基于交通流概率可靠度模型的公路隧道通风系统集约化方法研究

The ventilation system in the long road tunnel is very important to construction investment, operation environment, disaster prevention, operation cost and so on, while most systems show problems, such as roughly designing, too large scale, lying idle, and energy waste. As we all know that he traffic flow, vehicle type ratio and actual driving speed all change with time and show randomness, non steady state, and a high degree of relevance with air demand volume and ventilation equipment scale, it’s important to master the statistical characteristics of above factors and establish the probability model of tunnel traffic flow. Then taking public psychology, tunnel importance and economic affordability into account, acceptable reliability index for ventilation system are put forward, and the direct reliability analysis theory using a second-order second-moment matrix method is researched. On this basis, a fine air demand volume and traffic wind force calculation method is proposed to meet the above reliability index of different vehicle type and corresponding driving speed. Lastly, by complementing a novel double-hole reversible complementary ventilation mode to treat two neighboring tunnels as a whole, an intensification design method of road tunnel ventilation system is put forward. From supply-side, the project adopts theoretical analysis, numerical simulation and model test to provide related theory and method to establish a low-carbon, energy-saving ventilation system.

特长公路隧道中的通风系统对建设投资、运营环境、应急防灾、运营成本等非常重要，但目前尚存在设计粗犷、规模庞大、设备闲置、能源浪费等问题。鉴于交通车流量、车型比例、行车速度随时间变化的随机性和非稳态性，及其与通风系统设置规模的高度关联性，首先，深入掌握不同车型流量及其在不同纵坡下的行车速度的统计特征，建立特长隧道交通流概率模型；然后，综合考虑社会公众心理、隧道重要性和社会经济承受能力等因素，提出可接受的通风系统可靠度指标体系，并采用二次二阶矩阵方法进行可靠度直接设计；在此基础上，构造满足可靠度指标、并考虑不同车型流量及对应车速差异的需风量及交通风力精细化计算方法；最后，将相邻隧道通风系统视为一个整体提出双洞双向可逆互补通风模式，形成基于概率可靠度原理的通风系统集约化的解决方案。本项目综合运用理论分析、数值模拟、模型试验等研究手段，从“供给侧”入手，为实现通风系统的低碳、节能提供相关理论与方法。

（1）研究背景.特长隧道往往装备功率惊人的通风系统，然而，在实际运营过程中的使用率却很低、闲置率很高。一些学者认为是由于目前的污染物排放量计算方法存在缺陷，导致确定的需风量、风机参数及数量与实际情况存在巨大差异。因此，本项目旨在通过提出新的需风量计算方法、开发新型的双洞互补式通风方式等手段，实现公路隧道通风系统的集约化。..（2）主要研究内容.首先，在依托隧道中开展了为期1年的交通流信息采集，实际采集到7266小时的交通流数据，获得了依托隧道的交通流统计特征；通过交通流特征的研究和交通活塞风规律的研究，完成了需风量及交通风力精细化计算方法；最后，将相邻隧道通风系统视为一个整体提出双洞双向可逆互补通风模式，形成了通风系统集约化的解决方案。..（3）重要结果.1）通过公路隧道内交通流的采集与分析，证明了隧道内的运行车速与车流量存在相关性，现有的计算方法与实际交通流状况存在较大差异；节假日的交通流特点成为通风系统设计的控制性工况。.2）隧道中小客车和大型货车的行车速度差异很大，用统一的车速去计算污染物排放量导致计算结果偏大和设备富余，同时，本项目系统研究了交通活塞风的算法、敏感性因素，提出了考虑不同车型流量及行车速度差异的通风系统精细化计算方法。.3）开发了竖井送排结合互补的新型通风模式，突破了“两隧道总需风量小于2倍最大允许通风量”的限制条件，并获得了该通风方式的节能运营方法。.4）采用CFD数值分析和缩尺寸模型试验，对双洞互补通风模式火灾时的通风排烟安全性的深入研究，包括温度场、能见度场，证明采用互补式通风模式能满足火灾情况下的安全运营要求。..（4）应用前景.本项目的研究成果已融入了项目组研发的“公路隧道通风系统节能设计软件”，该软件目前已累积18家正式用户，同时，相关成果陆续应用于北京延庆至河北崇礼高速公路等众多大型隧道工程中。目前我国在建及计划建设的5km以上特长公路隧道累积超过100座，因此，课题组对本课题的应用前景持乐观态度。