縱向全射流通風在公路隧道中的應用

盧銀盛

(中鐵隧道勘察設計研究院有限公司，廣東 廣州511400)

公路隧道的通風方式大體分三種：縱向通風、半橫向通風和全橫向通風。其中縱向通風又分為全射流、洞口集中送入式、通風井排出式。縱向全射流通風方式就是在隧道頂部、側壁或底部安裝若干組射流風機，通過射流風機的射流作用在隧道內形成穩定的風速，使得新鮮空氣從隧道入口進入、從隧道出口排出，從而降低隧道內污染物濃度，火災時為人員疏散提供有利條件及排除煙氣的一種通風方式。

圖1 縱向全射流通風射流風機

一般認為縱向通風尤其是全射流縱向通風的前期，投資費用及后期運營管理費用最低，是最經濟的通風方式。尤其是在單向交通的隧道中，能合理有效地利用交通活塞風力，根據需要控制風機運轉臺數大大降低運行能耗。縱向全射流通風只需要安裝射流風機，不需要土建風道、豎井、通風機房、風管、軸流風機等設施，系統簡單、安裝方便、維護簡易。因此，自20 世紀80年代以來，全射流縱向通風逐漸取代橫向及半橫向的主導地位，應用越來越廣泛。

公路隧道通風設計細則[1]（以下簡稱細則）中規定縱向全射流通風方式的適用長度：單向交通為5000m 以內；雙向交通為1500～3000m，同時指出此適用長度是一般情況下的參考值，并非強制要求。因此在判定可否采用縱向全射流通風不僅要考慮隧道長度，還要分析其他影響因素。全射流通風方式具有發展潛力及研究的價值。

1 縱向全射流通風設計

縱向全射流通風設計計算在細則里有詳盡的介紹，本文不再側重于整個設計計算過程的呈現，而是側重于對計算過程總體的概述及其影響因素的分析，有利于讀者更好理解。

1.1 隧道通風設計的目的

公路隧道是一個相對封閉的空間，斷面越小長度越長我們認為其越封閉。車輛從隧道中經過，或者堵塞工況時暫時停留在隧道內，會產生污染物。更為嚴重的情況是隧道內車輛起火或者是隧道本身設備的電氣火災會產生大量的濃煙，威脅到人民群眾的生命和財產安全。隧道通風設計的目的就是基于此保證隧道內的能見度和污染物含量符合衛生標準，火災時能引導煙氣流動為人員獲得疏散時間并為火災救援提供有利條件。要達到以上目的，射流風機群要提供足夠的風量（風速）及風壓。

1.2 隧道通風設計要點

1.2.1 風量

對射流風機提供的風量影響因素有以下幾個：（1）CO 稀釋需風量；（2）煙塵稀釋需風量；（3）隧道換氣需風量；（4）排煙需風量；（5）隧道風速要求。

以上的需風量計算公式在細則中有詳細介紹，本文不再贅述，本文根據工程經驗給出如下分析。

一般來說排煙需風量是決定需風量下限的決定性因素，隧道風速要求是決定風量上限的決定性因素。因此對風量的計算可以采取先確定上下限，然后校核其他因素的方法。下面對決定下、上限的因素需風量進行分析：

Qreq(f)=Ar·vc

Qreq(f)——隧道火災排煙需風量；Ar——隧道凈空斷面；

vc——隧道火災臨界風速；

臨界風速是個關鍵因素。隧道內發生火災時，能阻止煙霧發生逆流的最小風速稱為臨界風速。采用縱向排煙的公路隧道，臨界風速可按表1 取值。

表1 火災臨界速度取值

細則中規定單向交通隧道的設計風速不宜大于10m/s，特殊情況不應大于12m/s；雙向交通的設計風速不應大于8m/s；設有專用人行道的隧道設計風速不應大于7m/s。

綜上所述，所有風機開啟給隧道帶來的風速應該在臨界風速和最高風速之間。一般情況下單向交通風速選取較大值，雙向交通選取較小值。

1.2.2 風壓

隧道通風系統中，風機及交通通風力提供的風量和風壓除了滿足風量要求外，還需要克服通風阻力的要求。公式如下：

Δpr+Δpm±Δpt= ∑Δpj

Δpr——隧道內通風阻力（N/m2）；

Δpm——隧道內自然通風力（N/m2）；

Δpt——交通通風力（N/m2）；

∑Δpj——射流風機群總升壓力（N/m2）。

進行風壓計算時需要注意以下問題：

（1）單向交通當車速大于設計風速時，交通通風力作為動力，否則作為阻力；雙向交通時交通通風力作為阻力。

（2）實際隧道中，自然通風力的大小和方向會經常變動，所以從安全的角度考慮，在通風計算中把自然通風力作為阻力。根據某工程數據繪制出自然通風力Δpm與隧道長度L 及自然風引起的風速如圖2。

圖2 自然通風力與隧道長度及洞內風速的關系

圖中實線為實際洞內風速，為便于比較，增加兩個假設洞內風速，如圖中虛線及雙點劃線。自然通風力與隧道長度成正比。

（3）計算出通風所需的總升力后在選擇風機型號時可根據工程實際情況選擇合適的風機型號，而后算出風機總臺數。

（4）隧道火災時會出現附加的熱風壓，稱為火風壓或浮力效應煙流阻力。火風壓的作用方向沿隧道上坡方向為正，下坡方向為負。火風壓隨高溫煙流擴散不斷變化，細則中給出火風壓的計算公式，但此公式影響因素很多，計算非常復雜，在工程應用中往往缺少相關參數無法精準計算。張廷彪，張祉道[3]提出一種可供工程應用的新算法：

式中i——隧道坡度（以小數表示），下坡通風為正，上坡通風為負。

經驗證此計算方法可以用于工程計算。

1.2.3 火災工況疏散救援

火災工況下疏散救援要合理利用射流風機，重點在于控制，包括消防控制室的自動控制及現場的手動控制。一般而言，隧道發生火災后要立即組織人員疏散，疏散完畢后進行火災救援，火災撲滅后排除污染物，最后車輛駛出隧道，恢復設備恢復交通。某單向行車隧道火災工況人員疏散階段如圖3。一般而言以火災點為分界點，前方車輛快速駛出隧道，后方車輛停車，人員棄車往車輛入口方向從最近安全通道或者隧道入口逃生。對射流風機的控制關鍵在于人員疏散階段要控制隧道內風速不能大于0.5m/s，如果風速過大會引起煙氣紊亂，從而擴散到人員撤離區域。

1.2.4 射流風機選型及布置

在相同條件下，單向風機比雙向風機具有更高的通風效率。對于單向交通隧道，無論是日常運營還是火災工況的防災排煙，一般均要求風機運行方向與交通方向一致，因此單向交通宜選擇單向風機。對于雙向交通隧道，洞內通風方向可能會隨交通狀態變化而調整，因此雙向交通隧道宜選擇雙向風機。為便于工程建設和長期運營管理，一般情況下同一隧道宜選擇同一型號的射流風機。

射流風機布置應不侵入隧道建筑界限并留有15cm 的凈距。同一斷面布置2 臺及以上射流風機時，相鄰兩臺風機凈距不宜小于1 倍風機葉輪直徑，該斷面的各風機型號應完全相同。長度不大于3000m 的直線隧道，射流風機可布置在兩端洞口段；特長隧道的射流風機宜在兩端洞口段、洞內中部等位置不少于3段分布；長度大于2000m 的曲線隧道，曲線段宜布置射流風機，曲線段內縱向布置距離不宜大于100m。

圖3 某典型單向行車隧道火災工況疏散示意圖

2 縱向全射流通風適用范圍

細則中規定：采用縱向通風方式時，單向交通且長度L≤5000m 和雙向交通且長度L≤3000m 的隧道可采用全射流縱向通風方案。通過對全國已建和在建的200 余座各類特長隧道通風方案統計，長度大于5000m 的隧道（共48 座）一般采用通風井送排式縱向通風方式，長度小于等于5000m 的特長隧道一般采用全射流縱向通風方式。下面對長度大于5000m 的特長隧道采用全射流縱向通風可能性進行探究。

隧道內所需要的風量由交通量、隧道長度、每輛車需要的風量三個因素決定，同時隧道最大風速的限制及風機臺數的限制又決定了風量的上限，因此縱向全射流通風不適用于特長隧道。根據工程實際可以計算出該隧道采用縱向全射流通風的極限長度。公式如下：

Q=qNL/100=Av

Q——隧道所需風量（m2/s）；

q——1 小時內每輛車每米隧道所需風量；

N——交通量；

L——隧道極限長度（m）；

A——隧道橫斷面積（m2）；

v——隧道極限風速（m/s）。

極限風速取8m/s，可得：

NL=800A/q

某隧道A=52m2，實測下坡q=0.01m3/h/m，上坡q=0.014 m3/h/m。下坡N 與L 函數為：

NL=4160000

上坡N 與L 函數為：

NL=2971430

關系曲線如圖4。

此隧道可根據上圖曲線由遠期交通量得出縱向全射流通風的極限隧道長度。如交通量為600 輛/h，得出的極限隧道長度大約為5000m。值得注意的是q 值與縱坡系數有關，上坡比下坡時大，每座隧道不盡相同。

3 結論

本文全面闡述了公路隧道縱向全射流通風的計算方法及適用條件, 并結合工程實際論證判斷是否可采用該通風方式的方法,得到以下幾點認識:

3.1 公路隧道縱向全射流通風方式是一種簡單實用的通風方式，在越來越多的工程中得到合理應用，工程技術人員在選擇公路隧道通風方式時可優先選擇該通風方案。

3.2 該通風方式主要應用于較短的公路隧道，尤其適用于單向行車隧道。當隧道長度達到3000 米以上時需論證該通風方式的可行性。

3.3 公路隧道縱向全射流方式具有廣闊的發展前景。理論上論證后隧道長度不超過極限長度的情況下都可以采取此通風方式，但超長隧道需謹慎考慮，綜合比選。