411

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВЕНТИЛЯЦИИ ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЕЙ

Министерство образования РФ Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ) Кафедра мостов

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВЕНТИЛЯЦИИ ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЕЙ

Методические указания по курсовому проектированию

для студентов специальности 291100 «Мосты и транспортные тоннели»

Составитель А.А. Фугенфиров

УДК 625. 42 ББК 39.112

Рецензент гл. инж. проектов ПКТБ НИСа СибАДИ (г. Омск), канд. техн. наук, доц. М.П. Мусиенко

Работа одобрена методической комиссией факультета АДМ в качестве методических указаний к курсовому проектированию для специальности

291100

Проектирование вентиляции транспортных тоннелей: Методические указания / Сост. А.А. Фугенфиров. - Омск: Изд-во СибАДИ, 2002. – 44 с.

Методические указания составлены в соответствии с программой дисциплины «Проектирование и строительство тоннелей» и предназначены для студентов специальности 291100 «Мосты и транспортные тоннели», выполняющих курсовой проект по сооружению транспортных тоннелей.

В них заложены основы проектирования и расчета искусственной вентиляции горных, городских и подводных автотранспортных тоннелей и тоннелей метрополитенов. Даны общие положения по вентиляции, методика расчета расхода подаваемого в тоннель воздуха по газо- и тепловыделениям, определение давления воздуха при естественном и искусственном проветривании, а также выбор необходимого вентиляционного оборудования. Приведены примеры расчета естественной и искусственной вентиляции автодорожных тоннелей.

Методические указания могут быть также использованы при выполнении дипломных проектов.

Табл. 9. Ил. 6. Библиогр.: 7 назв.

© Издательство СибАДИ, 2002

1. ВЕНТИЛЯЦИЯ АВТОДОРОЖНЫХ ТОННЕЛЕЙ

1.1. Общие положения

Применение вентиляции в тоннелях обусловлено необходимостью снижения до допустимой концентрации вредных газов, устранения задымления и запыленности воздуха, создания нормального температурного режима.

По нормативам, автодорожные тоннели длиной до 150 м могут проветриваться естественным путем, тоннели длиной 150 400 м должны иметь естественное проветривание при обосновании его расчетами и в случае необходимости оборудоваться искусственной вентиляцией, а тоннели длиной более 400 м обязательно должны иметь принудительную вентиляцию.

Искусственная вентиляция автодорожных тоннелей производится за счет воздухообмена путем подачи свежего воздуха, удаления загрязненного или одновременной подачей свежего и вытяжкой отработанного воздуха.

При этом применяют продольную, поперечную или комбинированную системы вентиляции, отличающиеся друг от друга характером воздухообмена, направлением движения воздуха, наличием или отсутствием специальных приточных и вытяжных каналов.

При продольной системе воздух подается и удаляется по всему сечению тоннеля вентиляторами, установленными у порталов (рис. 1.1, а). Скорость движения воздуха в тоннеле не должна превышать 6 м/с. Такую систему наиболее целесообразно применять в автодорожных тоннелях с односторонним движением транспорта длиной не более 1 км, а также в железнодорожных тоннелях. В тоннелях длиной до 1,5 2 км находит применение продольно-струйная система вентиляции являющаяся разновидностью продольной системы. Для интенсификации проветривания вдоль тоннеля (на стенах или на своде) через 50 100 м устанавливают высокоскоростные

рез 50 100 м устанавливают высокоскоростные струйные вентиляторы (рис. 1.1, б).

Наиболее эффективной для автодорожных тоннелей, особенно имеющих значительную протяженность, является поперечная система вентиляции с подачей и вытяжкой воздуха по продольным каналам, расположенным за пределами габарита приближения строений.

Скорость движения воздуха в продольных каналах - до 1520 м/с. Длину продольных каналов принимают не более 600800 м из условия обеспечения равномерного выпуска воздуха по тоннелю.

Воздух из приточного канала поступает со скоростью 3 5 м/с по поперечным каналам высотой h0 8 15см и шириной b0 7 15 h0 , расположенным через 4 6 м, и удаляется че-

рез отверстия в вентиляционной перегородке шириной

а0 120 200см и длиной l0 0,1 0,2 a0 (рис. 1.1, в).

Расширение каналов для притока и вытяжки воздуха зависит главным образом от формы поперечного сечения тоннеля. Так, в тоннелях кругового поперечного сечения приточный канал размещают под проезжей частью, а вытяжной канал - над ней.

При сводчатом очертании тоннеля приточный и вытяжной каналы располагают чаще всего над проезжей частью (под сводом), причем возможна как двусторонняя, так и односторонняя подача воздуха.

В тоннелях прямоугольного поперечного сечения каналы наиболее целесообразно размещать сбоку от проезжей части, рядом с боковыми стенами, а в двухпролетных тоннелях один из каналов может располагаться между проезжими частями.

Применяют также комбинированные системы вентиляции: полупоперечную - с подачей воздуха по каналу и вытяжкой по тоннелю и полупродольную - с подачей воздуха по тоннелю и вытяжкой по каналу (рис. 1.1, г).

При проветривании тоннелей значительной протяженности (более 1.5 2 км) поперечную и комбинированную системы вентиляции применяют с устройством по длине тоннеля промежуточных шахтных стволов для подачи и вытяжки воздуха

(рис. 1.1, д).

Более подробные сведения о вентиляции автодорожных тоннелей содержатся в 1,2,3,6 .

Проектирование вентиляции автодорожных тоннелей предусматривает определение необходимого расхода и давления воздуха для проветривания, выбор вентиляционных установок, размещение вентиляционных каналов, перегородок и пр.

1.2. Расход воздуха, подаваемого в тоннель

Расход воздуха, который требуется подавать в тоннель для обеспечения нормальной эксплуатации, определяют из условий снижения до допустимой концентрации вредных газов и установления в тоннеле нормального температурного режима. Для расчета вентиляции принимают исходные данные: тип и назначение тоннеля, категорию дороги, площадь поперечного сечения тоннеля, длину тоннеля, высоту расположения над уровнем моря, продольный профиль и план тоннеля, интенсивность движения автомобилей, скорость движения автомобилей в колонне, состав автомобильного потока по типам автомобилей, систему вентиляции.

Выбор системы вентиляции определяют по условию

VQmax ,

ВSТ

где VВ - скорость движения воздуха в транспортной зоне тоннеля, м/с;

Qmax - максимальный требуемый расход воздуха, м3/с; SТ - сечение тоннеля в свету, м2.

При VB 6м/с принимают продольную систему.

1.2.1. Расчет по предельно допустимой концентрации СО

Расход воздуха, м3/с, требуемый по условию снижения концентрации СО до предельно допустимой:

где L - длина тоннеля или его участка с одним уклоном, км;

Ja – максимальная часовая интенсивность движения автомобилей, авт./ч (табл. 1.1);

Va - средняя скорость движения колонны автомобилей по тоннелю, км/ч (см. табл. 1.1);

- предельно допустимая концентрация СО в воздухе тоннеля, мг/м3 (табл. 1.2);

- концентрация СО в приточном воздухе, обычно =1 мг/м3;

mk ,mд - доли автомобилей с карбюраторными и дизельными двигателями в общем потоке;

cnk ,cck cnд ,ccд - коэффициенты, учитывающие влияние уклона проезжей части тоннеля для различных скоростей движения на подъеме и спуске соответственно для автомобилей с карбюраторными и дизельными двигателями (табл. 1.3);

qk ,qд - количество СО, выделяемой одним «осредненным» автомобилем и дизельным двигателем соответственно, мг/с.

Количество СО, мг/с, выделяемое одним «осредненным» автомобилем:

где - коэффициент избыточного расхода воздуха в горючей смеси, для карбюраторных двигателей k = 0,85 1,2; для ди-

зельных двигателей д = 1,5 2,5;

QT - расход топлива одним «осредненным» автомобилем,

кг/ч (табл. 1.4);

Р- процентное содержание СО в выхлопных газах по массе,

%; при равномерном движении принимают для карбюратор-

ных двигателей Рk =0,8 2,5; для дизельных двигателей Рд = 0,1 0,15; при замедлении для карбюраторных двигателей Рk = 2,5 5;

сВ - коэффициент, учитывающий влияние высоты расположения тоннеля над уровнем моря (табл. 1.5) .

При односкатном профиле расход воздуха определяют сразу для всего тоннеля, а при многоскатном профиле - по участкам с разными уклонами. Поэтому в формуле (1.1) в первом случае принимают полную длину тоннеля LT , а во втором - длину каждого отдельного участка L1,L2 ,L3 и т.д. Тогда общий расход воздуха определяется суммированием расходов по участкам.

Таблица 1.3

1.2.2. Расчет по теплоизбыткам

Расход воздуха, м3/с, требуемый по условию удаления из тоннеля избыточного тепла и установления нормального температурного режима:

T

или теплоприток из массива в тоннель, Вт.

Температуру подаваемого в тоннель воздуха tH принимают равной средней температуре воздуха в данной местности. Температура воздуха в тоннеле tT не должна превышать среднюю

температуру наружного воздуха tН более чем на 10 15 К и не должна быть выше 308 К.

Плотность воздуха при определенной температуре и давлении 101400 Па можно принять по табл. 1.6.

Тепловыделения автомобильных двигателей, Вт:

где hk , hд - низшая теплотворная способность бензина и ди-

де - средние тепловыделения одного человека, Вт;- максимальное количество людей, одновременно находя-

щихся в тоннеле.

Величину принимают для ремонтных и эксплуатационных рабочих 175 Вт, для водителей - 115 145 Вт, для пасса-

где П - периметр внутреннего контура тоннеля, м;

tпор - средняя температура породы на данной глубине, К; Rо - сопротивление теплопередаче обделки тоннеля,

м2 К/Вт.

Значения tпор принимают по опытным данным в соответствии с заданием на проектирование. Необходимо уточнить, происходит уход тепла из тоннеля в окружающий породный массив или, наоборот, приток тепла в тоннель из массива. Это зависит от температуры воздуха в тоннеле и температуры породы. Тепло уходит в более холодную область. Поэтому при теплопритоке в тоннель его величину нужно прибавлять к сумме тепловыделений (1.4), а при теплоуходе из тоннеля его величину нужно вычитать.

Сопротивление теплопередаче обделки тоннеля:

где в - коэффициент теплопередачи внутренней поверхности обделки, принимают для обделок из монолитного бетона и же-

лезобетона в=8,7 Вт/м2 К; для обделок из тюбингов в=7,54 Вт/м2 К;

Н - коэффициент теплопередачи наружной поверхности обделки тоннеля, принимают для обделок, контактирующих с сухой породой Н = 5,8 Вт/м2 К; для обделок, контактирующих с влажной породой, Н = 11,6 Вт/м2 К;

RT – термическое сопротивление обделки тоннеля, м2 К/Вт Величину RT для многослойных конструкций (обделка, облицовка, гидроизоляция, защитная обойма и пр.) определяют

как сумму сопротивлений отдельных слоев:

где i - толщина отдельного слоя, м;

i - расчетный коэффициент теплопроводности материала отдельного слоя, Вт/м К (табл. 1.7).

1.3.Давление воздуха

1.3.1.Установление возможности естественного проветривания

По нормативам, при длине автодорожных тоннелей менее 150 м вентиляция осуществляется только естественным проветриванием. В тоннелях длиной от 150 до 400 м искусственная вентиляция может не устраиваться, если создается естественная тяга воздуха, обеспечивающая предельно допустимую концентрацию вредных газов и нормальный температурный режим в тоннеле. Допустимость естественного проветривания в этом случае обосновывается расчетом.

Определяется алгебраическая сумма давлений в тоннеле, Па, создаваемых совместным действием отдельных факторов естественного проветривания:

где Рв, Рt, Рб, Ра - соответственно давления, вызванные действием ветра, разностью температур, барометрического давления и поршневым эффектом автомобилей.

Давление за счет динамического действия ветра, Па:

где VвТ - скорость ветра, попутного (+) или встречного (-) движению воздуха в тоннеле, м/с;

- угол между направлением ветра и осью тоннеля, град. Давление, вызванное разностью температур воздуха на по-

верхности и в тоннеле, Па:

где - разность высотных отметок порталов тоннеля, м;Т - разность плотностей воздуха на поверхности и в тон-

неле, кг/м3.

Если температура воздуха в тоннеле выше, чем на поверхности (в холодное время года), то воздух движется от нижнего портала к верхнему, а в противном случае - наоборот.

Давление за счет разности барометрических давлений у пор-

Ориентировочно величину атмосферного давления в зависимости от высоты расположения порталов над уровнем моря можно принимать по табл.1.8. Значения приняты при температуре воздуха 273 К. При другой температуре давление определяют по формуле

Давление, вызванное поршневым действием автомобилей, движущихся в одном направлении, Па:

где SM - миделево сечение автомобиля, м2;

ST - площадь поперечного сечения автомобиля, м2;

сa - коэффициент лобового сопротивления автомобиля; Na - количество автомобилей, одновременно находящихся

в тоннеле на одной полосе движения;

Va - скорость движения колонны автомобилей, м/с; Vв - средняя скорость движения воздуха в тоннеле, м/с.

В формуле (1.16) знак «плюс» ставится тогда, когда направление движения автомобилей совпадает с направлением движения воздуха, и знак «минус» - когда не совпадают движения автомобилей и воздуха.

Значения SM составляют: для легковых автомобилей малого класса 1,5 2,0 м2, для легковых автомобилей среднего и большого класса 2,0 2,8 м2, для грузовых автомобилей 3,0 6,5 м2, для автобусов 3,0 7,5 м2.

Значения са принимают: для легковых автомобилей 0,4 0,5; для грузовых автомобилей 0,6 1,0; для автобусов 0,45 0,9 (первые числа - для автомобилей с хорошо обтекаемым, а вторые - для автомобилей с плохо обтекаемым кузовом).

Для расчета принимают средневзвешенные значения SM и са (с учетом доли автомобилей в общем потоке).

Количество автомобилей, одновременно находящихся в

Определив суммарное давление и учитывая, что оно расходуется на преодоление сопротивлений, возникающих в тоннеле, подсчитывают скорость движения воздуха в тоннеле (с учетом всех сопротивлений), м/с:

где ТР - коэффициент трения воздуха по внутренним стенкам тоннеля;

dЭТ - эквивалентный диаметр тоннеля, м;

i - местное сопротивление в тоннеле (табл. 1.9). Значения ТР ориентировочно принимают: для тоннелей с

гладкой бетонной поверхностью ТР = 0,028, с ребристой поверхностью (железобетонные тюбинги) ТР = 0,036 и (чугунные тюбинги) ТР = 0,047.

Эквивалентный диаметр воздуховодов некругового сечения:

Определив VЕ , следует проверить условие VE QST , при соблюдении которого достаточность естественного проветривания можно считать обоснованной.

1.3.2. Расчет искусственной вентиляции

При расчете искусственной вентиляции определяют давление подаваемого в тоннель воздуха, необходимое для преодоления сопротивлений, которые могут быть в тоннеле. В зависимости от принятой системы вентиляции в тоннеле возникают различные сопротивления для движения воздуха.

При продольной системе вентиляции возникают сопротивления за счет сил трения воздуха по длине тоннеля, а также местные сопротивления при входе и выходе воздуха из тоннеля

ипри поворотах, если трасса тоннеля располагается на кривой. В ряде случаев учитывают сопротивление, вызванное естественной тягой воздуха, направленной навстречу воздушному потоку, создаваемому вентиляторами.

При поперечной системе вентиляции сопротивления трения возникают в продольных и поперечных вентиляционных каналах, а местные сопротивления - при входе и выходе воздуха из каналов, при поворотах, сужениях и расширениях воздуховодов

ипр.

При поперечной системе вентиляции с промежуточными шахтными стволами необходимо также учитывать сопротивление трения при движении воздуха по шахтному стволу или устроенным в нем каналам и местные сопротивления при входе и выходе воздуха из шахтного ствола, поворотах и пр.

Сопротивление трения, т. е. потеря давления в воздуховоде

где L - длина воздуховода (тоннеля, канала, шахтного ствола); Vв - средняя скорость движения воздуха в воздуховоде, м/с. Значения ТР для поперечных каналов, облицованных листовой сталью, асбоцементными листами или винипластом, при-

нимают от 0,08 до 0,1.

Среднюю скорость движения воздуха Vв определяют, как

Vв Q .

Потери давления в местных сопротивлениях, Па:

При расчете струйной вентиляции необходимо также определить давление, создаваемое вентилятором, Па:

где k - коэффициент использования струи, принимают k = 0,85 0,90;

Sсв - площадь поперечного сечения вентилятора на выходе,

м2;

Vсв - скорость движения воздуха у выходного отверстия вентилятора, м/с. Характеристика струйных вентиляторов приведена в прил. 1.

1.4. Выбор вентиляционного оборудования

Определяют расчетные значения расхода и давления воздуха, которыми являются максимальный расход из расходов, определенных по условиям предельно допустимой концентрации СО и установления нормального температурного режима, и суммарное давление, создаваемое в тоннеле при принятой системе вентиляции. Расчетные значения принимают с учетом возможных потерь порядка 5 10 %.

Qр = (1,05 1,10) Qmax ;

Рр = (1,05 1,10) Рmax. (1.23)

Определив расчетный расход воздуха Qр и требуемое давление Рр , выбирают необходимое вентиляционное оборудование.

Для проветривания тоннелей применяют центробежные и осевые вентиляторы главного проветривания, а также струйные высокоскоростные вентиляторы местного проветривания.

Вентиляторы подбирают по их характеристикам, которые выражают зависимость между основными параметрами их работы: производительностью и давлением при различной частоте вращения и разных коэффициентах полезного действия.

Впервом приближении выбор типа вентиляторов можно производить по их основным параметрам, приведенным в прил. 1,2,3.

Вслучае если один вентилятор не удовлетворяет расчетным значениям Qр и Рр , выбирают несколько вентиляторов, объединяя их по параллельной или последовательной схеме.

При параллельной схеме общий расход воздуха, подаваемого

ввоздуховод, будет равен сумме производительности всех установленных параллельно вентиляторов, а общее давление не будет превышать давления, создаваемого каждым из вентиляторов.

При последовательной схеме общее давление равно сумме давлений всех вентиляторов, а производительность соответствует производительности каждого из вентиляторов.

Количество рядов (ступеней) струйных вентиляторов определяют, учитывая естественную тягу воздуха:

где Р1 - сопротивление трения, Па; Р2 - местные сопротивления, Па;

РЕ - давление, обусловленное естественной тягой воздуха,

Па.

Центробежные и осевые вентиляторы размещают непосредственно у порталов тоннелей или в подземных камерах (рис. 1.2).

Струйные вентиляторы размещают непосредственно на стенах или под сводом тоннеля, над тротуарами или непосредственно над проезжей частью так, чтобы ось каждого вентилятора была параллельна оси тоннеля. Можно располагать струйные вентиляторы и в специальных нишах в стенах или своде.

Рис. 1.2. Схемы размещения вентиляционных установок горного (а), подводного (б) и городского (в) тоннелей: 1 - вентиляционная камера; 2 - вен-