本發(fā)明涉及隧道通風技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種城市公路隧道自然通風及自然排煙系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前，為緩解日益增長的城市交通壓力，以前一些城市采用架設(shè)高架橋來構(gòu)筑城市快速交通通道。由于高架橋所組成的交通通道對于城市景觀、老城保護有較大的負面影響，同時產(chǎn)生較大的交通噪聲，近年來許多城市開始選擇修建市內(nèi)地下交通隧道?？梢灶A見隨著城市交通流量的不斷增長，地下空間的開發(fā)利用將大大加強，這類隧道將會不斷持續(xù)增加。

地下隧道空氣環(huán)境解決方案不僅影響到隧道的結(jié)構(gòu)形式，更主要地在很大程度上決定了隧道日常運行成本的高低。與一般公路隧道不同，這類市內(nèi)隧道多屬于淺埋式隧道(隧道頂部距地面約2～6m)，但隧道長度越來越增加，在上世紀九十年代以200～300米的過街短隧道為主，現(xiàn)在則以區(qū)域性的通道為主，長度達到3000米以上。傳統(tǒng)的通風解決方式是采用射流風機機械通風，但這種方式造成隧道內(nèi)部噪聲高，行車環(huán)境差，又消耗大量的運行電力。究竟采用何種方式有效解決這類隧道的空氣環(huán)境問題是城市地下空間開發(fā)應用需要認真解決的重大問題。

此外，由于公路隧道特殊的結(jié)構(gòu)形式以及復雜的氣流條件，也為消防安全帶來了一系列突出的問題。近十幾年來，頻繁發(fā)生的重大隧道火災事故告訴我們，隧道火災雖然是小概率事件，但其一旦發(fā)生且得不到有效控制的話，將帶來災難性的損失。統(tǒng)計結(jié)果表明，由于不完全燃燒所產(chǎn)生的有毒有害煙氣是隧道火災中導致人員死亡的最主要因素。傳統(tǒng)的方法是將機械排煙與機械通風結(jié)合，火災時利用風機形成縱向氣流，將煙氣排出，但是這種方式會加快火勢蔓延，而且，在風機氣流的擾動下，煙氣的分層結(jié)構(gòu)會被迅速破壞，煙氣在隧道種彌漫，下層空間充滿煙氣，能見度低，空氣稀薄，對逃生和救援非常不利。我國大部分己建成的長隧道均采用了通風換氣與排煙兼用的縱向排煙系統(tǒng)。從驗收模擬試驗情況來看，其排煙效果不理想，并且由于風機功率太大，對滅火器撲滅初期火災有著極不利的影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對城市公路隧道通風及排煙的問題，提出一種城市公路隧道的自然通風及自然排煙系統(tǒng)。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種城市公路隧道自然通風及自然排煙系統(tǒng)，在公路隧道頂部，每隔一段距離L開設(shè)一個通風豎井，通風豎井將隧道內(nèi)部空間和隧道外部的上層大氣相聯(lián)通，頂部的通風豎井沿隧道縱向的長度為W；相鄰兩個通風豎井之間為暗埋段，前述暗埋段的頂部形成楔形結(jié)構(gòu)，楔形結(jié)構(gòu)的厚度即楔形結(jié)構(gòu)最低點與通風豎井的底部的垂直距離H。

本發(fā)明的通風豎井的寬度按照路面綠化帶的寬度進行設(shè)置。

本發(fā)明的通風豎井沿隧道縱向的長度W和隧道高度h的比值范圍是：0.5-0.7，前述隧道高度h是指隧道內(nèi)路面到暗埋段底部的高度。

本發(fā)明的通風豎井沿隧道縱向的長度W和隧道高度的比值是0.7。

本發(fā)明的楔形結(jié)構(gòu)的厚度H與隧道自然通風效能y1、隧道自然排煙效能y2滿足下述條件：

隧道自然通風效能y1、隧道自然排煙效能y2均根據(jù)隧道設(shè)計指標獲取，采用上述公式計算滿足隧道自然通風效能y1時的楔形結(jié)構(gòu)的厚度H的范圍以及滿足隧道自然排煙效能y2時的楔形結(jié)構(gòu)的厚度H的范圍，選擇同時滿足前述兩個范圍的楔形結(jié)構(gòu)的厚度H。

y1是一個自然通風量的比值。垂壁高度為零時，通風量最大。將此時的通風量作為基準通風量。y1＝實際通風量/基準通風量，y1是一個無量綱的數(shù)值，最大值為1，值越大表明通風效果越好。

本發(fā)明的暗埋段長度L與隧道自然排煙量y3、隧道自然通風量y4以及無量綱壓力y5滿足下述公式：

y3＝Exp[(-L/350)³]

y4＝Exp[(-L/600)²]

其中，h是隧道高度即隧道內(nèi)路面到暗埋段底部的高度，隧道自然排煙量y3、隧道自然通風量y4以及無量綱壓力y5均根據(jù)隧道設(shè)計指標獲??；采用上述公式計算滿足隧道自然排煙量y3時的暗埋段長度L的范圍、滿足隧道自然通風量y4時的暗埋段長度L的范圍以及滿足無量綱壓力y5時的暗埋段長度L的范圍，選擇同時滿足前述三個范圍的暗埋段長度L。

車輛行駛，會在車頭處積累正壓。假設(shè)暗埋段無限長，車頭的正壓沒有得到釋放，其會逐漸增大到一個穩(wěn)定值，這個被稱為理論最大正壓。y5是實際隧道中車頭壓力與理論最大正壓的比值，也是一個無量綱參數(shù)。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明給出了一種城市公路隧道自然通風和自然排煙系統(tǒng)，以及其設(shè)計計算方法。運用本方案的公路隧道，能在車輛正常運行的情況下，利用交通風力進行自然通風；在火災時，通過本身的結(jié)構(gòu)，遏制煙氣的蔓延，并收集煙氣，并利用煙氣本身的浮力，將其排出隧道。

本發(fā)明充分利用交通風力和煙氣的浮力，完全擯棄機械通風和機械排煙方案，節(jié)約大量的運行能耗。排煙過程種沒有風機引起的流場擾動，煙層分層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，煙氣不會彌漫在整個隧道。有利于逃生、疏散和救援。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明的系統(tǒng)自然通風示意圖。

圖3是本發(fā)明的系統(tǒng)自然排煙示意圖。

圖4是本發(fā)明的實施例中H和L與相關(guān)因素的關(guān)系示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。

一種城市公路隧道自然通風及自然排煙系統(tǒng)，在公路隧道頂部，每隔一段距離L開設(shè)一個通風豎井3，通風豎井3將隧道內(nèi)部空間和隧道外部的上層大氣相聯(lián)通，頂部的通風豎井3沿隧道縱向的長度為W；相鄰兩個通風豎井3之間為暗埋段4，前述暗埋段4的頂部形成楔形結(jié)構(gòu)，楔形結(jié)構(gòu)的厚度即楔形結(jié)構(gòu)最低點與通風豎井3的底部的垂直距離H。

本發(fā)明的通風豎井3的寬度按照路面綠化帶的寬度進行設(shè)置；通風豎井3沿隧道縱向的長度W和隧道高度h的比值范圍是：0.5-0.7，優(yōu)選0.7，前述隧道高度h是指隧道內(nèi)路面到暗埋段底部的高度。

具體實施時：

如圖1所示，當公路隧道中的車輛正常行駛時，車輛運動產(chǎn)生的交通風力將在開孔處形成震蕩性的壓力波動，從而使隧道內(nèi)部空氣與外界得以反復交換。實驗證明，隧道外界的空氣在被吸入隧道后，在隧道內(nèi)運動車輛的擾動下，能與隧道內(nèi)底層的空氣摻混。這種摻混能稀釋隧道底層的氣體污染物濃度，提高隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量。

如圖2所示，當公路隧道內(nèi)發(fā)生火災時，由于隧道是狹小的近似封閉的空間，火災時熱量迅速堆積，燃燒強度大。且由于通風不足，不完全燃燒所產(chǎn)生的煙氣是導致人員死亡的最主要因素?；馂臒煔饬鲃邮且环N復雜的浮力驅(qū)動流。煙氣卷吸周圍空氣形成火羽流?；鹩鹆髯矒羲淼理斆?，然后向四周蔓延，最終受到隧道側(cè)壁的限制而轉(zhuǎn)變?yōu)檠厮淼赖囊痪S運動。隧道頂部的“楔形”結(jié)構(gòu)能起到擋煙垂璧的作用，有效抑制煙氣的蔓延。此外，兩個“楔形”結(jié)構(gòu)及其中間的豎井將形成一個“集煙漏斗”。此漏斗狀的結(jié)構(gòu)能收集煙氣的作用。而且，在浮力效應下，煙氣從頂部豎井排出。實驗已經(jīng)證明，此結(jié)構(gòu)能大幅抑制火災煙氣的蔓延長度，排煙迅速。排煙過程種沒有風機引起的流場擾動，煙層分層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，煙氣不會彌漫在整個隧道，有利于逃生、疏散和救援。

具體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，楔形結(jié)構(gòu)的厚度H與隧道自然通風效能y1、隧道自然排煙效能y2滿足下述條件：

隧道自然通風效能y1、隧道自然排煙效能y2均根據(jù)隧道設(shè)計指標獲取，采用上述公式計算滿足隧道自然通風效能y1時的楔形結(jié)構(gòu)的厚度H的范圍以及滿足隧道自然排煙效能y2時的楔形結(jié)構(gòu)的厚度H的范圍，選擇同時滿足前述兩個范圍的楔形結(jié)構(gòu)的厚度H。

y1是一個自然通風量的比值。垂壁高度為零時，通風量最大。將此時的通風量作為基準通風量。y1＝實際通風量/基準通風量，y1是一個無量綱的數(shù)值，最大值為1，值越大表明通風效果越好；

當隧道設(shè)計要求：隧道自然通風效能y1大于等于0.6，并且隧道自然排煙效能y2大于等于0.4時，綜合滿足這樣個要求下，得到垂壁的高度范圍0.6m-1.2m。

暗埋段長度L與隧道自然排煙量y3、隧道自然通風量y4以及無量綱壓力y5滿足下述公式：

y3＝Exp[(-L/350)³]

y4＝Exp[(-L/600)²]

其中，h是隧道高度即隧道內(nèi)路面到暗埋段底部的高度，隧道自然排煙量y3、隧道自然通風量y4以及無量綱壓力y5均根據(jù)隧道設(shè)計指標獲??；采用上述公式計算滿足隧道自然排煙量y3時的暗埋段長度L的范圍、滿足隧道自然通風量y4時的暗埋段長度L的范圍以及滿足無量綱壓力y5時的暗埋段長度L的范圍，選擇同時滿足前述三個范圍的暗埋段長度L。

車輛行駛，會在車頭處積累正壓。假設(shè)暗埋段無限長，車頭的正壓沒有得到釋放，其會逐漸增大到一個穩(wěn)定值，這個被稱為理論最大正壓。y5是實際隧道中車頭壓力與理論最大正壓的比值，也是一個無量綱參數(shù)。

當隧道設(shè)計要求：隧道自然排煙量y3>0.7，并且隧道自然通風量y4>0.3，無量綱壓力y5>0.95時，綜合滿足這樣個要求下，得到L的取值范圍為200m-350m。

本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實現(xiàn)。