8km特長公路隧道通風系統優化配置

付朝輝，曾艷華，何 濤

8km特長公路隧道通風系統優化配置

付朝輝1,2，曾艷華1,2，何 濤3

（1. 西南交通大學，交通隧道工程教育部重點實驗室，成都 610031；2. 西南交通大學，土木工程學院，成都 610031；3. 四川南渝高速公路有限公司，四川 南充 637000）

豎（斜）井送排通風已經成為高速公路特長隧道通風的主流形式, 但存在通風附屬土建工程量大, 運營通風設備長期閑置等問題。論文以南（充）大（竹）梁（平）高速公路華鎣山隧道為工程依托, 展開8 km特長公路隧道通風系統優化配置研究, 在通風方案及土建工程配置優化的基礎上, 展開了通風機電設備分期配置及節能運營分析, 提出8 km特長公路隧道單豎井應對異常交通情況的通風方案。結果表明: （1）華鎣山隧道可取消原左線通風豎井及地下風機, 采用全射流通風; 右線采用豎井送排式通風, 豎井直徑優化為7m, 同時為兩線排煙。（2）為避免8 km特長公路隧道通風機電投資的增大, 并降低運營能耗, 華鎣山隧道運營通風可按稀釋污染濃度控制, 左線通風設備配置將大大減少, 右線隧道可階段性采用全射流方案。（3）在左線隧道增設送風口, 可提高8 km公路隧道設單豎井情況下應對異常交通流的通風能力。

8 km特長公路隧道; 通風土建工程; 機電設備; 優化配置

0 引 言

隨著我國公路網的發展和隧道建設技術的提高，特長公路隧道在我國大量出現，國內長度超過5 000 m的特長高速公路隧道已經超過200座[1,2]。由于豎（斜）井送排與射流風機組合的縱向通風方式能有效利用活塞風、縮短排煙長度、適用長度長，已經成為長度大于5 000 m高速公路特長隧道的主流通風方式[3]。

我國首次應用該通風方式是在浙江大溪嶺—湖霧嶺隧道中，王曉雯、蔣樹屏通過流體力學的基本理論，對送排風口的升壓力及隧道的壓力模式進行了推導[4]；方磊、謝永利等對送排式通風送排風口角度優化進行了研究，分析了不同送排風口角度隨不同風速的變化規律，提出了送排風口與隧道軸向的最優化夾角[5-7]；夏永旭等依托秦嶺終南山隧道提出了多豎井送排與射流風機組合的縱向通風方式應用及需要解決好的關鍵問題[8]；吳德興、鄭國平等依托浙江蒼嶺隧道提出了多豎井送排與射流風機組合的縱向通風方式的計算方法和節能運營方案[9, 10]；王明年等依托泥巴山隧道展開了多斜井與射流風機組合的通風隧道的自然風計算方法和節能研究[11]；閆志國、付修華等依托終南山公路隧道展開了豎井送排與射流風機組合通風隧道火災排煙試驗及風流組織研究[12, 13]；曾艷華等針對斜井送排與射流風機組合通風隧道展開了火災救援通風研究，提出了火災發生在不同位置的風機開啟方案[14]；萬良勇等展開了豎井送排式通風隧道火災溫度分布特征模型試驗研究，研究了火災時隧道拱頂及火源前后隧道中心線不同高度處的溫度分布特征[15]。

通過上述研究，豎（斜）井送排與射流風機組合的縱向通風方式在長度大于5 000 m高速公路特長隧道中得到了廣泛應用。但通風豎（斜）井的設置，不可避免地增大了隧道的土建和機電規模及投資，也增大了運營維護成本。作者課題組于2016年3月在四川、重慶、山西、陜西的十余座（5座10 km以上）采用豎（斜）井送排與射流風機組合的縱向通風特長隧道運營現狀調研中發現，實際運營過程中，豎（斜）井軸流風機并未開啟，射流風機也僅偶爾開啟，通風狀況依然良好；這些隧道中，部分隧道的運營已經超過十年，設備長期處于閑置狀態，僅在每周或每月定時開啟，以檢測設備是否存在故障。因此在采用豎（斜）井通風的隧道中，如何減小豎（斜）井的規模及機電設備投資是通風設計中面臨的重要問題。

南大梁高速華鎣山隧道左右線長度分別為8 150 m和8 168 m，原設計通風系統布置如圖1所示，左右線各設一座豎井（左線豎井Φ7.5 m，深464 m；右線豎井Φ8 m，深394 m，左右線豎井均設中隔墻）及地下風機房，均采用豎井送排與射流通風組合方式，通風機總功率達5000 kW，通風土建及機電配置工程偏大。本文在華鎣山隧道通風方案、豎井位置及建設規模優化的基礎上，提出8 km單豎井通風特長公路隧道機電優化配置及運營節能方案。

圖1 華鎣山隧道原通風系統平面布置圖

1 通風土建優化方案

1.1 通風方案優化

華鎣山隧道于2011年開工建設，根據《公路隧道通風設計細則》（以下簡稱《設計細則》）（JTG/T D70/2-02-2014），參考工程可行性研究文件，將方向不平衡系數和設計小時交通量系數取為0.511和0.11。結合施工情況，華鎣山隧道并沒有H2S氣體溢出，將換氣頻率優化為每小時3次，則左線隧道內的風量優化為436 m3/s，右線隧道中遠期風量分別優化為437 m3/s和541 m3/s。右線隧道內遠期風速為8.42 m/s，左線隧道風速僅6.81 m/s，遠遠小于10 m/s。原通風方案兩隧道各建設一座豎井及風機房，工程極為浪費。

兼顧兩線隧道的防災通風，將華鎣山隧道通風方案優化為：保留右線隧道豎井及風機房，取消左線隧道豎井及地下風機房；右線隧道運營采用豎井送排式與射流風機組合式通風，左線隧道運營采用全射流通風；火災時，兩隧道均采用分兩段排煙方式，豎井兼顧兩隧道排煙。

1.2 豎井位置優化

綜合考慮地形地貌、地質條件和施工條件，結合分段排煙長度的規定，在K109+000～K110+400范圍內選定5個豎井位置。根據右線隧道的中遠期需風量擬定出五個位置方案豎井送排風量，如表1所示。

表1 各豎井方案送排風量

從表1中可以看出，五個位置方案中期的送排風量之和在429 m3/s與442 m3/s之間，遠期的送排風量之和在529 m3/s與550 m3/s之間。若右線按原設計豎井直徑8.0 m，豎井中的風速中期約為8.97~9.25 m/s，遠期為11.07~11.50 m/s，小于《設計細則》中提出的13~20 m/s[16]，通風豎井的建設規模偏大。將豎井直徑優化為7.0 m，豎井風速在中期約為11.80~12.17 m/s，遠期為14.56~15.14 m/s，豎井內遠期的風流速度在規范規定的范圍內，建設規模合理。

按豎井直徑7.0 m計算得出不同豎井位置方案所需的風機總功率（見圖2）。可以看出中期各方案的功率相差不大，但遠期所需送排風機總功率則相差較大；遠期方案1最小，其余方案比方案1分別大13%、21%、27%、19%。由此計算出運營20年，其余4個方案分別比方案1的能耗高約7%、14%、22%和15%。

圖2 不同豎井方案通風能耗

各豎井位置方案的總體比較如表2所示。從通風運營能耗來看方案1明顯優于其他方案；從土建工程比選可看出方案1和方案5各方面情況大致相當，都明顯優于其他方案；結合通風運營能耗、豎井工程規模、進場道路條件、施工供電距離及棄渣運距等因素，選擇豎井位置方案1（K109+050）。

表2 各豎井方案總體比較表

1.3 豎井中隔墻位置的優化

按開挖直徑7 m，根據表1中方案1的中、遠期送排風量，設中隔墻將豎井分隔為送風井和排風井，提出以下五種斷面分隔方案：

方案①：送風面積22.73 m2，排風面積13.69 m2。

方案②：送風面積20.64 m2，排風面積15.75 m2。

方案③：送風面積18.04 m2，排風面積18.04 m2。

方案④：送風面積15.75 m2，排風面積20.64 m2。

方案⑤：送風面積13.69 m2，排風面積22.73 m2。

各方案送排風井的通風能耗如圖3所示。運營中期方案⑤的通風能耗最大，方案④次之。運營遠期隨著送風面積的減小，方案⑤的能耗最大，方案①次之，方案②、方案③、方案④基本相當。綜合考慮，方案③等分豎井，為了便于施工，故建議采用豎井中分隔方案。

圖3 不同豎井分隔方案能耗比較

Fig 3 Comparison of energy consumption for each shaft separation schemes

按照上述系統優化，右線隧道需風量比原設計有較大程度的減小，右線豎井送排風機中、遠期運營功率由原來的2 042 kW和2 392 kW分別減小到934 kW和1 340 kW，中遠期總功率分別減小約54%和44%。

左線隧道運營通風優化為全射流通風，經計算中期需設置功率為1120 mm（37 kW）射流風機60臺，遠期需設置50臺。左線隧道減少了豎井及風機房的土建工程投資，以及豎井軸流風機及供配電系統，但增加了射流風機及供配電系統，通風總能耗與原設計相當。

通過上述通風系統優化，取消了一座7.5 m豎井（深464 m）和地下風機房，并減小了右線豎井建設規模，優化了豎井中隔墻位置。

2 通風機電設備分期配置及節能運營

2014年新頒布的《設計細則》的通風標準中，明確提出了稀釋異味為通風設計的舒適性標準，且隧道最小換氣頻率不低于每小時3次。該需風量往往成為一些山區特長公路隧道的控制風量，控制隧道的通風附屬工程和機電設備投資。華鎣山左線隧道即是如此，換氣通風量為436 m3/s，中遠期稀釋污染物濃度需風量僅291 m3/s和374 m3/s。

為此，對國內民用建筑、工業建筑、地下鐵道，以及世界道路協會（PIARC）關于換氣通風目的進行調研。調研的結果是：在工業建筑中不能夠按散熱量、污染物排出量、危化品溢出量計算風量的情況下，采用了按換氣次數計算需風量的方法[17]。地下鐵道中則取消了區間隧道和車站公共區按換氣次數計算需風量的規定，僅保留了車站用房的風量[18]。世界道路協會（PIARC）在1995年和2004年的《Road tunnels：vehicle emissions and air demand for ventilation》報告中，有關換氣次數目的并未說明，僅規定了換氣頻率和換氣風速。而在2012年報告中已經明確換氣通風的目的是在小交通量隧道中稀釋異常車輛污染排放問題，并非舒適性標準[19]。僅有民用建筑中換氣通風的目的是滿足衛生及舒適性要求的[20]，因此，公路隧道的換氣通風設計為舒適性標準，是偏高的。

由此，按《設計細則》中的衛生標準，僅考慮稀釋污染物濃度，計算出左右線隧道全射流通風所需的臺數，如表3、表4所示。

表3 右隧道稀釋污染物濃度通風計算

表4 左隧道稀釋污染物濃度通風計算

由以上兩表可以看出，按稀釋污染物濃度右線隧道中期僅需設置24臺射流風機，遠期僅需要46臺，采用全射流通風即能達到要求。左線隧道中遠期也僅需24臺射流風機即能滿足要求，遠小于換氣通風所需射流風機臺數。

因隧道能根據污染物濃度計算需風量，換氣通風為舒適性要求，為避免實際運營過程中特長隧道內運營風機長期處于閑置狀態，兼顧《公路隧道設計規范第二冊交通工程及附屬設施》（JTG D70/2—2014）及《公路隧道通風設計細則》（JTG/T D70/2-02—2014）規定，建議左線隧道內射流風機分期設置；近期按防災風機設置，即設36臺。當36臺射流風機開啟后，不同行車速度下的當量換氣次數如表5所示，僅近期和中期行車速度小于60km/h時，達不到各階段各行車速度下換氣通風3次的要求，但換氣次數最小也在2.4次以上。

表5 開啟36臺射流風機當量換氣次數

同時考慮華鎣山隧道可能存在H2S氣體，建議左線隧道射流風機預留預埋按60臺設置。運營后，加強通風監測，在現有36臺射流風機不能滿足通風要求的情況下，根據實測增設射流風機。若運營后測試現有風機臺數能滿足要求，則不增設射流風機。

而對于右線隧道，可階段性采用全射流通風，當全射流通風達不到要求時，采用豎井送排與射流通風組合的通風方式。

3 右線豎井兼顧左線隧道運營通風方案

當隧道出現特殊情況導致左線交通量增大，而右線隧道交通量較小時，可將通風豎井用于左線隧道通風。對于左線隧道豎井通風，提出兩種方案：①左線隧道送排式通風方案，為左線隧道設送排風道。②左線隧道豎井送風方案，底部僅需為左線隧道設置送風道，布置簡單。

根據華鎣山隧道的交通組成、豎井軸流風機及左線隧道射流風機配置，按稀釋污染物濃度，計算了兩種方案左線隧道的適應交通量，如圖4所示。

從圖4可以看出，采用左線送排通風方案，中、遠期隧道內適應交通量比送風方案僅增加180 veh/h和400 veh/h。但由于排風道和送風道分別位于豎井兩側，該方案導致左線底部送排風道長度過長，布置復雜。而豎井送風方案僅需設置左線送風道，布置簡單，且適應交通量減少幅度不大。因此，建議設置左線送風道（如圖5），在左線隧道異常大交通流情況下，左線采用豎井送風方案，增大隧道的通風能力。

圖4 左線隧道豎井通風適應交通量

圖5 豎井送排風示意圖

4 結 論

本文在8 km特長公路隧道通風方案及土建工程優化的基礎上，進行了通風機電設備的優化配置及運營節能分析，并提出了8 km特長公路隧道單豎井兼顧兩隧道的送風通風方案，得到如下結論：

（1）8 km華鎣山隧道左右線風速遠小于10 m/s，兼顧兩線隧道的防災，將華鎣山隧道通風方案優化為：取消左線隧道通風豎井及地下風機房，左線隧道運營采用全射流通風；右線豎井保留，直徑優化為7 m，右線隧道采用豎井送排式與射流風機組合的通風方式；火災時，右線豎井為兩隧道排煙。通過優化，8 km華鎣山隧道僅需建設一座豎井及風機房，可節約土建投資3000余萬元。

（2）綜合豎井工程地質條件、施工難度、運營能耗等，建議豎井設置在K109+050里程，采用中分隔方案。

（3）資料調研表明，公路隧道將換氣通風設計為舒適性標準是偏高的。按稀釋污染濃度控制，左線隧道內通風設備配置將大大減少，右線隧道運營通風可階段性采用全射流方案，實現節能目的。

（4）為兼顧左線隧道交通異常情況下，采用豎井通風，建議增加左線隧道送風道，增大左線隧道應對異常交通情況的通風能力。

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Optimized Ventilation System for an Extra-long Highway Tunnel

FU Zhao-hui1,2，ZENG Yan-hua1,2，HE Tao3

(1. Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Ministry of Education, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 3. Nanyu Highway Limited Company, Nanchong 637000, China)

Vertical/inclined ventilation systems with intake and exhaust shafts have become the main form of ventilation in extra-long highway tunnels. However, there are several problems with these systems, such as requirement of large volumes of civil engineering work and long periods of idle operation of the ventilation equipment. Considering the Huayingshan tunnel in Nandaliang expressway as the reference, the optimization of the[A1] [A2] for an 8km long highway tunnel was studied. Based on the optimized ventilation scheme and civil engineering configuration, the staged configuration of the electromechanical ventilation equipment and the energy-saving operations were analyzed, and a ventilation scheme was proposed for the 8km long highway tunnel with a single vertical shaft, to manage abnormal traffic conditions. The results show the following.(1)The left tunnel can adopt full-jet ventilation by removing the original vertical shaft and the underground fan room; the right tunnel can adopt vertical ventilation with intake and exhaust by an optimized shaft diameter of 7 m; in this arrangement, the shaft is used to remove the smoke from the two tunnels when a fire occurs.(2)To avoid an increase in mechanical investment and to decrease the operational energy consumption, the ventilation during the normal traffic of the Huayingshan tunnel is determined by the pollutant concentration. The number of the ventilation equipment in the left tunnel will be significantly reduced, and the full-jet scheme can be used in the right tunnel in stages.(3)Installing an air supply outlet in the left tunnel is an effective way to improve the ventilation capacity during abnormal traffic flows.

8km extra-long highway tunnel; ventilation civil engineering; electromechanical equipment; optimizing configuration

1672-4747（2020）02-0010-08

U453.5

A

10.3969/j.issn.1672-4747.2020.02.002

2019-08-09

國家重點研發計劃課題（2016YFC0802201）

付朝輝（1993—），男，碩士研究生，研究方向：地下工程的通風與防災技術，E-mail：1808702941@qq.com

曾艷華（1968—），女，四川彭山人，西南交通大學博士生導師，科研方向：地下工程的通風與防災救援技術，E-mail：zengyhua@163.com

付朝輝，曾艷華，何濤. 8km特長公路隧道通風系統優化配置[J]. 交通運輸工程與信息學報, 2020, 18（2）：10-17.

（責任編輯：劉娉婷）