1.云南麻昭高速公路建设指挥部 昆明云南 6500342.中南大学土木工程学院 长沙湖南 410075
摘要：热压作用下公路隧道自然通风具有多种模式，针对无竖井单坡隧道、单坡竖井隧道、人字坡竖井隧道，建立基本方程，根据隧道几何特征、隧道坡度和竖井等边界条件，对隧道自然通风的速度场、温度场进行迭代计算。结果表明，隧道内排风速度与温度会相互影响，温度越高，烟囱效应越强，排风速度越快；但排风速度加快会减少冷空气的加热时间，导致隧道内温度降低，使排风速度变慢。
关键词：倾斜隧道；自然通风；热压
Study on Natural Ventilation in Tunnel under the Influence of Heat Pressure
Abstract：There are many modes of natural ventilation in highway tunnels under heat pressure. This paper mainly considers three types of tunnels：single-slope tunnel，single-slope tunnel with single shaft，and herringbone-slope tunnel with single shaft，and basic equations are established respectively. According to the boundary conditions such as the tunnel geometric features，the gradient of the tunnel and the existence of the shaft，the velocity and temperature of the ventilation and extraction are iteratively calculated. The results show that the gas exit velocity and temperature in the tunnel will affect each other. The higher the temperature，the stronger the chimney effect and the faster the exit velocity，but the faster exit velocity will reduce the heating time of the cold air，resulting in a decrease in the temperature and exit velocity.
Keywords：slope tunnel；natural ventilation；heat pressure
1 引言
公路隧道交通阻滞时内行车辆排放出大量尾气和热量，导致隧道内污染物浓度增加，温度升高，提升隧道火灾发生几率。相比于建设运营成本高的机械通风，自然通风因其运营投入小，管理方便等特点[1]在公路隧道工程中得到大量运用。自然通风主要依靠隧道内外的温度差和隧道进出口的高差所产生的综合浮力作用驱动隧道内气流运动[2]。考虑到自然通风带来的气流驱动力不足以实现长隧道纵向通风排烟的需求，通常利用通风竖井增大通风力度。竖井依靠自身的高度和内外温差产生较强的烟囱效应，有利于隧道内外气流交换[3-4]。
早期的自然通风主要应用于建筑领域[5-6]，后因其经济、环保、实用等特点，自然通风在公路隧道中得到大量应用，周漠仁[7]、 Li Y[8]和Gladstone [9]等人通过建立能量平衡方程、稳定性方程对自然风压分布和作用效果进行研究；ChenvidyaKarn T[10]、Zhang[11]等人对自然通风下烟气流动的稳定状态进行了分析，Jin SiKe[12]等人通过缩尺寸模型实验对公路隧道自然通风下烟气分布及流动特征进行了研究。然而，隧道自然通风理论模型还比较单一，采用率低。为了得到更加简单准确的理论计算方法，通过建立阻滞工况下三种隧道自然通风理论模型，对隧道几何特征、坡度以及竖井等边界条件加以讨论，分析了热压在隧道自然通风中的作用效果。为热压作用下隧道自然通风研究提供了理论分析基础和参考依据。
2 热压对隧道自然通风影响的理论分析
2.1 基本方程和基本假设
本文以公路隧道为例进行研究，隧道工程概况如表1所示。在阻滞工况下，近似认为隧道内车辆释放的热量等于气体吸收的热量。并提出以下假设条件：（1）隧道的洞壁为绝热状态，无热量交换；（2）隧道内部气体为定压状态；（3）隧道内部各个截面相同；（4）隧道内气体流动过程为连续稳定流动过程[13]；（5）忽略交通风对隧道通风的影响；（6）忽略海拔高度变化对空气温度的影响。
表1 隧道工程概况
公路隧道内产生阻滞情况时，交通风对通风效果的影响可以忽略，汽车释放的热量全部用于排出气体温度提升。根据理想气体方程、质量守恒方程、能量守恒方程、羽流方程以及边界条件等，可对隧道内部高温空气的密度、温度、速度进行分析求解。
根据规范公路隧道设计坡度宜为0.3%~3%，特殊情况下可增至4%[17]。为了获得良好的规律性，设置隧道坡度范围为0.5%~5%[18]。对于单竖井单坡隧道和人字坡隧道，竖井位于距离隧道入口1000m处。内部车辆处于阻滞状态时，可忽略交通风对自然通风的影响，仅需考虑热浮力和沿程阻力作用，达到稳态后，补入空气与外部空气密度与温度相等，浮力作为自然通风驱动力与阻力相等。假设环境温度为293K，整条隧道内气体处于加热状态，隧道内补入空气长度L0和L01近似于0m。分别建立基本方程如下：
无竖井单坡隧道：
（b）隧道内温度变化图
图2 不同坡度下单竖井人字坡隧道自然通风流速与温度分布
由图4可知，对于无竖井单坡隧道，热空气全部由隧道出口排出，排气速度随隧道坡度增大而增加，出口流速变化范围为1.75m/s~3.70m/s；同时由于隧道出口流速增大，冷空气加热时间减少，导致隧道内温度随坡度增大而降低，温度变化范围为322.5K ~306.3K。另外，根据正弦变化规律，隧道坡度越大，烟囱效应产生的动力受坡度变化影响越小，这也使得隧道排风速度和隧道内温度的变化率随着隧道坡度增大而逐渐减小。
由图5可知，坡度为0.5%和1%时，不足以产生烟囱效应，计算结果不收敛。坡度为1.5%~5%时，热空气从竖井和隧道出口同时排出，竖井排风速度随坡度增大而减小，流速变化范围为0.87m/s~4.38m/s；竖井流速降低的原因主要是竖井下游隧道烟囱效应产生的抽吸作用增强，坡度增大时，隧道出口排风速度随之增大，流速变化范围为3.49m/s~7.65m/s；另外，根据计算结果可以发现，虽然竖井下游隧道抽吸作用影响了竖井的排风效果，但隧道整体的排风速度随坡度增大而加快，这也导致隧道内温度随隧道坡度增大而降低，温度变化范围为354.4K~376.3K。
由图6可知，隧道坡度为0.5%~5%时，人字坡隧道自然通风情况均为竖井排风，隧道两端洞口同时补风。竖井排风速度随隧道坡度增大而加快，流速变化范围为3.06m/s~4.28m/s；隧道内温度随隧道坡度增大而越低，温度变化范围为310.3K~317.7K。
4 结论
（1）自然通风条件下隧道内发生车辆阻滞情况时，由隧道坡度和竖井产生的烟囱效应对隧道通风效果有很大影响。隧道坡度越大，烟囱效应越明显，排风速度越快，温度越低。但隧道坡度过大时（ ），竖井下游隧道与竖井相互影响，排风效果会下降。
（2）隧道内排风速度与温度会相互影响，温度越高，烟囱效应越强，排风速度越快，同时冷空气加热时间减少，隧道内温度降低，排风速度变慢。
（3）热压下公路隧道自然通风理论模型可用于快速简便准确的预测热压下隧道内温度和速度分布。但对于不同竖井位置和数量时公路隧道自然通风理论还有待进一步研究。
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项目：云南省交通运输厅科技计划项目（云交科教[2013]261号）