分水嶺特長隧道運營通風系統優化設計

張國彬

（河北省高速公路張涿張家口管理處，河北 張家口075600）

0 引言

特長隧道在山區公路建設中已越來越普遍，隧道運營期間污染物累積和火災事故的危險性亦呈上升趨勢，而通風排煙技術是保證隧道正常運行的關鍵措施，相應通風費用也在逐年增加，某些特長隧道的通風費用已超過總費用的50%[1]。如何優化通風系統設計、降低運營通風費用已成為公路隧道節能降耗、綠色環保和可持續發展的迫切需要[2-6]。

本文結合張家口至涿州高速公路分水嶺特長隧道設計標準及隧址區地理氣候條件，在現行《公路隧道通風照明設計規范》（JTJ 026.1—1999）相關條文的基礎上做出相應的修正[3-7]，進而提出分水嶺隧道運營期優化的通風系統設計，并為類似情況下特長公路隧道運營通風系統設計提供借鑒。

1 分水嶺隧道概況

張（家口）—涿（州）高速公路分水嶺特長隧道為上、下行獨立雙洞六車道分離式隧道，隧址區屬山嶺重丘區，地形較復雜，洞口處為巖石地貌，溝壑發育。山體總體呈西北—東南走向。隧道左、右線平均海拔標高分別為1 131.86m 和1 130.29m，最高海拔為1 065.6m，最低海拔為908.2m，相對高差157.4m。該區域地處暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年平均降雨量為408.7mm，7 月平均最高氣溫為22.0℃，1 月平均最低氣溫為-11.0℃，季節性凍土深度為0.96m。隧道右線全長6 798m，左線全長6 890.71m。隧道設計行車速度為100km/h，左、右線縱斷面線形均設計為降坡，坡度均為-1.5%。左、右線通風斷面面積分別為100.55m2和100.23m2，當量直徑分別為9.68m 和9.66m。隧道夏、冬季設計氣溫分別為295K（22℃）和262K（-11℃）。

2 分水嶺隧道運營期通風系統設計

2.1 交通組成與工況分析

分水嶺隧道工可報告提供的分水嶺隧道預測交通量和預測車型分配比例分別如表1、表2所示。

表1 分水嶺隧道預測交通量（單位：pcu/d）

表2 分水嶺隧道預測車型分配比例

據表1 提供的數據和通常習慣，可將2015 年作為近期設計年限，將2030 年作為遠期設計年限，故分水嶺隧道的近、遠期交通量按小客車計算分別為：24 899pcu/d和54 182pcu/d。

根據交通運輸部規劃設計院對我國公路交通量的調查，公路高峰小時交通量一般為年平均晝夜交通量的12%左右。本設計也以平均晝夜交通量的12%作為高峰小時小客車交通量，并考慮單洞的不平衡系數為1.1。

工可報告中沒有提及分水嶺隧道所在路段的柴油車和汽油車分車型比例及總比例，根據中國汽車技術中心和原機械工業部汽車工業司聯合編制的《中國汽車工業年鑒》，中型貨車中柴油車與汽油車的比例近1∶1，大型客車全為柴油車，小型客車全為汽油車。本設計將大型貨車視為100%柴油車，小型貨車視為100%汽油車。

綜合上述分析可得分水嶺隧道混合車型高峰小時交通量分車型構成表（見表3）。由表3 可知，分水嶺隧道柴油車比率為60.7%～62.2%，符合本工程所在段經濟發展狀況和交通組成的區域特征。分水嶺隧道左線行車方向縱坡為+1.5%，同時上坡長度近7 000m，從表3還可看出，大型車比例超過了50%，根據實際調查，在這種條件下，車流最大行車速度應為80km/h。

表3 分水嶺隧道混合車型高峰小時交通量分車型構成表（單位：輛/h）

從目前全國高速公路營運情況來看，幾乎不存在自然阻滯的情況，且分水嶺隧道近、遠期高峰小時交通量均較《公路隧道通風照明設計規范》（JTJ 026.1—1999）中“各工況車速的適應交通量”中規定的要小，根據《交通工程手冊》對高速公路服務水平的規定，在設計車速為80～100km/h時，其服務水平為四級（即交通流由擁擠逐步轉化為阻塞狀態），對應的車速為45km/h?？紤]到分水嶺隧道將裝備完善的監控系統，通風設計中將隧道內車輛以30～50 km/h 行駛的工況下視為慢速狀態，而將20km/h 和10km/h 作為交通阻滯工況下的設計車速。

2.2 隧道需風量計算

2.2.1 換氣次數n

規范規定換氣次數“交通量較小或特長隧道可采用每小時3～4次”[2]。特長隧道內的異味消除相對短隧道困難，理應加大不間斷換氣頻率。單《規范》規定特長公路隧道的不間斷換氣次數可采用每小時3～4 次?；诙趟淼罁Q氣次數應低于特長隧道換氣次數的現實，《規范》中規定“隧道空間不間斷換氣頻率，不宜低于每小時5次”有標準過高的嫌疑，下面分析換氣次數的確定方法。

由狀態空間法建立描述隧道內污染物濃度隨時間t逐時變化的數學模型為式（1）：

式中：θ為隧道內的模擬污染濃度；η為時間的積分變量；q為隧道內一切污染源污染物的產生量；λ為狀態空間法中隧道的空間特征值向量；φ為采樣后各個影響因素對污染物濃度的影響系數。

將自然風、交通風及機械通風對隧道內污染物的稀釋作用也用狀態空間法建立類似的數學模型，見式（2）：

式中：θ′為隧道內通風作用對隧道內污染物濃度的降低量；qN為通風作用對污染物的稀釋量；其他參數同上。

此時隧道內污染物的濃度可以表示為式（3）：

由此送入隧道中的新鮮空氣量為式（4）：

假設單位新鮮風量對污染物濃度的稀釋作用為ζ，換氣對污染物濃度降低作用可以定義為式（5）：

假定隧道內的衛生條件達到無異味時隧道內污染物濃度為θs。通過通風和換氣措施后隧道內污染物濃度≤θs，則認為達到了隧道內無異味的衛生標準。

由式（6）可以推得換氣次數為：

由式（7）可知，隧道每小時換氣次數n與隧道的橫斷面面積、隧道長度、污染源（主要是車輛）排放污染物的情況（即與隧道內交通量的大小及交通結構組成有關）以及選擇的通風方式等因素有關，可見小時換氣次數n是這些因素的函數。

上述確定換氣次數公式的各參數較難確定，通過調研秦嶺1 號公路隧道和包家山特長公路隧道，推薦每小時換氣次數取3次。

綜上，參照現行規范規定并結合分水嶺特長隧道實際情況，制定分水嶺特長隧道不同工況下的通風標準，見表4。

表4 分水嶺特長隧道不同工況下的通風標準

2.2.2 控制風量

根據表4的通風標準，結合分水嶺隧道實際情況，計算得到該隧道各計算特征年左、右線全長需風量，見表5、6。

表5 左線隧道全長需風量（單位：m3/s）

表6 右線隧道全長需風量（單位：m3/s）

由表5、6 可知，分水嶺隧道右線近期控制需風量由換氣（稀釋異味）需風量控制，遠期控制需風量由稀釋煙霧的需風量控制；隧道左線需風量仍然是稀釋煙霧所需風量遠大于稀釋CO 需風量、阻滯工況及火災工況下的需風量，在近、遠期稀釋煙霧的需風量均是隧道左線的控制風量。

2.3 分水嶺隧道運營通風系統風機配置

2.3.1 左、右線通風方式

根據規范“單向交通的隧道設計風速不宜大于10m/s”的規定，由表5、表6可以算得分水嶺隧道在近、遠期計算需風量的條件下左線風速均大于10m/s，右線小于10m/s，故右線近、遠期可采用全射流縱向式通風，隧道左線由于洞內風速偏高導致射流風機效率下降，采用豎井送排式與射流風機組合通風方式較為合理。

2.3.2 自然風風阻

隧道自然風阻力目前多依照規范直接取vn為2～3m/s 進行計算，將自然風完全視為不利通風情況考慮。這種處理方式夸大了自然風的不利作用，而忽略了自然風的有利作用。小河至安康高速公路上的包家山特長公路隧道（左線長11 200m、右線長11 195m）的實測結果證實了上述現象的存在。自2006 年12 月14 日開始連續3d 對隧道左線內自然風速進行不間斷現場監測，每隔40 min 左右讀數一次，隧道右線3#、15#、28#測點的部分實測結果見圖1。

圖1 包家山特長隧道風速監測圖

以本次現場測試為例（見表7），如果在通風設計中計算自然風阻Δpm時自然風速采用-2～-3m/s，既夸大了12 月份隧道左線內自然風的不利作用，又嚴重忽略了隧道右線內自然風的有利作用。

表7 實測值與規范推薦值比較（以左線為例）

Δpm的計算依賴于vn的確定，隧道內自然風速vn由以下原因產生：

（1）由隧道各進出口的超凈壓差Δpj產生；

（2）由隧道內外因空氣密度變化引起的熱位差hr引起。

分水嶺隧道工可報告中沒有給出一年四季隧道所在區域的各風向頻率，可按式（8）、式（9）計算：

式中：ρ為空氣密度；vN洞外自然風速，取3m/s；ρt隧道內空氣的平均密度；ρd為隧道外空氣的平均密度；Z為隧道進、出口的設計高程差。

隧道內熱位差產生的主要原因是隧洞內、外空氣存在溫度差異，致使空氣密度不同。冬季隧道洞內溫度高于洞外溫度時，即洞內空氣密度小于外界空氣密度，洞外空氣呈現從低洞口流入，并將洞內空氣從高洞口推出的趨勢，即浮升效應；反之，夏季洞內溫度低于洞外溫度時，洞內空氣呈現從高洞口流入，低洞口流出的趨勢，即沉降效應。

在冬季，蒙古高原的南部經常發生強大的反氣旋。我國的東北、華北（分水嶺隧道所在區域）、華東、華南分別處于反氣旋的東方和東南方，所以上述各地冬季盛行風向均偏北，但各地相對于反氣旋中心的位置不同，風向偏北的角度有所區別，分水嶺隧道所處的華北地區冬季盛行風向在北和西北之間。夏季的我國氣壓場形勢和冬季相反，各地盛行風向變成以偏南至東南為主。

2.3.3 隧道右線風機配置

對分水嶺右線而言，夏季熱位差形成的自然風和行車方向一致，超凈壓差形成的自然風和行車方向相反；冬季熱位差形成的自然風和行車方向相反，超凈壓差形成的自然風和行車方向一致。

分水嶺隧道洞內的自然風阻Δpm=Δpj+hr，計算的結果見表8。參數ρt和ρd參考該地區的類似工程測試結果及當地氣象資料選取。

表8 冬、夏二季分水嶺隧道右線洞內自然風阻計算表

根據表8所示的冬、夏二季自然風阻的計算結果，右線風機配置情況見表9。

表9 分水嶺隧道右線全射流通風風機配置量

火災發生時，按隧道洞內控制風速v=3.0m/s計，火風壓按洞內空氣溫升Δt=5℃考慮，重新計算洞內空氣密度，將火風壓考慮在自然風阻Δpm內（火風壓是在具有坡度的隧道中，由于火災前后風流密度與煙流密度的差異而引起的自然風壓增量。對隧道而言，火風壓相當于安設在其中的一系列具有相同能量的輔助通風機，具有推動或阻礙煙流流動的作用，沿下坡方向，火風壓對煙氣流起推動作用，故將其計入風阻），全射流通風計算的各主要參數見表10。

表10 隧道右線火災工況下風機設置量

由表10 可知，右線火災排煙需要的射流風機數量為10 臺，正常工況設置的風機量能滿足火災工況下的排煙需求，無須額外配置射流風機用于通風防災。設置于右線YK50+20 處的斜井排煙通道將隧道右線劃分成兩個排煙段，即從隧道張家口端進洞口到斜井排煙口為排煙Ⅰ段，從斜井排煙口到隧道涿州端出洞口為排煙Ⅱ段。當火災發生在排煙Ⅰ段時，利用火源上游的射流風機產生的新鮮氣流，使煙氣從與左線的排風通道相連的排煙口排出，防止煙氣進一步向下游蔓延；當火災發生在排煙Ⅱ段時，利用配置在斜井排煙口下游的射流風機將煙氣流從隧道出口排出，此時無須開啟斜井排煙口，避免煙氣流大幅回流，影響火災上游車輛和人員的疏散。根據上述分析知，近期18 臺可逆射流風機其中10 臺配置于進口端，8 臺配置出口端，即斜井排煙口下游[8]。

2.3.4 隧道左線單斜井送排式縱向通風風機配置

分水嶺隧道交通量較大，大型柴油車比例偏高，且長上坡距離較遠，致使煙霧排放量大，稀釋煙霧需風量大。由上表5可知，分水嶺隧道左線稀釋煙霧所需風量遠大于稀釋CO 的需風量，成為隧道左線的控制風量，近、遠期稀釋煙霧需風量高達1 090.8 0m3/s 和1 750.50 m3/s，以此進行風機配置，配置結果如下：近期設置射流風機50 臺、軸流風機4臺（軸流送風機2臺、軸流排風機兼排煙機2 臺），遠期再增加軸流風機4 臺（軸流送風機2臺、軸流排風機兼排煙機2臺）。

3 結論

（1） 換氣次數與隧道中稀釋異味空氣需風量直接相關，應在廣泛調研條件類似隧道通風系統的基礎上，盡可能降低換氣次數，避免通風系統設計冗余度過大，造成不必要的浪費。

（2）自然風在一些季節表現出的有利通風的情況在通風設計中值得積極利用。將之完全視為通風阻力不盡合理，應充分調研隧址區多年氣象條件，因勢利導地加以利用，減少隧道運營期通風費用，達到節能降耗的目的。

（3） 分水嶺隧道左線稀釋煙霧的需風量遠大于稀釋CO的需風量時，可根據隧道內煙霧濃度分布情況在合適位置設置1 處或數處靜電吸塵裝置濾除汽車尾排氣中的煙塵，降低稀釋煙霧的需風量，減小風機配置規模，這是進一步優化特長隧道通風系統設計的另一途徑，應展開深入研究。

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