山區高速公路隧道群運營通風設計優化研究

段寶文，田紅旗，劉金興，吳成朋

山區高速公路隧道群運營通風設計優化研究

段寶文，田紅旗，劉金興，吳成朋

（重慶鐵發建新高速公路有限公司，重慶 400700）

隧道群的通風設計不同于普通直線隧道，單獨設計每條隧道的通風方案和折算為一條隧道來設計都是不合理的。以某山區高速公路隧道群運營通風設計為依托，采用規范方案設計和FLUENT軟件數值模擬，分析了不同工況下各隧道需風量大小、風機臺數、風機啟停數量。研究發現，單獨設計每條隧道的通風方案時，沒有考慮到污染物竄流影響，會造成下游隧道的需風量與風機量不匹配的情況。而折算為一條隧道來設計時，又忽略了橫向風在連接段的作用，造成風機數量過多、浪費資源、增加造價的問題。在綜合所有因素后，最終得到了該隧道群合理有效的通風方案和風機數量。研究結果為隧道群運營通風設計提供了參考。

隧道群；運營通風；風機數量；數值模擬

中國交通基礎建設逐漸趨于完善，國內建設重心由發達地區至貧困地區轉移，在山區陸續有大量的隧道建成，與以往平原丘陵地區的隧道相比，這些隧道規模更大、技術要求更高，并且隧道之間間隔距離會因地形限制變得更短。

隧道通風技術經過多年發展，射流通風技術在長隧道中有了越來越多的應用。楊秀軍等[1]通過研究射流空氣流動、升壓規律，提出了直線公路隧道風機最小間距；孫三祥等[2]通過實驗與數值模擬，提出了雙向行車隧道射流通風的設計原則與方法；肖勇[3]基于白濤高速公路隧道群工程，提出了安全前提下運營通風節能減排技術；楊彥民等[4]針對秦嶺特長隧道群具體工程條件，設計了運營通風的相關參數。陳達章[5]在樂廣高速大瑤山隧道群研究中，闡述了隧道群污染物擴散機理并提出了通風控制方法。王峰[6]在曲線隧道運營通風研究中專門提出了針對海拔高度的氣壓修正公式，來進行通風設計。

對于隧道群洞口污染物擴散規律，有較多的相關研究，但關于高速公路隧道運營通風的管理相關研究較少，針對山區高速公路隧道群風機管理方案的文獻更少，有必要對此進行研究。

1 工程概況

某隧道群為6座上、下行分離的兩車道高速公路隧道組合，具體隧道群長度及坡度參數如表1所示。其中，左線1#、2#隧道間距80 m，2#、3#隧道間距95 m；右線1#、2#隧道間距60 m，2#、3#隧道間距90 m。

隧道當量直徑為5.61 m，其運營通風設計初步選定風機為NO1120型射流風機，風機出口風速為33.4 m/s，隧道斷面如圖1所示。

表1 隧道群長度及坡度參數表

隧道編號長度/m坡度 左線1#1 026單向坡2.55% 2#1 000單向坡2.35% 3#600單向坡2.55% 右線1#1 055單向坡2.52% 2#1 050單向坡2.33% 3#500單向坡2.52%

圖1 隧道橫斷面示意圖

2 隧道群相關空氣指標

2.1 氣象概況

該地具有亞熱帶季風氣候的特點，四季分明，全年年均氣溫在17.7 ℃，年均降雨量為1 243 mm，雨量充沛，無霜期長，霜雪稀少。

2.2 空氣指標

2.2.1 氣壓

該隧道群各隧道入口處氣壓平均值約為100.667 kPa，各隧道出口處的氣壓平均值約為101.1 kPa，進出口存在壓差。洞外常年存在自然風，風速在0～1.5 m/s之間。

2.2.2 氣溫

該工程所處位置初冬時節某天氣溫變化如圖2所示。

圖2 初冬季節隧道入口氣溫變化

由圖2可見，隧道入口洞外白天溫度可達11 ℃，夜間最低溫度僅有7 ℃，最大溫差達4 ℃，晝夜溫差較小。

2.2.3 空氣密度

通過對該地海拔、溫度及密度測量可知，該地空氣密度為1.1 kg/m3。

3 計算理論及參數

3.1 規范理論

一般公路隧道在運營通風設計中，按照JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通風設計細則》[7]中的詳細規定，分為稀釋CO、稀釋煙塵以及隧道換氣需風量，三者取最大值作為隧道運營通風需風量，從而進行通風設計。2012R05EN《公路隧道：車輛排放和通風需風量》（世界道路協會（World Road Association）標準 PIARC2012）[8]也規定了根據CO、NO排放量來進行通風量計算的方法。但根據工程實際，目前需要進行機械通風的公路隧道大都采用稀釋CO需風量作為設計標準。細則里的計算公式為：

3.2 計算參數

隧道通風設計需要考慮的因素很多，但其中最重要的是以下參數：①隧道的長度及坡度。長度越長，內部空氣就會越渾濁，需風量也會隨之增加，而坡度越大，汽車產生的污染物量也會增加，從而影響隧道內通風要求。②通過隧道的交通量。交通量包括高峰小時通過的車輛總數，柴油、汽油車數量以及小中大型車的數量等，這些數據對CO排放、NO排放、煙塵量的影響甚大。③道路等級與防火要求。這決定了隧道內的通風方式與造價。

該隧道群汽車流量如表2所示。

表2 汽車流量

正常通行 車輛類型常規情況/輛柴油車/輛汽油車/輛 小型車1 4401441 296 中型車24019248 大型車7207200 阻滯情況 車輛類型阻滯情況/輛柴油車/輛汽油車/輛 小型車51051459 中型車856817 大型車2552550

同時根據式（2）進行判定是否需要機械通風：

·≥2×106（2）

式（2）中：為隧道長度，m；為設計小時交通量，veh/h。

將表1中數據代入式（2）可知左線1#隧道需要機械通風，左線2#隧道需要機械通風，左線3#隧道不需要機械通風，右線1#隧道需要機械通風，右線2#隧道需要機械通風，右線3#隧道不需要機械通風。

4 結果分析

4.1 獨立隧道設計

以左、右線6座隧道分開進行初步計算，可以得到各隧道在不同工況下的需風量，需風量取稀釋煙塵、稀釋CO和換氣通風量的最大值，得到的最大需風量如表3所示。可以看出，在單獨考慮每座隧道的前提下，左線1#、2#隧道在交通流暢情況下，只需滿足換氣要求即可，右線1#、2#隧道以稀釋煙塵需風量為主。這是因為在縱坡一致情況下，右線車輛行駛上坡，排出的尾氣煙塵量更大。當隧道長度≤ 1 000 m時，可不考慮交通阻滯的情況，因此左線2#隧道無阻滯交通需風量。

以NO1120型風機進行通風設計，可以得到表4風機 臺數。

射流通風以升壓、排污為主要目的，從表4結果看來，由于單個隧道長度普遍為1 km左右，因此只需要滿足火災和阻滯條件下的通風需求即可，正常通行狀態下，交通風足以將污染物帶出。由于單獨設計時，將隧道入口邊界條件考慮為新鮮無污染風，但是該隧道群之間間距均小于100 m，在如此短的距離里，隧道之間的污染物竄流現象十分嚴重，如果不考慮這一現象，所設風機組很可能不能滿足2#、3#隧道排污需求，因此要綜合考慮所有因素。

表3 各隧道最大需風量

設計風量 左線/（km/h）1#2#右線/（km/h）1#2# 正常交通8016516580230.207 7229.116 6 6016516560190.367 8186.465 6 4016516540170.938 5170.128 4 阻滯交通20165/20165165 10186.542/10186.542186.542

表4 各工況車速下隧道通風所需1120型射流風機（單位：臺）

工況車速/（km/h）1120型射流風機 左1#右1#左2#右2#左3#右3# 正常交通80201000 60202000 40111100 阻滯交通20222200 10444400

4.2 整隧道設計

將左、右線三條隧道綜合考慮，可將其折算成一條特長隧道來進行設計。計算結果如表5所示。

表5 各工況車速左、右線隧道通風所需1120型射流風機（單位：臺）

工況工況車速/（km/h）1120型射流風機 左線右線 正常交通80410 60612 40814 阻滯交通201218 101622

由以上計算結果可以得到，將幾組隧道不考慮中間連接段稀釋污染物作用下組合計算的風機組與單一計算的幾乎不在同一數量級。這樣的設計會造成一定量的風機組閑置，使造價提升，屬于過度保護設計。

4.3 綜合設計

合理進行隧道群通風設計計算應該考慮多個因素的影響：橫向自然風、污染物竄流程度和隧道間縱向間距等。既不能過度設計浪費資源，也不可以將風機量設計太少，無法保證安全。由于橫向風的存在，上下游隧道進出口的污染物竄流會發生較大的變化。正常交通下，交通風足夠將污染物排出隧道外。根據FLUENT計算結果，如圖3、圖4所示，可以看出上游隧道出口風速下降，下游隧道入口處污染物濃度會適度降低。因此將上游隧道出口風機功率適當降低，或減少上游隧道出口風機數量，這樣可以降低下游隧道洞口污染物竄流比例。在設計時，重點考慮火災及交通阻滯情況下的通風需求即可。

經過綜合計算，該隧道群的風機數量應為表6所示。由計算結果可以看出，雖然按照規范計算，左、右線3#隧道均不需要采用機械通風，但由于竄流現象的存在，加上一組2臺風機后，可以解決在發生火災或者前面隧道出現阻滯的特殊情況通風需求，保證行車安全和通風衛生。且由于橫向風的存在，右線3#隧道在任何情況下均不需要設置風機。

圖3 左線下游隧道入口CO濃度

圖4 右線下游隧道入口CO濃度

表6 優化后左、右線隧道通風所需1120型射流風機（單位：臺）

工況工況車速/（km/h）1120型射流風機合計 左線1#右線1#左線2#右線2#左線3#右線3#左線右線 正常交通8022262068 6022462088 406466201410 阻滯交通2022220044 106466201410

經過綜合設計分析后，該隧道群所取的風機數量在單獨計算各隧道和折算成一條特長隧道的數據中間，這樣既保證了安全，又避免了閑置浪費，起到了較好的設計效果。

5 結論

分析了隧道群常見的通風設計方法與特點，指出現有設計方法將隧道單獨考慮存在的不足，利用實際工程計算表明了其存在的問題。分析了將隧道群各隧道折算為一整條隧道進行通風設計的方法，發現這種方法存在過度保護的問題，風機會閑置，浪費資源。通過綜合考慮各因素對通風的影響，利用FLUENT軟件計算了上下游隧道在風機功率改變的情況下CO竄流情況。結果發現，橫向風、縱向間距和上下游隧道風機功率都影響著污染物的竄流，而污染物的竄流程度決定了需風量的大小。因此，在綜合這些因素的情況下，得到了實際工程中需要的風機數量及各工況下的開啟方案。

［1］楊秀軍，王曉雯，陳建忠.公路隧道通風中射流風機縱向最小間距研究［J］.重慶交通大學學報（自然科學版），2008（1）：40-43，164.

［2］孫三祥，高孟理，武金明，等.雙向行車公路隧道射流通風系統優化分析［J］.公路交通科技，2006（12）：106-110.

［3］肖勇.白濤隧道群安全運營通風節能關鍵技術研究［D］.重慶：重慶交通大學，2017.

［4］楊彥民，曹振.秦嶺特長公路隧道群通風設計［J］.公路，2005（4）：186-190.

［5］陳達章.公路隧道群污染物串流擴散機理與通風控制方法研究［J］.交通工程，2017，147（3）：266-269.

［6］王峰.曲線公路隧道營運通風關鍵參數研究［D］.成都：西南交通大學，2010.

［7］招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶交通大學，浙江省交通規劃設計研究院，等.JTG/T D70/2-02—2014公路隧道通風設計細則［S］.北京：人民交通出版社，2014.

［8］PIARC-World Road Association, PIARC Technical Committee on Road Tunnels Operation（C5）. Road tunnels: Vehicle Emissions and Air Demand for Ventilation［R］. France，2012.

U455.3

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.09.004

2095－6835（2020）09－0009－04

段寶文（1986—），男，研究方向為隧道運營通風。

〔編輯：王霞〕