。且匝道A、B是并入隧道，C、D為駛出隧道，構成了復雜地下交通網(wǎng)絡通風模式。采用IDARTV模擬軟件，對隧道在不同交通工況下的通風量進行模擬計算，得出隧道內氣流分布及射流風機布置位置和開啟數(shù)量。計算模型如圖2和圖3所示。北線高峰小時交通量為3545pcu/h，南線高峰小時交通量為2364pcu/h。3.1隧道內一公里阻滯工況北線隧道有C、D匝道分別承載來自橫江大道進入建寧西路的交通車流，C匝道進入車流為693pcu/h，D匝道進入車流為311pcu/h。工況設置中參考《公路隧道通風設計細則》考慮了主線隧道內一公里阻滯情況。北線隧道風量及風機配置情況如表5所示。由表中風量分配情況可以看出，在理想交通量情況下，40km/h車速以上的情況，主線內風量均滿足運營通風要求，在遠期情況下，當隧道內無阻滯，可利用交通風進行通風即可滿足要求。CO及煙霧濃度最大值為阻滯工況下的8.013ppm，出現(xiàn)在北線隧道出口處。北線隧道污染物濃度峰值及洞口排污情況如表6所示。3.2有送排情況下隧道內風力分配情況分析南線主線隧道通風設計時考慮到工作井后段需風量較大，洞口直接排污對環(huán)境影響較大，考慮采用分段送排的運營通風方案，可降低通風風速，從而降低通風能耗，同時洞口的排污對環(huán)境影響較小。下面分別針對有無送排情況下隧道內風量分配情況進行研究。南線隧道有A、B匝道分別疏解建寧西路進入橫江大道的交通車流，A匝道疏解車流為254pcu/h，B匝道疏解車流為380pcu/h。由表中風量分配情況可以看出，在理想交通量情況下，40km/h車速以上的情況，主線內風量均滿足運營通風要求，在遠期情況下，當隧道內無阻滯，可利用交通風進行通風即可滿足要求。CO濃度最大值為5.576ppm，出現(xiàn)在主線隧道出口處，南線隧道污染物濃度峰值及洞口排污情況（無送排）如表8所示。3.2.1無風井3.2.2送3排為最佳工況結合無風井情況下的污染物分布數(shù)據(jù)，運營工況下，對于送排風機開啟情況進行組合，判斷隧道洞口排污比例。下面計算風塔內開啟一臺排風機和送風機情況下，隧道內污染物濃度分布及洞口排污情況。CO濃度最大值為2.865ppm，出現(xiàn)在主線隧道出口處。豎井排污109mg/s，豎井排污比例為31.4%。通過分析研究可以得出1送3排為最佳工況，此時豎井排污比例較大，洞口排污比例小從而對環(huán)境敏感地區(qū)的影響小，此后增加通風系統(tǒng)總裝機功率，對豎井排污比例提升有限，通風能耗較高不推薦。增加排風機提升豎井排污比例有限的原因主要是由于送風風機升壓力較高，送風風機對于其上游段形成負壓，有利于排風機排風；此時增加排風機只是提高排污速率，對排污比例影響較小。同時，送風風機功率過大會導致上游負壓段長度大于短道長度，從而影響豎井排污效率。由表10可以看出相比于原設計情況，優(yōu)化后的風機控制模式表更為精細，給出了不同車速情況下的控制參考，實際應用中可結合車速傳感器降低運營能耗。A匝道原設計給出的風機開啟數(shù)偏高，B匝道風機開啟數(shù)沒有給出，C匝道阻滯工況下風機開啟數(shù)偏高，D匝道組織工況下風機開啟的臺數(shù)卻不能滿足火災工況下的要求，故相比較原設計，本文采用網(wǎng)絡通風算法在一定程度上給出了風機控制模式的一種更合理的設計方法。4結論和建議4.1提升市政隧道通風設計水平IDARTV軟件具有交互界面友好，操作簡單和計算快捷的優(yōu)點，同時計算原理方面，考慮了交通風的作用，污染物濃度排放可采用PIARC的相關標準，尤其適用于計算城市水下隧道的相關工程案例，可優(yōu)化隧道通風設計，節(jié)約隧道運營費用及前期通風設施投資，建議在今后的市政隧道項目中推廣應用，提升市政隧道通風設計水平。1）以隧道通車年為設計基準年，采用國Ⅳ汽車排放標準進行計算可得出車輛正常運營情況下，理論上隧道內無需開啟射流風機，僅靠隧道內車輛交通風即可滿足隧道通風要求。匝道內射流風機主要是為滿足換氣要求。2）阻滯工況下，北線隧道需開啟14臺射流風機，南線隧道需開啟14臺射流風機，采用送排方案后，需開啟8臺射流風機。3）南線隧道采用送排方案，可根據(jù)洞口環(huán)境要求選擇風機工況，模擬結果表明1送3排為最佳工況，此時豎井排污比例為65%，再增加通風系統(tǒng)功率對豎井排污比