阪神高速道路株式会社
技報第 23 号 2006

分岐合流を有するトンネルの換気設計に関する実験報告
建設事業部
情報システム管理室

工事調整グループ
情報システムグループ

味原堀越和広廣一………………………………………………………………………………
要

旨

近年の都市道路トンネルは，淀川左岸線（１期，２期）及び大和川線などで見られるように，延長が３ｋｍを超え，かつトンネル内に分岐合流部を有する道路構造となっている．このような都市道路トンネルの換気設計を行うにあたって，特に坑口及び出路からの排気ガス持ち出しを抑制するといった環境対策を考慮した換気設計は計算上複雑な圧力損失を組み合わせて行うことが一般的である．
本報告では，分岐部を有する模型自動車走行装置により，換気計算に用いる分岐合流部の圧力損失係数を導きだし，トンネル換気設計に反映させることにより換気設計の精度向上及び正確な換気制御へと繋げることで，環境対策に寄与すると共に，トンネル換気設計に必要となる定量的な基礎資料を提供するものである．
キーワード：換気設計，環境対策，分岐合流部，圧力損失，圧力損失係数，模型自動車走行装置

はじめに成し模型自動車を走行させ，各種データを測定した．この計測結果を基に換気設計における新道路トンネル内における分岐合流部の空気のたな分岐合流部での損失を導きだし，現状の定流れを，実用レベルで理論予測することは困難

常計算との比較検証結果を報告するものである．

な状況にあり，殆どのケースで換気計算上，分岐合流部の圧力変化は，断面積の風速変化によ１．合流部損失係数の定義る圧力変化を考慮するのみにとどまっている．
通常車両走行時のトンネル換気は，トンネル

図-1 において，合流点を基準としたトンネル内の視距の確保に加えて，坑口及び入出路から本線１→３方向の合流損失係数ζＣ１３とし,１の排気ガス持ち出しを抑制することが環境対策－３区間に修正ベルヌーイの式を適応すると次上，重要な目的の１つとなっている．そのため式の通りとなり，分岐合流部の空気の流れを把握することは，入出路からの排気ガス持ち出しを抑制するための

ｐS2＋ Ｕ２r1＝ｐＳ3＋ Ｕ２r３＋ζ C13 Ｕ２r３
２２２

重要な要素といえる．また必要以上に集中排気本線間の合流損失係数ζＣ１３は次式のように表を上げることによる建設費及びランニング費用される．の増加を抑えることに寄与する可能性がある．
そこで本報告では，分岐合流部をできる限り現状のトンネルどおりに再現した縮率模型を作ρρρ

２ｐｓ２－ｐｓ３＋ Ｕｒ１２ζ C13＝－１ρ ２Ｕｒ３２

ρ合流点を基準としたオフランプ→本線（２→３）

２．実験概要間の合流損失係数ζＣ２３とし，２－３区間に修正ベルヌーイの式を適応すると次式の通りとな

2-1 実験装置
阪神高速で現在計画中の出入路を有するトン

り，

ρ

ρ

ρ

ｐS6＋ Ｕ２r2＝ｐＳ3＋ Ｕ２r３＋ζ Ｃ23 Ｕ２r３
２
２
２

ネルである淀川左岸線１期東行きトンネルの分

オフランプ－本線間の合流損失係数ζＣ２３は次塩ビ樹脂材を用いて再現した．トンネル断面は,式の通りとなる．

本線標準断面が Ar=60m2,Dr=7.6m，出路断面が岐部形状をモデルとし，縮率 1/200 模型で透明

ρ

Ar=32.1m2,Dr=5.7m であるが，縮率模型では，

ｐS 6－ｐS 3＋ Ｕｒ22２
ζ Ｃ23＝－１
ρ ２Ｕｒ３２

トンネル上部ハンチ部は再現せず矩形断面とし，トンネル幅を調整することによりトンネル断面積を一致させた．また，トンネル内を走行させここに，ｐｓｉ ：トンネル内各地点静圧 ［Ｐa］

る模型自動車は，小型車(2000cc 普通乗用車相Ｕｒｉ ：トンネル内各地点風速 ［m/s］

当)，大型車(8ton 積みトラック相当)の２種類

ρとし，トンネル縮率と同一縮率とした．図-2 に：空気密度 ［kg/m3］

ζＣ１３：本線間（1-3 区間）の合流損
失係数

この縮率模型を分岐部を有する模型自動車走

ζＣ２３：オフランプ～本線間（2-3 区行装置に組み込み実験を行った．自動車走行下間）の合流損失係数における車道内濃度分布および坑口持ち出し率

添字 1 ：本線（合流前）を把握するために，路面上からトレーサガスを添字 2 ：オフランプ

連続点源状に放出した状態でトンネル内濃度お添字 3 ：本線（合流後）

よび排気ダクト内濃度を測定した．トンネル内を意味する．

濃度分布，排気ダクト内の濃度の測定およびトンネル内静圧分布の測定には，スキャニバルブ，

出路
本線入口側

Ｕr2
Ｑr2

Ｕr1
Ｑr1

Ｐs5

Ｐs6

Ｐs1

Ｐs2

Ｐs3

Ｐs4

Ｕr3
Ｑr3

本線出口側

合流点

fc23

fc13

q2q2

濃度分析計，圧力計ならびにコンピュ－タから成る自動計測システムを用いた．なお，上流側
トンネル内流量は加減圧装置により設定可能とＰs5した．図-3 に測定系統図，写真-1 にトンネル模

Ur32型全景，写真-2 にトンネル模型・分岐部付近を

Ｐs6
Ｐs1

車道内静圧[Ｐa]

実験用模型概要図を示す．

示す．

Ur32

ρ/2(Ｕr22－Ｕr32）
ρ/2(Ｕr12－Ｕr32）

Ｐs2

2-2 実験条件(1)Ｐs3
Ｐs4

距

離[ｍ]

交通条件

合流部損失を算出するにあたり，トンネル内を走行する車両の影響を把握するために，車両走行のない場合に加えて，時間交通量 2000 台

図-1 トンネル内静圧分布模式図（内，出路交通量を 500 台）を自動車模型の設置間隔を調整することによって再現した．

(2)風量の条件るように排気風量をランダムに変更するものと合流部損失係数は本線風量：Ｑｒ１，出路からの合流風量：Ｑｒ２，坑口側の風量：Ｑｒ３によっした．
(3) 合流角度て大きく変化することが予測される．よって損出路からの本線合流角度は阪神高速道路の場失係数を検証するにあたっては，ζＣ１３－Ｑｒ２

合概ね 180°に近いため，実験装置の再現限界/Ｑｒ３及びζＣ２３－Ｑｒ２/Ｑｒ３の関係を求める値である合流角度θc＝175°を採用した．

ことが重要になる．よってトンネルで通常設定(4) ランプ延長

される風量配分として，0≦Ｑｒ２/Ｑｒ３≦0.6，

現在計画中の淀川左岸線１期東行トンネルの0.4≦Ｑｒ１/Ｑｒ３≦1.0 程度の実験値が得られ大開ランプ約 50ｍ（模型縮率 1/200）として再図-2 実験用模型概要図

出路テーパ区間
縦流換気区間

減速車線

出路トンネル区間
集Ｑr２
JFJFJFJFJFJF

気中排口

坑出口

Qe

Ｑr１

Ｑr３

Ｑr0測定時,初期濃度設定用
ﾄﾚｰｻｰｶﾞｽ点源放出位置

自動車分岐点(空気合流点)

ﾄﾚｰｻｰｶﾞｽ連続点源放出孔：濃度測定孔マスフローコントローラー

注)Ｑeはﾄﾚｰｻｰｶﾞｽ濃度法により測定

温度計
サンプリング系統

気化器

圧力調整器

Z er oA dj .

マノメーター
濃度計
多点切替器

計算機
圧力計
出トレーサガス( Ｃ Ｏ2 )図-3 測定系統図

力校正ガス

トレーサガス
供給系統

流量計

口

③ 車両走行による合流損失係数ζＣ１３への影
響を見た場合，車両走行無しの条件と概ね同等の結果が得られたことから，オフランプ延長 50ｍ＋車両走行有りの条件でややばらつきがあるものの，車両走行の変化よる影響は少ないものと考えられる．
4.0：車両走行無しオフランプ５０ｍ：車両走行無しオフランプ６００ｍ：車両走行有りオフランプ５０ｍ：車両走行有りオフランプ６００ｍ：車両走行無しの回帰線

3.5

写真-1 トンネル模型全景

合流損失係数 ζc13

3.0'
2.5
Ｑr2

Ｑr1

2.0'

Ｑr3

1.5
1.0
0.5''

0.0
0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Qr2/Qr3
回帰式：ζc13＝0.63851-1.48084･(Qr2/Qr3)+3.18323･(Qr2/Qr3)

図-4 合流損失係数ζｃ１３と流量比
Ｑｒ２／Ｑｒ３の関係
写真-2 トンネル模型・分岐部付近

3-2 合流損失係数ζＣ２３の実験結果
図-5 にランプ２→本線トンネル３に対する現した．またランプ延長による損失係数の違い

合流損失係数ζＣ２３とトンネル内流量比Ｑｒ１/を確認するために 600ｍ（模型縮率 1/200）も併Ｑｒ３の関係を示す．

せて再現した．

①

合流損失係数ζＣ２３ は，トンネル内流量比Ｑｒ１/Ｑｒ３ が大きくなるにしたがい減少

３．実験結果する．
② 車両走行無しの場合，オフランプ延長 50

3-1 合流損失係数ζＣ１３ の実験結果

ｍおよび 600ｍ相当の結果を見ると，トンネ

図-4 に本線トンネル１→３に対する合流損

ル内流量比Ｑｒ１/Ｑｒ３＝１の時に若干の相失係数ζＣ１３とトンネル内流量比Ｑｒ２/Ｑｒ３の違が見られるものの，ランプ延長の変化によ関係を示す.

る合流損失係数ζ Ｃ２３へ影響は少ないもの① 合流損失係数ζＣ１３ は，トンネル内流量比と考えられる．

Ｑｒ２/Ｑｒ３が大きくなるにしたがい増大する．

③

車両走行による合流損失係数ζ Ｃ２３への② 車両走行無しの場合，オフランプ延長 50ｍ

影響を見た場合，車両走行無しの条件と概ねおよび 600ｍ相当の結果を見ると，トンネル同等の結果が得られたことから，オフランプ

内流量比Ｑｒ２/Ｑｒ３＝１の時に若干の相違が延長 50ｍ＋車両走行有りの条件でややばら見られるものの，ランプ延長の変化による合つきがあるものの，車両走行の変化よる影響

流損失係数ζＣ１３への影響は少ないものと考は少ないものと考えられる．

えられる．

4.0

6''43.0

Ｑ r2

Ｑr1

3

Ｑr3

2
1'0-1
0.0

0 .2

0.4

0.60.8：車両走行無しオフランプ５０ｍ：車両走行無しオフランプ６００ｍ：車両走行有りオフランプ５０ｍ：車両走行有りオフランプ６００ｍ： 車 両 走 行 無 し の 回 帰 線 (注)3.5

合流損失係数 ζc13

合流損失係数 ζc23

5

：車両走行無しオフランプ５０ｍ：車両走行無しオフランプ６００ｍ：車両走行有りオフランプ５０ｍ：車両走行有りオフランプ６００ｍ：車両走行無しの回帰線

2.5

Ｑr1,Ａr1

2.0

Ａr1/Ａr2＝1.87
Ａr1/Ａr3＝1.00

Ｑr3,Ａr3'

1.5
1.0''

文 献 値 (1)'0.5

1.00.00.0

Q r1 / Q r3
回帰式：ζc23＝4.53013-9.22023*(Qr1/Qr3)+5.02708*(Qr1/Qr3)

m=1(Ar1/Ar2=1.00)
r/d=0.10
0.2

0.4

6
：車両走行無しオフランプ５０ｍ：車両走行無しオフランプ６００ｍ：車両走行有りオフランプ５０ｍ：車両走行有りオフランプ６００ｍ：車両走行無しの回帰線''

４．文献値との比較比較した結果を示す．文献値は，道路トンネル

4

合流損失係数 ζc23

いて既往の管路及びダクト流体抵抗の文献値とＱr1,Ａr13

Ａr1/Ａr2＝1.87
Ａr1/Ａr3＝1.00

10

Ｑr3,Ａr3''

文献値(1)
m=1(Ar1/Ar2=1.00)
r/d=0.10-10.0

面積比（分岐断面と本線断面の比）１，ｒ/ｄ＝Ｑr2,Ａr22を考慮したものではなく，合流角度θc＝135deg，0.20.4

0.60.81.0

Qr1/Qr3

0.10 と条件が異なるため，損失係数の値が合致しないのは当然であるが，流量比Ｑｒ２/Ｑｒ３ が1.0の関係

5と流量比Ｑｒ２/Ｑｒ３，Ｑｒ１/Ｑｒ３ の関係につ0.8ａ）合流損失係数ζc13 と流量比Ｑr2／Ｑr3

Ｑｒ１／Ｑｒ３の関係

３0.6

Qr2/Qr3

図-5 合流損失係数ζｃ２３と流量比

図-6ａ），ｂ）に合流損失係数ζＣ１３，ζＣ２'

Ｑ r2, Ａ r2ｂ）合流損失係数ζc23 と流量比Ｑr1／Ｑr3の関係

小さい領域，またはＱｒ１/Ｑｒ３ が大きい領域に

図-6 文献値との比較

おいて，合流損失係数特性の傾向が異なることが分かる．傾向が異なる要因の一つとして，合流部の形状の違いが挙げられる．さらに，本線

５．現状定常計算との比較検証

合流損失特性には減速区間の拡大損失が含まれており，Ｑｒ２/Ｑｒ３＝０の場合の合流損失は拡大損失および仕切壁端部の損失となっている．

5-1 比較検証条件
本実験により求められた損失係数ζｃ１３，ζｃを用いて合流損失を見込んだ計算を，実験値

オフランプからある程度の空気流入がある場合

２３は，拡大損失が緩和され，かつ，緩和された損及び現状定常計算値（合流損失を見込まない場失量よりも純粋な合流損失分の増加が小さいこ合）とで比較するものとした．とが推測され，文献値と異なる傾向になると考比較検証用のトンネルモデルは，淀川左岸線えられる．なお，オフランプからの流入量がさ１期東行トンネルに近い形状を採用した．図-7

らに増加すると，合流損失自体が増加するため，に比較検証用トンネルモデルを示す．また比較

合流損失係数は増加傾向となる.

検証用の交通量としては以下の４通りを再現した．

① 時間交通量 2000 台（内，出路交通量 500 台）なった場合は実験値の風速の方が大きくなる② 時間交通量 1500 台（内，出路交通量 100 台）

傾向にある．
これは計算値の方は壁面抵抗等，③ 時間交通量 1000 台（内，出路交通量 100 台）

模型では考慮できない損失を見込んでいるた④ 時間交通量 500 台（内，出路交通量 100 台）

め，交通量が少ない状態で顕著に差が出たもなお，集中排気風量は各条件についてランダムに行ったが，本報告では代表値としてＱｅ＝800[ｍ３/ｓ]の場合について報告する．のと思われる．
③ ランプ風速Ｕｒ２，本線坑口風速Ｕｒ４について見てみると，合流損失係数を考慮しない現状の定常計算値ではＵｒ２＞Ｕｒ４となっているのに対し，実験値及び合流損失係数を考慮

5-2 検証結果と考察
比較検証結果を図-8 から図-11 に示す．

した計算値ではＵｒ２＜Ｕｒ４と逆転した結果① 全体的に合流損失係数を考慮した計算値のが得られた．現状の定常計算では，検証モデ方が考慮しない場合よりも実験値に近づいてル用トンネルのような集中排気口からランプいることが判る．

が近い場合は，ランプから空気を吸いすぎる② 入路側交通量の多いケースでは，トンネルため，本線出口坑口から所定風量を吸込むた

内持込風速Ｕｒ１は実験値及び計算値共に差めに集中排気量を増やしていたが，今回の実異は見受けられない．しかし交通量が少なく験で求めた合流損失を考慮すると，過剰に集図-7 比較検証トンネルモデル
実験値
計算値（合流損失有）計算値（合流損失無）Y5B03 Qe=800 m /s
312.0

12.0

10.0

10.0

8.0

8.0

6.0

6.0

車道内風速(m/s)

車道内風速(m/s)

Y5A03 Qe=800 m3/s

4.0
2.00.0-2.0-4.0-6.0

実験値
計算値（合流損失有）計算値（合流損失無）4.0
2.00.0-2.0-4.0-6.0-8.0-8.0-10.0-10.0

Ur1Ur2Ur3風速区分

Ur4

図-8 時間交通量 2000 台（内，出路交通量 500 台）

Ur1Ur2Ur3風速区分

Ur4

図-9 時間交通量 1500 台（内，出路交通量 100 台）

Y5C02 Qe=800 m 3 /s

実験値
計算値（合流損失有）計算値（合流損失無）Y5D05 Qe=800 m 3 /s
12.0

12.0

10.0

10.0

8.0

車道内風速(m/s)

8.0

車道内風速(m/s)

実験値
計算値（合流損失有）計算値（合流損失無）

6.0
4.0
2.0
0.0
-2.0

6.0
4.0
2.0
0.0
-2.0-4.0-6.0-4.0-8.0-6.0-10.0-8.0

Ur1Ur2Ur3風速区分

Ur4図-10 時間交通量 1000 台（内，出路交通量 100 台）

Ur1

Ur2
Ur3
風速区分

Ur4

図-11 時間交通量 500 台（内，出路交通量 100 台）

中排気風量を大きくすることを回避できるこ

集中排気風量は削減傾向となり，建設費及びラとになる．

ンニング費用共に削減が期待される．

④ 時間交通量 2000 台（内，出路交通量 500

本実験において，概ね車両走行時の合流損失台）において，ランプ風速Ｕｒ２を見ると，合係数と車両走行無しの合流損失係数は差異がな

流損失を見込んだ計算値が実験値を下回る傾いものと判断したが，ランプ交通量が多い場合向を示している．他の条件よりもランプ交通の損失係数が若干ではあるが減少傾向となった．

量が多いにもかかわらず，実験値の方が本線

今後ランプ交通量が多い場合の合流損失係数にへの空気流入が多くなる結果となった．

ついて更に検証が必要であると考えられる．また，本実験で使用した模型は本線部及びランプまとめと今後の課題

部共に開削トンネル断面となっており，今後本線部がシールド断面になり，ランプとの断面積換気設計における新たな損失係数として，トンネル分岐合流部における損失を実験計測し，比率が大きく異なった場合の損失係数の検証も必要になるものと考えられる．

合流部損失係数の回帰式を求めるに至った．また本実験で求めた合流部損失係数を実施設計に反映させ，実験値及び現状の定常計算結果と比較検証した．その結果，分岐合流部損失を見込んだ方が，より実験値に近づき，かつ風量分布においても同じ傾向を示すことが確認できた．
今後この新たな分岐合流損失係数を使用することにより，より精度の高い換気設計及び正確な換気制御に寄与するものと考えられる．また比較実験で見られたように，ランプからの吸い込みが現状定常計算値に比べて小さくなるため，

参考文献
１） 社団法人 日本機械学会 管路・ダクトの流体抵抗出版分科会編「技術資料 管路・ダクトの流体抵抗」
２） 分･合流部を有する道路トンネルの換気流れ－分･合流模擬自動車走行装置と実験例－(ｴﾊﾞﾗ時報第 152 号抜刷)
３） 換気施設設計資料収集作成業務報告書平成11 年度（阪神高速道路公団）
４） トンネル換気設備等計画検討委員会平成 15
年度（阪神高速道路公団）

EXPERIMENT REPORT ON VENTILATION DESIGN OF URBAN TUNNEL
Kazuhiro Ajihara and Koichi Horikoshi

Latest urban road tunnels tend to extend for more than 3 km and contain merging and diverging points
inside, as seen in those on the Hanshin Expressway Yodogawa Sagan and Yamatogawa Routes. In manyof them release of polluted tunnel air from the portals is controlled properly. Such environmentallyconsidered design of ventilation requires complicated calculation of pressure loss.
In this experiment the authors determined pressure loss coefficient for merging/diverging sections tobe used in ventilation calculation, using a tunnel model with a diverging section and model vehicle
running system. The current study provides basic quantitative data for tunnel ventilation design and makes
contribution to environmental measures, enabling higher precision design and more accurate control oftunnel ventilation.

味原 和広

阪神高速道路株式会社
建設事業部 工事調整ｸﾞﾙｰﾌﾟ
Kazuhiro Ajihara

堀越 廣一

阪神高速道路株式会社
情報ｼｽﾃﾑ管理室 情報ｼｽﾃﾑｸﾞﾙｰﾌﾟ
Koichi Horikoshi