雙向行車特長(zhǎng)隧道運(yùn)營通風(fēng)風(fēng)機(jī)控制策略研究

邵 林 白 赟

(四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610017)

人類對(duì)公路隧道的建設(shè)發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了上百年，從最初的單一短小隧道到如今的復(fù)雜特長(zhǎng)隧道，公路隧道的設(shè)計(jì)理念取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。近年來，隨著我國脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)的不斷進(jìn)行，越來越多的低等級(jí)特長(zhǎng)公路隧道出現(xiàn)在了云貴川等地。隧道長(zhǎng)度增加的同時(shí)，隧道內(nèi)因車輛行駛產(chǎn)生的一氧化碳、煙塵、氮氧化物等汽車尾氣也在累積增多，此時(shí)需要借助風(fēng)機(jī)等機(jī)械設(shè)備對(duì)隧道進(jìn)行通風(fēng)，在滿足汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和司乘人員需氧舒適度的同時(shí)，降低隧道內(nèi)汽車排放污染物的濃度。

目前對(duì)于公路隧道通風(fēng)問題，國內(nèi)外學(xué)者已做了大量研究。JTG/T D70/2—02—2014公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則對(duì)公路隧道需風(fēng)量和風(fēng)機(jī)計(jì)算都作了詳細(xì)闡述[1]；曾柯皓以城開路滿月隧道為依托工程，對(duì)特長(zhǎng)公路隧道的通風(fēng)方案及自然風(fēng)的利用進(jìn)行研究，提出了合理的通風(fēng)方案和機(jī)電配置[2]；付朝輝等以南大梁高速華鎣山隧道為工程依托，對(duì)8 km特長(zhǎng)公路隧道通風(fēng)系統(tǒng)配置進(jìn)行了優(yōu)化研究[3]；郭志杰等以金門特長(zhǎng)公路隧道為例，對(duì)通風(fēng)井送排式、單通道互補(bǔ)式、雙通道互補(bǔ)式和吸塵式4種通風(fēng)方案進(jìn)行了比選研究[4]；姜同虎等針對(duì)新場(chǎng)隧道右線通風(fēng)負(fù)荷過大的情況，提出了雙洞互補(bǔ)式的通風(fēng)方案[5]；白赟等采用FDS火災(zāi)動(dòng)力學(xué)軟件，對(duì)雀兒山隧道進(jìn)行了火災(zāi)三維數(shù)值模擬，研究了高海拔雙向行車公路隧道火災(zāi)時(shí)的煙氣流動(dòng)規(guī)律和能見度分布規(guī)律[6]，并針對(duì)活塞風(fēng)作了相關(guān)研究[7，8]。通過查閱文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)學(xué)者對(duì)于公路隧道的通風(fēng)問題研究較多，但多是從優(yōu)化設(shè)計(jì)、方案比選和火災(zāi)通風(fēng)控制等方面研究，對(duì)于通風(fēng)風(fēng)機(jī)的配置也僅僅是計(jì)算得到所需風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)的最大值，而對(duì)不同自然風(fēng)風(fēng)速工況下雙向行車特長(zhǎng)隧道運(yùn)營通風(fēng)風(fēng)機(jī)的控制策略則幾無文獻(xiàn)報(bào)道。

本文采用網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)的計(jì)算方法，對(duì)不同自然風(fēng)風(fēng)速工況下，雙向行車特長(zhǎng)隧道平導(dǎo)壓入式通風(fēng)進(jìn)行計(jì)算，得到具體的風(fēng)機(jī)控制方案。

1 工程背景

雀兒山隧道地處青藏高原東部邊緣沙魯里山脈，位于四川省西部甘孜藏族自治州德格縣境內(nèi)。隧址處于高海拔地區(qū)，其中隧道洞口平均設(shè)計(jì)高程在4 300 m左右，屬于高海拔雙向行車特長(zhǎng)公路隧道。該隧道全長(zhǎng)7 079 m，隧道建筑限界為9.0 m ×5.0 m，隧道縱向坡度呈“人”字形，最大縱坡2.6%。主隧道和貫通平導(dǎo)間設(shè)置7條車型橫通道，隧道運(yùn)營通風(fēng)時(shí)開啟4號(hào)車型橫通道，采用平導(dǎo)壓入式通風(fēng)。

2 運(yùn)營通風(fēng)需風(fēng)量計(jì)算

根據(jù)工可報(bào)告，雀兒山隧道預(yù)測(cè)交通量和預(yù)測(cè)交通組成分別見表1，表2。

表1 交通量預(yù)測(cè)表

表2 各年限高峰小時(shí)絕對(duì)交通量 輛/h

根據(jù)隧道的縱坡、海拔高度及交通構(gòu)成情況，按JTG/T D70/2—02—2014公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則的需風(fēng)量計(jì)算方法，計(jì)算隧道各設(shè)計(jì)年限的左右線隧道正常運(yùn)營條件下稀釋洞內(nèi)CO和煙霧(VI)、換氣除異味隧道全長(zhǎng)的需風(fēng)量，綜合確定了正常運(yùn)營全長(zhǎng)最大計(jì)算風(fēng)量及隧道內(nèi)風(fēng)速，其中稀釋異味按3次取值，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 雀兒山隧道全長(zhǎng)設(shè)計(jì)風(fēng)量與設(shè)計(jì)風(fēng)速

由表3可知，隧道全長(zhǎng)需風(fēng)量近期由交通阻滯工況控制，為390.01 m3/s，對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)風(fēng)速為6.71 m/s；中期由稀釋CO控制，為437.15 m3/s，對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)風(fēng)速為7.52 m/s；遠(yuǎn)期由稀釋CO控制，為545.89 m3/s，對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)風(fēng)速為9.39 m/s。其中遠(yuǎn)期隧道內(nèi)設(shè)計(jì)風(fēng)速不滿足8 m/s的限值，故近期和中期可采用全射流縱向通風(fēng)，遠(yuǎn)期需采用平導(dǎo)壓入式通風(fēng)，縮短通風(fēng)區(qū)段長(zhǎng)度。

3 平導(dǎo)壓入式通風(fēng)風(fēng)機(jī)控制方案

雀兒山隧道遠(yuǎn)期正常運(yùn)營采用平導(dǎo)壓入式通風(fēng)，打開4號(hào)車型橫通道門，新鮮風(fēng)由平導(dǎo)兩洞口軸流風(fēng)機(jī)沿平導(dǎo)經(jīng)4號(hào)車型橫通道壓入主隧道，污濁風(fēng)由主隧道兩洞口排出，通風(fēng)示意圖如圖1所示。

3.1 計(jì)算工況

開啟平導(dǎo)軸流風(fēng)機(jī)的前提下，分別計(jì)算不同自然風(fēng)速下不開和開啟主隧道射流風(fēng)機(jī)的工況，計(jì)算工況如表4所示，其中自然風(fēng)速“+”表示自然風(fēng)方向從甘孜吹向德格，“-”表示自然風(fēng)從德格吹向甘孜。

表4 計(jì)算工況表

3.2 不開啟主隧道射流風(fēng)機(jī)

根據(jù)隧道遠(yuǎn)期需風(fēng)量及阻力損失，平導(dǎo)兩端各設(shè)置軸流風(fēng)機(jī)工作，通過固定軸流邊風(fēng)量來模擬計(jì)算隧道中風(fēng)流分配。當(dāng)自然風(fēng)壓為0時(shí)，滿足隧道內(nèi)各段需風(fēng)量要求的風(fēng)量分配如圖2所示。

由圖2可以看出，在自然風(fēng)壓為0時(shí)，由于4號(hào)橫通道兩端平導(dǎo)和主隧道基本對(duì)稱，在兩端安設(shè)軸流風(fēng)機(jī)一致的情況下，隧道及平導(dǎo)的風(fēng)流分配基本對(duì)稱。

當(dāng)取3 m/s(甘孜→德格)和-3 m/s(德格→甘孜)的自然風(fēng)速時(shí)，在只安設(shè)軸流風(fēng)機(jī)的情況下，遠(yuǎn)期隧道內(nèi)的風(fēng)流分配如圖3，圖4所示。

由以上計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)存在從甘孜端吹向德格端風(fēng)速為3 m/s的自然風(fēng)壓時(shí)，對(duì)甘孜端主隧道風(fēng)流流出起阻礙作用，從該端流出的風(fēng)流減少，僅246.65 m3/s，少于需風(fēng)量30 m3/s左右；而對(duì)德格端主隧道風(fēng)流的流出起促進(jìn)作用，從該端流出的風(fēng)流急速增加，達(dá)305.43 m3/s，超過需風(fēng)量30 m3/s。當(dāng)存在從德格端吹向甘孜端風(fēng)速為3 m/s的自然風(fēng)壓時(shí)，情況則相反。因此，對(duì)于該隧道的通風(fēng)系統(tǒng)而言，自然風(fēng)壓的存在，對(duì)于兩端風(fēng)流的流動(dòng)的作用是不同的，為使隧道內(nèi)的風(fēng)流按需分配，需在主隧道中設(shè)置射流風(fēng)機(jī)。

3.3 不同自然風(fēng)速下風(fēng)機(jī)控制方案

為滿足不同自然風(fēng)壓下的分風(fēng)要求，應(yīng)設(shè)置雙向射流風(fēng)機(jī)。結(jié)合隧道的建筑限界，在主隧道中設(shè)置φ1 120的雙向射流風(fēng)機(jī)，研究中射流風(fēng)機(jī)參數(shù)如表5所示。根據(jù)計(jì)算，遠(yuǎn)期，取不同的自然風(fēng)速下，主隧道兩端應(yīng)設(shè)置射流風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)如表6所示。

表5 射流風(fēng)機(jī)參數(shù)表

表6 不同自然風(fēng)速下射流風(fēng)機(jī)控制方案

由表6計(jì)算結(jié)果可知，不同的自然風(fēng)方向，主隧道內(nèi)射流風(fēng)機(jī)的工作方向不同，為了合理分配風(fēng)量，主隧道內(nèi)射流風(fēng)機(jī)的工作方向與自然風(fēng)方向相反。自然風(fēng)速越大，主隧道內(nèi)需要開啟的射流風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)越多，自然風(fēng)速為0時(shí)，主隧道內(nèi)不需開啟射流風(fēng)機(jī)；自然風(fēng)速為±4 m/s時(shí)，主隧道內(nèi)需開啟8臺(tái)射流風(fēng)機(jī)。

4 結(jié)論

本文采用網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)的計(jì)算方法，對(duì)不同自然風(fēng)風(fēng)速工況下，雙向行車特長(zhǎng)隧道平導(dǎo)壓入式通風(fēng)進(jìn)行計(jì)算，得到具體的風(fēng)機(jī)控制方案，并得到如下結(jié)論：

1)雀兒山隧道近中期可采用全射流縱向通風(fēng)，遠(yuǎn)期推薦采用開啟4號(hào)車型橫通道的平導(dǎo)壓入式通風(fēng)。

2)當(dāng)無自然風(fēng)時(shí)，僅需開啟平導(dǎo)兩端洞口的軸流風(fēng)機(jī)，此時(shí)風(fēng)量在主隧道內(nèi)基本呈對(duì)稱分布，滿足通風(fēng)要求。

3)對(duì)于雀兒山隧道的通風(fēng)系統(tǒng)而言，自然風(fēng)壓的存在，對(duì)于兩端風(fēng)流的流動(dòng)的作用是不同的，為使隧道內(nèi)的風(fēng)流按需分配，還需在主隧道中設(shè)置射流風(fēng)機(jī)。不同的自然風(fēng)方向，主隧道內(nèi)射流風(fēng)機(jī)的工作方向不同，為了合理分配風(fēng)量，主隧道內(nèi)射流風(fēng)機(jī)的工作方向與自然風(fēng)方向相反。

4)自然風(fēng)速越大，主隧道內(nèi)需要開啟的射流風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)越多，自然風(fēng)速為±1 m/s時(shí)，主隧道內(nèi)僅需開啟1臺(tái)射流風(fēng)機(jī)；自然風(fēng)速為±4 m/s時(shí)，主隧道內(nèi)需開啟8臺(tái)射流風(fēng)機(jī)。