豎井型城市隧道自然通風哮喘效應模型研究

陳明 袁方 徐萬里

(空軍第一空防工程處，北京 100079)

0 引言

針對前期一些關于豎井型城市隧道的模型試驗研究[1，2]，我們發現隧道內的壓力小，通風作用小的豎井則很容易受到隧道外大氣環境的影響，產生風向的頻繁波動。此現象可稱為“哮喘效應”。哮喘效應的存在會影響到豎井的通風效果。哮喘效應能否克服，有什么辦法可以減小哮喘效應的影響，針對這些問題作進一步的研究十分有意義。

1 原實驗模型及現象[3]

模型實驗按照尺寸比例1∶10進行。運用風速傳感器對模型中的風速進行測量，并在數據分析時把現象反映至原型中。選用PS有機塑料板制按照斷面尺寸比例1∶10搭建一條長40 m的模型隧道，并按幾何比例常數，制作模型豎井以及擋板。實驗選用23輛14 cm×15 cm×24 cm的可遙控速度的玩具汽車模擬汽車流，選用EE65風速變送器測定風速，采用RS-485通信總線進行數據通信采集。

搭建的模型見圖1。探頭布置方案見圖2。

圖2 隧道自然通風模型探頭布置方案

圖3為豎井4在車速1.6 m/s，車距0.8 m時的風速變化。

圖3 豎井4風速逐時變化圖

圖3表明，豎井4的風速也是在不斷變化的。豎井4不僅風速變化，就連風向也在不斷變化，豎井時而發揮排風作用、時而發揮補風作用。其他豎井的風速也有變化，但方向總體沒變。像豎井4時而排風、時而進風，就如同一個人不停地喘息一樣，故豎井4的現象可稱為“哮喘效應”。“哮喘效應”導致隧道內壓力的頻繁波動，同時導致污染空氣在豎井內做往復運動，不能達到換氣效果。

2 實驗改進

為了研究哮喘效應，我們又改變了車輛的速度和行車間距，但實驗結果表明，無論采用何種模型車速、車距，部分平均速度很小的豎井均發生了“哮喘效應”。其實，除了平均風速接近于零的豎井外，其他各豎井均存在一定的風向變化現象，只是風向變化沒有像風速接近于零的豎井那樣頻繁。

“哮喘效應”總是伴隨著平均風速很小的豎井發生的，根據管路壓力與速度的平方關系可知，發生“哮喘效應”的根本原因是豎井受到的壓力很小。由于受到隧道內的壓力過小，所以豎井很容易受到隧道外大氣環境的影響。前文述及，排風豎井與補風豎井交替處必存在靜壓為零處，故作用交替的豎井受到的壓力最小，最容易發生“哮喘效應”。

因此，本文對模型1做出以下兩種更改，研究消除“哮喘效應”的方法。

方法1:改變豎井組位置。

將豎井向后推延4 m，即增加暗埋段1的長度。模型設計如圖4所示，圖4中的模型稱為模型2。

圖4 推延豎井位置模型搭建方案（模型2，單位：m）

這樣的改動是為了增大暗埋段1所能留下的余壓，試圖增大豎井4所受到的靜壓。圖5為各豎井的平均風速測試結果。

圖5 模型2豎井風速分布

圖5表明，移動豎井組的位置使得豎井4的平均風速進一步減小至零。圖6為豎井4的風速變化。圖6表明，豎井4的正負波動更加頻繁。改變豎井組的位置非但沒有減緩“哮喘效應”，反而減小了豎井的通風作用。因此，改變豎井位置的方法不可行。

圖6 模型2中豎井4風速變化圖

方法2:取消豎井3、豎井4。

本實驗按照圖7的方法取消掉兩個發生“哮喘效應”的豎井，圖中模型編號為模型3。

圖8為豎井2的測試結果。測試結果表明，雖然去掉了曾經發生“哮喘效應”的兩個豎井，但是“哮喘效應”轉而在其他的豎井上發生。

圖7 取消部分豎井模型搭建方法（模型3，單位：m）

圖8 模型3中豎井2風速變化圖

兩組對比實驗表明，“哮喘效應”是自然通風隧道設置多組豎井時的必然產物。只要存在豎井間作用的交替，則發生作用交替的豎井必定壓力很小，不可避免的發生“哮喘效應”。存在“哮喘效應”的豎井通風作用雖然很小，但又不能取消，否則將影響整個隧道的氣流組織。也可這樣理解“哮喘效應”的豎井發揮的作用，這樣的豎井是保證其他豎井通風效果良好的一種必然代價，雖然通風量很小，但也是隧道設計中必不可少的。

3 結語

通過模型改進實驗，可以得到以下結論:

暗埋段汽車產生的交通風壓大于隧道的通風阻力，富余的壓力作用于豎井上使得豎井內空氣流通。豎井受到的余壓隨距暗埋段距離的增加而減小。也正是由于這樣的原因，幾組連續豎井中最中間的幾個豎井壓力很小，風速也較小，通風作用不強。這種現象是連續豎井的必然產物，是不能阻止的，并非取消這些通風作用小的豎井便能消除這種現象。也可這樣理解，這樣的豎井是保證其他豎井通風效果良好的一種必然代價，雖然通風量很小，但也是必不可少的。正如通風作用小的豎井不能取消一樣，哮喘效應也是不能克服的。取消掉這些豎井后，類似的現象轉而在其他的豎井上發生。

其實，“哮喘效應”并非破壞了隧道的通風效果，只是使得實際效果沒有人們根據平均風速所預計的那么高。所以，沒必要因為“哮喘效應”而對豎井通風的作用產生懷疑。

[1] 夏永旭.我國長大公路隧道通風中的幾個問題[J].公路，2003(5):47-48.

[2] 蔣鵬飛，萬劍平，喻 波.雪峰山隧道通風模型實驗設計研究[J].中南公路工程，2006(1):11-12.

[3] 朱培根，梅 健，涂江峰，等.豎井型城市隧道阻滯交通狀況下自然通風模型實驗研究[J].流體機械，2012(1):25-26.