新七道梁公路隧道运营通风效果测试及分析 

    摘  要：本文通过对新七道梁公路隧道内外气温、风速等气象条件进行现场测试，研究了在隧道区域范围内风速和气温等因素影响下，隧道内风速及洞内气温变化规律，为新-b道梁公路隧道营运过程中的通风控制以及西北高海拔地区公路隧道通风、消防、救援研究提供依据。

    关键词：公路隧道  气象测试  通风控制  隧道风速  气温

 

    1  隧道概况

    新七道梁公路隧道位于甘肃省兰州市以南17km处，是兰临高速公路的控制工程，为双洞单向行车，隧道设计行车速度为60km／h。隧道上、下行线基本平行，且位于同一海拔高度；上行线(右线)隧道长4003.19m，纵坡为+2.05％，桩号为K17+440-K21+443.19，平均设计标高为2216.68；下行线(左线)隧道长4070m，纵坡+2.11％，桩号为K17+370-K21+440，平均设计标高为2219.75，两洞轴线相距约45m。

    隧道北坡山势陡峭，冬季易积雪，南坡地势较缓，向阳较暖。该地区属温带半干旱气候，最大冻土深度1．03m，年降水量400-500mm，年平均气温6cC左右，属温带半干旱气候，隧道区域内夏季平均温度为20~C。南坡区域内有数处泉眼，地下水常年出流，水量较小，水温7℃左右，弱碱性。北坡植被较好，径流畅通，地表水下渗量小。常风向为北偏东，北洞口处于顺直主沟纵深带，在小地形作用下常风向转为北风。北坡冬季易积雪，南坡向阳较暖。

    2  测试概况

    现场测试选在隧道通车后40天，测试主要为验证隧道运营后通风效果。新七道梁公路隧道2005年设计小时交通量及其组成见表1，隧道通风系统平面图见图1，测试沿隧道上下行线共布置有14个测点图2。

    2.1  测试内容

现场测试内容包括南北洞口、洞内全长不同位置处的空气温度、湿度和自然风向、风速。测试沿隧道全长分布7个测点(上下行线共计14个测点)，相邻测点间距约600m，测点布置见图2和图3。图2中实心圆圈为测点位置，各个测点同时同步进行连续观测。

    2.2  测试时间安排

    测试定在2005年1月8号，连续测试2Ah，共分成8个时间段(白天车辆较多，时间段长；车辆较少，时间段短)。具体测试时间如下：10:30-12：00，13：30-14:30，16:00-18:00，20:00-20：30，晚上23：00-23：30，第二天凌晨2:00-2:30，5:00-5:30，8:00-9:20。在每个测试时间段内每5min记录一次读数。

    2.3  测试仪器

    风速风向仪(智能热球式风速计ZRQF—B，热球式电风速计QDF—2A)；

    轻便三杯风向风速表(DEM6型)；

    空盒气压表DYM—3；气压计DYJ—1；

    温度湿度表(温度湿度表WHM5；温湿度计ZJ—1)。

    2.4  测试要求

    在每次测试时间段之前，必须提前30min到达测试现场，布置好人员，调整好仪器，待仪器稳定后再读测试数据。

    2.5  测试隧道基本条件

    a. 隧道下行线24组(48台)、上行线35组(70台)射流风机已经安装完毕，且均具备手启运、停机的基本条件。

    b．隧道已经开通运营40余天。

    c．隧道内车行横洞和人形横洞未封闭。

    3  隧道内风场及气象条件测试分析

    3.1  隧道内外日气温变化

    外界近地层气温日变化一般有如下特征：在一日内有一个最高值，一般出现在午后14点左右；一个最低值，一般出现在日出前后；一天中气温最高值与最低值之差(气温日较差)，大致反映气温日变化的程度。

    新七道梁隧道位于高纬度地区，南北走向，1月8号现场测试时，隧道南北两端外界日气温变化差异很大，南洞口洞外气温日较差高达30％，最高气温出现在午后14点到15点之间，温度高达22~C，而最低气温出现在早晨5点，温度低达-1O℃；北洞口外气温日较差达到14℃，最高气温出现在14点，温度为2℃；而最低气温出现在早晨5点，温度低达-12℃。南北两洞口端气温日较差较大，同一时刻，北洞口温度比南洞口温度低出IO℃左右。上、下行线隧道内外日气温变化见图4。

    隧道中部气温变化较少。从图中测点看出隧道南北洞口气温变化幅度很大，而隧道中部变化很少。以测点3和测点8为例，最高气温均为1.5℃，最低气温均为-3℃，昼夜温差4.5℃。且最高气温与最低气温点出现时间具有不稳定性，与隧道内行驶车辆所引起的交通风速有关。测试期间，隧道中间几个测点昼夜温差变化范围基本在4.5℃内，而南北洞口变化相对洞内变化大得多。因此距离洞口超过0．6km的测点昼夜变化很小，上、下行线隧道洞口及中部昼夜温度变化对比见表2。

    3.2  隧道内外湿度变化

    相对湿度的高低主要受到气温高低和地面潮湿程度(水源)两个因素的影响。相对湿度日变化比较特殊，由于新七道梁隧道两端洞口处于高纬度中，南北洞口植被、气候环境不同，故两端洞口的相对湿度具有较大的差异。总体来看，隧道整个区域内的相对湿度变化：同一时间段隧道两端洞口大，中间小；早上大，中午小。整个隧道区域内的相对湿度介于50％-85％之间，上下行隧道内外日相对湿度变化情况见图5。

    测试期间温度和湿度的相互影响变化较明显，当气温变化增高时，虽然蒸发加快，水汽气压增大，但是饱和水气压增大的较快更多，反使相对湿度减少。温度降低时相反，相对湿度增大。因此在新七道梁隧道测试过程中，隧道的相对湿度日变化和温度的日变化规律恰好相反，其最高值基本上出现在温度较低的时候，而湿度最低时候是温度较高的时候。

    3.3  洞内风速变化

    本次测试期间，由于隧道开始运营，车辆较少，但是车辆还是影响测试自然风速和风向，当隧道内车辆通过测试点时风速较无车辆通过时要大近一倍。下行线南洞口的风速平均值少于lm／s，测点1平均风速处于0.5-2.3m／s，测点2风速较大，介于1.7-3.3m／s；处于隧道中间的测点3风速较低，介于0.2-1.6m／s；测点4和测点5隧道内同一时刻风速较测点3大0.3m／s。上行线北洞口和下行线测点5风向基本一致，风向从洞外向里，洞外自然风速0.6—3.0m／s，测点6和测点7风速较大，风速介于1.5-3.0m／s，测点8和下行线测点3处于同一个车行横洞旁边，两者风速比较接近，也介于0.2-2.0m／s之间，测点9和测点10风速平均值接近0.3～2.5m／s。上、下行线内各个时间段风速平均值变化见图6和图7。

    本次测试时还加测了竖井口风速。由于新七道梁隧道初期交通量较小，隧道内竖井施工只有半幅开通，所以竖井对隧道内自然风和交通风速影响较小。上行线隧道内竖井口风速不超过0.8m／s，下行线隧道内竖井口风速不超过0.6m／s。

    3.4  风机启动后隧道内风速传播

    本次测试过程中也测试了不同时刻风机开启时，洞内风速传播情况。整个隧道运营期间，隧道内风机全部安装完毕，并且具备手动启动控制风机的条件，风机启动顺序从下行线(从南洞口至北洞口)开始，依次启动每组风机(1组2台)，然后沿隧道方向直到下行线风机全部启动；在依次启动上行线(从北洞口至南洞口)风机(1组2台)，经过一段时间稳定后，风速达到稳态值，可以测试隧道内风机开启时风速传播情况。风机开启时间从16：45开始，至18：30结束，这期间风速测试时间段从16：55—18：00，期间风速变化关系见表3和表4：

    下行线各组风机依次启动后，待洞内气流稳定，风速达到稳态值。从上述测试的数据表格中看出，风机开启后，风速较没有开启风机后风速值要大，并且相对较稳定。

    由于在本次测试过程中，车行横洞和人行横洞未封闭，给上行线和下行线隧道内的通风量将会造成交叉影响。新七道梁隧道气象条件观测与风速观测是同步进行，测试的气象变化见前图。可见在射流风机关闭的情况下，隧道内自然风速只有0.2-1.8m／s，待射流风机开通后隧道内自然风速平均值可达1.5—2.8m／s；同时测试期间，当机动车辆群经过测点时风速高达4.0m／s。说明在单向隧道中，机动车辆群行驶经过测试点时，测点自然风速急剧增大，具有明显的“活塞效应”。

    3.5 车行横洞风速变化

    测试期间加测了车行横洞内风速，变化范围为0.5-2.7m／s。其风向由风压高的上行线隧道吹向风压低的下行线隧道。

    4 结论

    a．由于地形缘故，洞口风向沿着山谷走向。测试期间，隧道上下行线风向由北向南，风向较稳定，隧道内风速变化幅度在1.5-3.5m／s之间，隧道内日平均风速在之2.5m／s内，日均风速标准差为0.4m／s，说明隧道内风速起伏较大。隧道内风速变化的主要原因是新七道梁隧道海拔高和过往隧道内车流分布不均匀。

    b．隧道为双洞单向行车，机动车行驶过程中形成的“诱导风”效应十分显著。测试期间上行线隧道内车流方向和自然风一致，交通风较大，平均风速达到2.8m／s。下行线隧道内风流方向不稳定，射流风机开启时自然风与机械风相互抵消一部分，风速平均值为1.8m／s。

    c．隧道车行横洞内风速较小，其风向由风压较高上行线吹向风压较低的下行线，风速值在1.5m／s内。由于竖井未投入使用，并且在竖井内存有大量施工弃物，测试期间竖井口风速不超过0.8m／s。

    d．隧道内的风速受外界环境气象条件影响较大，说明在初步勘测设计中仅用隧道两洞口的高程差或者气压差来计算隧道内风速的方法，并不能完全反映隧道内的实际风场状态。

    e．隧道位于高纬度地区，南北两端外界日气温变化很大，南洞口洞外气温日较差达30℃，最高气温为22℃，最低气温为-10℃。北洞口外气温日较差达到14℃，最高气温为2℃，最低气温为-12℃。南北洞口气温相差较大，同一时刻，北洞口温度比南洞口温度低10℃左右。

    f．测试期间隧道内相对湿度变化范围较小，表现为同一时间段隧道两端洞口大，中间小；早晨大，中午小。整个隧道区域内的相对湿度介于50％-80％之间。

    s．隧道内温度和相对湿度的相互影响变化较明显，隧道的相对湿度日变化和温度的日变化规律恰好相反，其最高值基本上出现在温度较低的时候；而最低时候是温度较高的时候。

    h．通过测试数据分析，隧道在冬季必须注意防寒保温，防止隧道洞口积雪、挂冰。本次测试可作为将来新七道梁公路隧道通风、消防、救援系统以及根据隧道通风量来划分通风控制分档依据。同时也可作为西北中高海拔地区公路隧道通风、消防、救援系统设计的参考依据。

 

参考文献

1  中华人民共和国交通部．公路隧道通风照明设计规范(JTJ 026—99)．北京：人民交通出版社，1999

2  长安大学课题组．西北中高海拔地区特长公路隧道通风、消防、救援系统研究报告[R]．2004．5

3  AllanH．Murphy．大气科学中的概率统计和决策[M]．气象出版社，1991

4  周淑贞．气象学与气候学[M]．北京：高等教育出版社，1997

5  张霭琛．现代气象观测[M]，北京：北京大学出版社，2000