公路隧道通風(fēng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與控制

鄭 方

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032)

0 前 言

隧道是高速公路建設(shè)中常使用的一種結(jié)構(gòu)形式。但公路隧道因?yàn)榉忾]性的關(guān)系，內(nèi)部聚集較多有害氣體，需要做好通風(fēng)換氣，以免對(duì)內(nèi)部環(huán)境及駕駛員構(gòu)成威脅。本文從一氧化碳濃度、煙塵濃度排放量、稀釋量等計(jì)算角度出發(fā)，優(yōu)化隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)方案，并給出合理的管控措施。

1 隧道通風(fēng)方式

當(dāng)前，從隧道長(zhǎng)度、通車(chē)輛、車(chē)速等方面展開(kāi)綜合分析，可將公路隧道通風(fēng)方式劃分為以下幾種。

1)自然通風(fēng)。利用自然風(fēng)及汽車(chē)隧道行駛中的活塞效應(yīng)達(dá)到隧道內(nèi)部氣流流通的目的。不過(guò)該方法對(duì)于短線路隧道有顯著效果，較長(zhǎng)隧道并不適合。

2)縱向通風(fēng)。縱向通風(fēng)分為兩種，射流風(fēng)機(jī)縱向通風(fēng)和豎井送排風(fēng)縱向通風(fēng)。前者借助射流風(fēng)機(jī)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)部空氣流動(dòng)，利用風(fēng)壓的變化加快空氣流動(dòng)速度，將隧道內(nèi)部有害氣體及時(shí)排出；后者會(huì)在中心區(qū)域內(nèi)建設(shè)豎井，利用風(fēng)機(jī)作用將隧道兩端空氣集中到中心豎井區(qū)域內(nèi)，利用豎井內(nèi)部的排風(fēng)機(jī)達(dá)到促進(jìn)空氣流通和轉(zhuǎn)換的目的。

3)半橫向通風(fēng)。該通風(fēng)模式以送風(fēng)半橫向和排風(fēng)半橫向這兩種為主，設(shè)計(jì)中會(huì)集中將風(fēng)機(jī)設(shè)置在送風(fēng)或排風(fēng)通道內(nèi)，借助風(fēng)機(jī)和風(fēng)井的作用實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)空氣的流通，排出污染氣體。該方式具有維修效率高、運(yùn)營(yíng)管理難度低的特征。

4)橫向通風(fēng)。橫向通風(fēng)直接將外界空氣通過(guò)送風(fēng)道送入隧道內(nèi)部，使其與隧道內(nèi)部的污染氣體融合，再經(jīng)過(guò)排風(fēng)道排出。在該模式設(shè)計(jì)中，要對(duì)空氣穿過(guò)截面及風(fēng)道加以科學(xué)設(shè)置，以保證通風(fēng)效果。

2 隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)

本文重點(diǎn)論述縱向通風(fēng)設(shè)計(jì)。縱向通風(fēng)設(shè)計(jì)具有造價(jià)成本低、使用范圍廣的特征，射流風(fēng)機(jī)的操作能夠稀釋隧道內(nèi)一氧化碳和煙塵的濃度，且不會(huì)產(chǎn)生較大的能源損耗。

2.1 機(jī)械通風(fēng)應(yīng)用的判斷

對(duì)于雙向隧道工程來(lái)說(shuō)，是否采用機(jī)械通風(fēng)方式需要對(duì)界限值加以科學(xué)分析，界限值在600 km·輛·h-1以上時(shí)可采用機(jī)械通風(fēng)。如果界限值在600 km·輛·h-1以內(nèi)，則要采用自然通風(fēng)。為計(jì)算界限值，需要掌握隧道長(zhǎng)度及高峰期平均車(chē)流量。

2.2 風(fēng)機(jī)作業(yè)原理

在射流風(fēng)機(jī)縱向通風(fēng)模式下，保障風(fēng)流穩(wěn)定性的同時(shí)，射流風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)壓與隧道內(nèi)自然風(fēng)、阻力之間應(yīng)保持平衡關(guān)系，關(guān)系表達(dá)式為：

ΔPr+ΔPn=ΔP+ΔPt

(1)

式中，ΔPr為隧道阻力；ΔPn為自然風(fēng)；ΔP為射流風(fēng)機(jī)風(fēng)壓；ΔPt為交通風(fēng)。明確其關(guān)系后要根據(jù)隧道實(shí)際情況設(shè)計(jì)射流風(fēng)機(jī)，確定風(fēng)機(jī)使用數(shù)量。首先，實(shí)施風(fēng)機(jī)壓力參數(shù)的量化處理，公式為：

(2)

式中，P為每立方米的空氣密度；Vr為風(fēng)速；ξe為入口處阻力；λr為摩擦阻力系數(shù)；L為隧道總長(zhǎng)度；Dr為通行道路截面中當(dāng)量直徑。

(3)

(4)

式中，Ar指的是行車(chē)空間斷面積；Vt為車(chē)速；n代表汽車(chē)臺(tái)數(shù)；Ae為汽車(chē)等價(jià)阻力面積；Ac為汽車(chē)當(dāng)量阻力面積。其中汽車(chē)等價(jià)阻力面積的計(jì)算以Ae=Ac×ξc實(shí)現(xiàn)，ξc為隧道內(nèi)阻力系數(shù)。

(5)

式中，Vn為自然風(fēng)速。

2.3 需風(fēng)量計(jì)算

需風(fēng)量的計(jì)算可準(zhǔn)確了解隧道內(nèi)需要稀釋的有害氣體含量，并計(jì)算出需要的新鮮空氣量。掌握需風(fēng)量數(shù)值，對(duì)于風(fēng)機(jī)最終數(shù)量的確定也有一定作用。計(jì)算中，先要了解隧道中一氧化碳排放量Qco。通常情況下，每輛車(chē)每千米排放量設(shè)定在0.01 m3左右；獲取車(chē)況系數(shù)fa、車(chē)密度系數(shù)fd、車(chē)型系數(shù)fm；同時(shí)考慮到縱坡上的車(chē)速系數(shù)fiv及車(chē)型類別n，以及不同車(chē)型的設(shè)計(jì)交通量Nm。利用下式完成計(jì)算，得出準(zhǔn)確數(shù)值。

(6)

另外，計(jì)算稀釋一氧化碳的需風(fēng)量Qreq(CO)。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)P0、設(shè)計(jì)氣壓參數(shù)P、氣溫系數(shù)T0及夏季氣溫參數(shù)K。通常情況下，大氣壓每平方米在101.325 kN、標(biāo)準(zhǔn)氣溫為273 K。利用式(7)計(jì)算最終數(shù)值。

(7)

之后獲取煙塵排放量參數(shù)，利用以下公式計(jì)算得出：

(8)

公式中，qVI為煙塵基準(zhǔn)排放量；fa(VI)為考慮煙塵車(chē)況系數(shù)；fh(VI)為考慮煙塵的海拔高度系數(shù)；fm(VI)為考慮煙塵的車(chē)型系數(shù)；fiv(VI)為考慮煙塵的縱坡—車(chē)速系數(shù)；nD為車(chē)型類別數(shù)。最后計(jì)算煙塵稀釋的需風(fēng)量。公式為：

(9)

式中，K為煙塵濃度。

2.4 風(fēng)機(jī)數(shù)量及布置

(10)

公路隧道通風(fēng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，為發(fā)揮射流風(fēng)機(jī)縱向通風(fēng)方式的作用，及時(shí)將隧道內(nèi)的有害氣體集中到風(fēng)口位置排出，一般會(huì)沿著隧道縱向位置，根據(jù)有害氣體濃度科學(xué)設(shè)置射流風(fēng)機(jī)。

3 基于模糊控制理論的隧道通風(fēng)控制

公路隧道通風(fēng)控制最常使用的方式為集散通風(fēng)控制，利用檢測(cè)器對(duì)隧道內(nèi)CO和煙塵含量加以測(cè)定，將測(cè)定內(nèi)容以信號(hào)形式傳輸?shù)娇刂破鲀?nèi)，借助計(jì)算機(jī)的管控，了解隧道內(nèi)部空氣質(zhì)量，確定是否開(kāi)啟通風(fēng)裝置，之后利用通風(fēng)控制裝置開(kāi)啟相關(guān)設(shè)備，采用控制CO和煙塵濃度的方法，提高控制器對(duì)隧道內(nèi)污染氣體的敏感性。模糊控制本質(zhì)上是基于語(yǔ)言規(guī)則的仿人智能控制。筆者提出將模糊控制理論應(yīng)用在隧道通風(fēng)控制系統(tǒng)中，為產(chǎn)生通風(fēng)控制程序設(shè)計(jì)模糊控制規(guī)則表提供思路。

3.1 模糊輸入與輸出變量控制

輸出變量可等同于風(fēng)機(jī)數(shù)量，架設(shè)風(fēng)機(jī)數(shù)量為20。按照規(guī)定要求，CO及煙塵的允許濃度分別為：正常通車(chē)情況下，CO濃度控制在150 ppm，高峰時(shí)段內(nèi)濃度為250 ppm；煙塵正常情況下在0.007 5 m-1，高峰時(shí)段在0.009 m-1。

3.2 變量模糊化

1)論域變換。論域變換是將輸出變量的論域轉(zhuǎn)變成模糊控制器能夠識(shí)別的論域。如果在變換中發(fā)現(xiàn)論域較為零散，這時(shí)可利用{0,±整數(shù)}表示論域離散化，以{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}代表離散論域。當(dāng)一氧化碳濃度值在150 ppm以上時(shí)，要求控制系統(tǒng)開(kāi)啟風(fēng)機(jī)，進(jìn)行空氣流通。當(dāng)濃度在250 ppm以上，且已經(jīng)持續(xù)15 min以上，則需關(guān)閉隧道，全面清理后再開(kāi)啟。

以150為核心值，250作為不可超過(guò)的最大值，按照對(duì)稱性，最小值設(shè)定在50，這時(shí)論域范圍為[50,250]，再結(jié)合離散論域的取值，計(jì)算比例因子：R1=[6-(-6)]/(250-50)=0.06。故最終內(nèi)部論域?yàn)椋簃1=R1×[k1-(250+50)/2]。其中m1為內(nèi)部論域值，k1為真實(shí)論域中某一精確值；煙塵濃度的真實(shí)論域也可采用上述方式計(jì)算，最終的比例因子為R2=[6-(-6)]/(0.009-0.006)=4 000。內(nèi)部論域?yàn)椋簃2=R2×[k2-(0.006+0.009)/2]，其中m2為內(nèi)部論域值，k2為真實(shí)論域中某一精確值，R2為比例因子。

2)模糊變量。模糊變量是對(duì)選取的變量進(jìn)行語(yǔ)言分檔，增加語(yǔ)言分檔數(shù)量，加強(qiáng)控制效果。目前常見(jiàn)的語(yǔ)言分檔有{負(fù)大,負(fù)中,負(fù)小,零,正小,正中,正大}。

3)隸屬函數(shù)。模糊語(yǔ)言變量中的隸屬函數(shù)一般以三角形梯形等模糊子集為主，目的是提高輸入變量識(shí)別的靈敏度，減少偏差。在數(shù)值表示中，會(huì)采用圖形、表格或公式的表示方式。

3.3 模糊系統(tǒng)控制要求

要求以自然語(yǔ)言形象實(shí)行準(zhǔn)確描繪，通過(guò)模糊數(shù)學(xué)處理工具建立關(guān)系模型，形成完善的規(guī)則庫(kù)。規(guī)則庫(kù)內(nèi)所有規(guī)則均采用并列關(guān)系表達(dá)，且每一個(gè)模糊條件均能控制一種情況。

3.4 模糊推理

模糊推理是對(duì)模糊條件下描繪的輸入和輸出關(guān)系作相應(yīng)說(shuō)明，并構(gòu)建完善的模糊關(guān)系，結(jié)合這些關(guān)系條件，利用專業(yè)軟件，計(jì)算和判定模糊關(guān)系，之后錄入到模糊子集中來(lái)，為后續(xù)工作提供依據(jù)。采用的計(jì)算公式為：

fengjiij=(COi×VIj)·R

(11)

公式中的COi和VIj分別為一氧化碳和煙塵濃度。

3.5 模糊判決

模糊判決分為兩種情況：一是解模糊，是利用面積法、隸屬度法、重力法、加權(quán)平均法在模糊集合中找出清晰量值作為最終判決標(biāo)準(zhǔn)；二是論域反變換，是解模糊得出的相關(guān)數(shù)值以內(nèi)部論域的方式加以轉(zhuǎn)換，并直接影響到系統(tǒng)控制的一種方式。

4 結(jié) 語(yǔ)

希望本文論述對(duì)相關(guān)人員有所幫助，進(jìn)而全面了解模糊控制理論的隧道通風(fēng)控制，提高公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)和控制水平，保證公路隧道的正常使用，維護(hù)行車(chē)安全。

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