特長城市復雜隧道通風系統運營優化研究

姜學鵬，毛楊蘇宜，謝智云

(1.武漢科技大學資源與環境工程學院，湖北 武漢 430081；2.湖北省工業安全工程技術研究中心，湖北 武漢 430081；3.武漢科技大學消防安全技術研究所，湖北 武漢 430081)

0 引言

隨著城市規模不斷擴大，特長公路復雜隧道在城市中得到廣泛應用。因其長線路、多匝道、多風井等特點，使得主隧道內氣流的變化非常復雜，對隧道運營通風產生較大的影響。

部分研究者對特長直線形公路隧道的運營通風優化進行了研究。文獻[1-3]對自然風在特長公路隧道通風中的節能運用進行了研究；Tang等[4]以港珠澳大橋隧道工程為依托，研究了變頻控制技術在長隧道通風節能中的運用；王明年等[5]介紹了高海拔隧道中的一些通風節能技術；鄭國平[6]對活塞風在特長公路隧道無動力通風中的運用進行了研究，并指出車流量對活塞風影響較大。上述學者主要是通過研究對自然風和活塞風的利用達到特長隧道節能的目的。對于多匝道隧道，陳玉遠[7-8]介紹了SES模擬軟件在多匝道隧道通風系統中的應用，并將其運用到瘦西湖隧道通風系統的設計中；蔣衛艇[9]、董志周[10]運用SES計算程序對多匝道隧道通風效果進行了對比分析，并驗證了SES軟件能夠較好地應用于復雜公路隧道通風計算中；王艷等[11]運用SES軟件對多匝道復雜隧道不同車速工況下的通風系統進行模擬，優化了通風系統運行模式，認為風井的設置會使通風能耗成倍增加；姜學鵬等[12]運用SES軟件，得出了在匝道分岔點上方集中布置通風孔能達到較好的通風效果的結論。以上研究說明SES模擬軟件可以有效運用到多匝道隧道通風網絡計算中。但上述研究主要針對中長隧道或無匝道的特長直線形公路隧道進行的，對具有多匝道、多風井的特長復雜城市隧道研究較少。

運用SES模擬軟件，以長沙某多風井、多匝道的特長城市隧道初期工程為例，模擬不同車速工況下的通風情況，分析車輛行駛產生的活塞風在隧道通風運營中的作用，通過合理布置和開啟風機，優化通風系統的運營和管理，達到節約通風能耗的目的，以期為隧道建成后的通風系統布置和運營設計提供參考。

1 工程概況

該隧道從西向東依次穿越某江、主城區、某公園、某河，為典型的特長城市交通隧道。該隧道為雙洞單線隧道，南線隧道初期建設長8 150 m，北線隧道初期建設長8 123 m，主線和匝道設計車速均為50 km/h。穿越某公園明挖暗埋段采用雙向6車道標準，單向隧道斷面周長為32.4 m，斷面積為54 m2；其余隧道主線地段采用雙向4車道標準，穿越某江盾構段隧道斷面周長為35.3 m，斷面積為70.1 m2；其他單向隧道斷面周長為31.3 m，斷面積為51.1 m2；所有地下匝道均采用單車道斷面標準，隧道斷面周長為24.5 m，隧道斷面積為35.6 m2。隧道北線由城東區至河西城區，依次設有G、E、A、O匝道出口和J、C匝道入口；隧道南線由河西城區至城東區，依次設有B、F、I匝道入口和D、M匝道出口。通道路網如圖1所示。

圖1 通道路網Fig.1 Network diagram of tunnel

隧道采用分段縱向式通風，豎井吸出式通風，于豎井內設置大型立式軸流風機作為主機，隧道內采用一定數量的射流風機作為輔助風機進行全隧道分段縱向式通風。

2 隧道通風設計標準

2.1 隧道內通風衛生標準

隧道內主要污染物通風衛生設計標準見表1。本隧道為采用縱向通風的特長隧道，隧道內風速應滿足稀釋空氣中異味要求，取隧道最小換氣頻率3次/h，換氣風速取最低1.5 m/s。汽車污染物基準排放量計算結果見表2。

表2 汽車污染物基準排放量Table 2 Reference emission of automobile pollutants m3/(輛·km)

2.2 設計交通量

根據該隧道的《交通組織方案》可知，北線(由東向西)隧道跨某河向西高峰小時交通需求為2 700 pcu，跨某江向西高峰小時交通需求為2 900 pcu；南線(由西向東)隧道跨某江向東高峰小時交通需求為2 900 pcu，跨某江向西高峰小時交通需求為2 900 pcu。南北線隧道交通量預測結果見表3。小型車、中型車和大型車的構成比例為73∶16.5∶10.5。

表3 南北線隧道交通量預測結果Table 3 Prediction results of traffic of north line and south line tunnel

注：pcu表示標準車當量數，即當量交通量。

2.3 需風量計算結果

依據JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通風設計細則》[13]中的相關公式，計算南、北線隧道通風需風量。南北線主線隧道稀釋CO的需風量計算結果見表4。南、北線主線隧道換氣需風量分別為372 m3/s和371 m3/s。

通過比較可知，主線隧道換氣(稀釋異味)需風量最大，因此，模擬設計南、北主線隧道需風量分別取372 m3/s和371 m3/s。

表4 稀釋CO需風量計算結果Table 4 Calculation results of air volume for CO dilution

注：全段阻滯工況下的車流量取正常行車車流量的2/3。

3 SES通風模擬

該隧道為特長城市復雜隧道，多匝道、多風井使隧道通風網絡變得復雜。主隧道和匝道的風量分配受車輛運行和機械通風的影響，采用常規的方法對隧道實際通風量和射流風機配置方案計算并不適用。運用SES模擬軟件，對隧道在不同交通工況下的通風量進行模擬計算，得出各工況下隧道內氣流分布及射流風機布置位置和開啟數量。隧道使用風機種類及參數見表5。

假設隧道無環境風作用，車輛在隧道中勻速行駛且同種類型車輛行駛間距相同，有害氣體體積分數沿隧道一維分布，隧道內污染物與空氣能夠瞬間均勻混合，且車輛行駛產生的溫度和濕度對空氣無影響。隧道外氣壓為101.325 kPa，隧道內設計氣壓為100.6 kPa，隧道環境空氣濕球溫度為26.28 ℃，干球溫度為32.11 ℃，壁面摩阻損失系數為0.023。

3.1 南線隧道各車速模擬

根據隧道結構形式建立南線隧道通風網絡計算節點圖，如圖2所示。

表5 風機種類及參數Table 5 Types and parameters of fans

圖2 南線隧道通風網絡計算節點Fig.2 Calculation nodes of south line tunnel ventilation network

為滿足隧道需風量要求，運用SES軟件進行多次計算調整，確定南線隧道在不開啟風井軸流風機和使用風井軸流風機時，各車速工況下隧道內風機開啟數量及分布情況，如表6所示。南線隧道各匝道與主線隧道風量計算結果如表7—8所示。車速為20 km/h時的風量分配如圖3—4所示。

表6 南線隧道不同車速工況下射流風機開啟數量Table 6 Opening number of jet fans in south line tunnel

表7 南線隧道(風井不開風機)各匝道與主線隧道風量計算結果Table 7 Calculation results of air volume of each ramp and main tunnel in south line tunnel (no axial flow fan)

表8 南線隧道(風井開風機)各匝道與主線隧道風量計算結果Table 8 Calculation results of air volume of each ramp and main tunnel in south line tunnel (with axial flow fan)

圖3 風井不開風機、車速為20 km/h時南線隧道風量分配圖Fig.3 Air distribution in south line tunnel when axial fan is not turned on and travel speed of 20 km/h

圖4 風井開風機、車速為20 km/h時南線隧道風量分配圖Fig.4 Air distribution in south line tunnel when axial fan is turned on and travel speed of 20 km/h

表6所示即為南線隧道在不使用排風井軸流風機和使用排風井軸流風機時，為滿足隧道內通風需求，使用射流風機數量最少的開啟方案。由表6可知，在車流量不變的情況下，隨著車速的增加，南線隧道內風機開啟數目減少，表明活塞風對隧道氣流有一定影響；開啟軸流風機后，隧道內使用射流風機總臺數減少。對于D和M 2個出口匝道，車輛行駛產生的活塞風對匝道通風排污量的影響不足，需通過布置射流風機引導匝道通風排污。

南線隧道各車速工況下的裝機功率如圖5所示。通過圖5中電機總功率的比較，可以看出在特長隧道南線工程中，當車速為50 km/h時，全程射流風機縱向通風裝機功率比開啟軸流風機后的配置方案小；其余行車工況下，開啟903風井軸流風機進行排風的總裝機功率比全程射流風機縱向通風裝機功率小。

圖5 南線隧道各車速工況下的裝機功率Fig.5 Installed power of south line tunnel under different vehicle speed conditions

南線隧道共有5條匝道，其中B、F、I匝道均為入口匝道，D、M匝道均為出口匝道。入口匝道和主線入口引入新風，出口匝道和主線出口分散排污，降低了主線隧道后半段內污染物體積分數，減緩了隧道洞口附近的環境壓力。通過計算得出，不同車速工況下，使用隧道風井軸流風機和不使用隧道風井軸流風機時各隧道洞口的排污比例，如表9所示。903風井軸流風機開啟排風后，各匝道與主線出口的排污比例均略有下降，洞口附近污染物體積分數下降，環境壓力得到減緩。

在使用903風井軸流風機時，在最不利工況(阻滯工況)下南線隧道各節點污染物分布情況計算結果見表10。

表9 使用和不使用軸流風機情況下南線隧道洞口排污比例Table 9 Discharge ratio of pollutants in entrance/exit of south line tunnel

表10在使用軸流風機阻滯工況下南線隧道各節點污染物分布情況
Table 10 Distribution of pollutants of south line tunnel under condition of block

位置CO體積分數(×10-6)煙霧濃度/m-1B匝道與主線合流點32157.90.005 2 D匝道與主線分流點35174.0 0.006 7F匝道與主線合流點361 68.3 0.006 1I匝道與主線合流點37158.60.005 3排風井與主線分流點38159.3 0.005 3M匝道與主線分流點39175.9 0.006 8主線出口41192.3 0.008 3D匝道出口61178.1 0.007 0M匝道出口641104.2 0.009 4903排風井59.0 0.005 3

由表10可知，CO體積分數和煙霧濃度最高點在M匝道出口處，分別達到104.2×10-6和0.009 4 m-1，略超出隧道污染物設計體積分數。主要因為M匝道長度較長，本身需風量較大；且M匝道排污比例達到30%左右，實際通風風流中污染物體積分數也較高。若增加射流風機的開啟數量以滿足M匝道通風需求，會極大地增加隧道通風能耗，僅M匝道出口污染物體積分數略超出設計值，建議考慮忽略不計。

因此，在南線隧道運營過程中，高峰時期正常行車工況下，無需使用軸流風機，開啟部分射流風機即可滿足隧道通風需求；當車輛緩慢行車或阻滯行車時，需開啟903風井軸流風機，并按設計開啟相應射流風機輔助通風，保障行車環境。

3.2 北線隧線各車速模擬

北線隧道通風網絡計算節點如圖6所示。

圖6 北線隧道通風網絡計算節點Fig.6 Calculation nodes of ventilation network of north line tunnel

運用SES軟件進行多次計算調整，確定北線隧道在不開啟軸流風機和開啟軸流風機時不同車速工況下隧道內風機開啟數量及分布情況，如表11所示。北線隧道各匝道與主線隧道風量計算結果如表12—13所示。車速為20 km/h時風井開風機和風井不開風機情況下北線隧道風量分配分別如圖7和圖8所示。各車速工況下使用和不使用軸流風機情況下隧道洞口排污比例見表14。

表11 北線隧道不同車速工況下射流風機開啟數量Table 11 Opening number and distribution of jet fans in north line tunnel

表12 北線隧道(風井不開風機)各匝道與主線隧道風量計算結果Table 12 Calculation results of air volume of each ramp and main tunnel in north line tunnel (no axial flow fan)

表13 北線隧道(風井開風機)各匝道與主線風量計算結果Table 13 Calculation results of air volume of each ramp and main tunnel in north line tunnel (with axial flow fan)

圖7 風井不開風機、車速為20 km/h時北線隧道風量分配圖Fig.7 Air distribution in north line tunnel when axial fan is not turned on and travel speed of 20 km/h

圖8 風井開風機、車速為20 km/h時北線隧道風量分配圖Fig.8 Air distribution in north line tunnel when axial fan is turned on and travel speed of 20 km/h

表14 使用和不使用軸流風機情況下北線隧道洞口排污比例Table 14 Discharge ratio of pollutants in entrance/exit of north line tunnel with and without axial fans

北線隧道出口匝道數量多于入口匝道，車輛行駛產生的活塞風不能滿足隧道需風量要求，因此在各行車工況下均需開啟射流風機。經計算，匝道E和O 2個出口匝道變為進風口，風流方向與行車方向相反。

由表11可知，各行車工況下，軸流風機開啟后，隧道內射流風機開啟數量未明顯下降。由表14可知，風井804軸流風機開啟后，由于風井的分流排污作用，匝道A排出的污染物比例下降，但其余洞口污染物排出比例下降不明顯。

北線各車速工況下的裝機功率如圖9所示。由圖9可知，在不同行車工況下，隧道全程射流風機縱向通風時總裝機功率比開啟804風井軸流風機后的總裝機功率小。在不使用軸流風機時，在阻滯工況下北線隧道各節點污物分布情況見表15。由表15可知，在不使用軸流風機時，北線隧道CO體積分數和煙霧濃度最高點(阻滯工況)位于O匝道與主線合流點，CO體積分數和煙霧濃度分別為99.2×10-6和0.008 9 m-1，均符合設計要求。

圖9 北線各車速工況下的裝機功率Fig.9 Installed power of north line tunnel under different vehicle speed conditions

表15在不使用軸流風機阻滯工況下北線隧道各節點污染物分布情況
Table 15 Distribution of pollutants in north line tunnel under condition of block when axial fan is not turned on

位置CO體積分數(×10-6)煙霧濃度/m-1J匝道與主線合流點12128.90.002 6G匝道與主線分流點14149.30.004 4E匝道與主線合流點15165.60.005 9C匝道與主線合流點16144.60.004 0排風井與主線分流點19159.80.005 4A匝道與主線分流點20159.20.005 3O匝道與主線合流點22199.20.008 9主線出口23180.90.007 3G匝道出口52158.70.005 3A匝道出口56168.30.006 1

因此，北線隧道交通高峰期通風運營時，根據不同行車工況，按表11所示開啟相應隧道段的射流風機時，隧道總裝機功率小。污染物主要從隧道出口排出，匝道起到輔助進風和分散排污作用。

4 結論與討論

采用SES通風模擬軟件，對某特長城市復雜隧道在不同行車工況下的通風系統進行模擬，得出以下結論：

1)對于該特長城市隧道，在正常車速工況下，可不開啟通風系統。經計算表明，在正常車速工況下，可能存在汽車行駛產生的活塞風不能滿足隧道通風需風量要求的情況，需根據不同行車工況，開啟相應部分射流風機和軸流風機，使之滿足要求。

2)對于該特長城市復雜隧道，在正常工況(50 km/h)下，南線隧道可采取全程射流風機通風，其他車速工況下需開啟903風井軸流風機進行排風；北線隧道采用全程射流風機縱向通風。

3)針對特長城市隧道，設置多風井和多匝道，通過風井集中排放和匝道分流，可降低隧道內污染物的體積分數，為行車提供良好的環境。對于該特長城市復雜隧道，按原計劃在阻滯工況下，僅使用多風井集中排風排污效果并不明顯，隧道通風能耗大；排風井離隧道主線出入口過近，其排污效果也會降低，并會增大通風能耗。本隧道的排風井(如901、902、904、801、802、804風井)，在正常運營通風時，不用作排風，氣流從風井外涌入隧道，排風井作為進風井使用。建議可以考慮將部分中間段風井設計為送風井，以補足隧道對新風的需求。

本特長城市復雜隧道的現場檢測和試驗條件還不完善，未能進行模擬試驗結果與現場試驗數據的對比分析。在此研究基礎上，下一步可以考慮環境風速的影響，并結合洞口環境情況和環境評價報告對風機的運行策略作進一步研究。