高速公路隧道通風計算分析

易 茜

(廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

近年來，隨著《廣西高速公路網(wǎng)規(guī)劃(2018—2030年)》和《廣西普通公路省道網(wǎng)規(guī)劃(2011—2030)》的正式批復，廣西公路建設迅猛發(fā)展，加快構(gòu)建“縣縣通高速路、鎮(zhèn)鎮(zhèn)通二級路”，到2030年，廣西高速公路總里程將達到15 200 km，形成“1環(huán)12橫13縱25聯(lián)”的高速公路網(wǎng)。隨著高速公路的建設不斷走向深水區(qū)，越來越多的高速公路向山區(qū)較多的區(qū)域延伸，高速公路橋隧比顯著增高，長大隧道增多。隧道是高速公路的重要組成部分，而隧道通風設計是建設公路隧道中至關重要的一個環(huán)節(jié)，直接影響著高速公路隧道運營的安全及成本。隧道通風系統(tǒng)耗能高、運營成本高已成為高速公路隧道運營管理單位的難題之一，如何在確保隧道運營安全的基礎上設計出節(jié)本增效、環(huán)保節(jié)能的通風系統(tǒng)，成為目前研究的重點課題。

本文基于此背景，探討了高速公路隧道通風系統(tǒng)的重要性，回顧了我國公路隧道通風設計規(guī)范發(fā)展歷程和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，同時《公路隧道通風設計細則》(JTG/T D70/2-02-2014)作為公路工程行業(yè)推薦性標準，于2014-08-01起施行，對我國公路隧道通風設計起到了很好的規(guī)范和指導作用，但此設計細則發(fā)布至今已有近7年的時間，對于當時未預見到的發(fā)展趨勢以及其中值得深究的問題，需要進行進一步的探討。筆者通過近年來在隧道機電設計工作中總結(jié)的經(jīng)驗，針對“十四五”期間的新形勢、新要求，提出隧道通風計算的一些思考。本文主要討論長度<5 000 m、適用于全射流通風方式的公路隧道。

1 高速公路隧道通風

1.1 高速公路隧道通風系統(tǒng)的重要性

隧道是一個相對密閉的區(qū)域，車輛排出的廢氣無法通過自然風或者活塞風排出擴散到大氣中，尤其是針對長隧道、特長隧道而言，自然風、交通風對隧道中空氣進行置換的能力較差，無法滿足高速公路運營的衛(wèi)生標準要求。應將汽車尾氣中包含的許多有毒有害氣體和顆粒置換出隧道，否則濃度過高將危及人體健康甚至生命。同時，公路隧道內(nèi)的煙霧濃度過高時會影響行車視野，降低車輛安全行駛視距，增加安全隱患，若隧道內(nèi)發(fā)生重要事故或者火災，情況會更加嚴峻。因此在高速公路隧道安裝通風系統(tǒng)顯得尤為重要，可切實保障高速公路隧道的行車安全。

1.2 高速公路隧道通風設計規(guī)范發(fā)展歷程

在20世紀90年代初及以前，我國高速公路隧道并沒有相應的技術標準，直到2000年《公路隧道通風照明設計規(guī)范》正式頒布實施，對我國公路隧道通風技術的發(fā)展起到了重要作用，對我國過去十幾年的高速公路隧道通風設計與建設運營起到了重要的指導作用。近些年隨著我國汽車制造業(yè)水平的發(fā)展，尾氣凈化度和能源利用率等很多方面都發(fā)生了較大變化，2014年頒布實施了《公路隧道通風設計細則》(JTG/TD70/2-02-2014)，對一氧化碳的排放計算標準、最大濃度標準等做了較大改變，使其可以更好地為公路隧道通風發(fā)展提供指導。

2 高速公路隧道通風計算

2.1 隧道通風設計流程

隧道通風計算復雜，在初步判定隧道采用機械通風后，需要從隧道主體專業(yè)獲取隧道長度、海拔高度、坡度、隧道斷面、平縱線型、周長、當量直徑等資料，從工可資料中獲取交通量、車道數(shù)、設計小時交通量系數(shù)、方向分布系數(shù)等數(shù)據(jù)，并查詢隧址夏季氣溫、大氣密度等數(shù)據(jù)。從10 km/h至設計時速，按10 km/h每檔，計算各速度工況下稀釋煙塵、CO需風量、換氣需風量，根據(jù)隧道排煙需風量得到火災工況下的需風量，以及所有工況下的最大需風量及設計風速。計算各速度工況下所需的升壓力，根據(jù)風機選型得到單臺風機升壓力，并考慮一定的備用，最終得到隧道風機設計數(shù)量。

2.2 設計年份基準排放量計算

《公路隧道通風設計細則》中，主要將車型分為了小客車、小貨車、大客車、中貨車、大貨車、集裝箱及拖掛車等類型，下文列舉了我國各類機動車發(fā)動機類型的一般比例(見表1)，并分別設定了考慮煙塵及CO的車型系數(shù)，如表2和表3所示。在煙塵及CO排放量的計算過程中，取2000年的機動車尾氣排放的有害氣體作為基準，煙塵的基準排放量為2.0 m2/(veh·km)，正常交通時CO的基準排放量為0.007 m3/(veh·km)，交通阻滯時取0.015 m3/(veh·km)，且阻滯段長度≤1 000 m；以2000年為起點，按每年2.0%的遞減率進行折減，最大折減年限不超過30年。

表1 各類車輛的發(fā)動機類型比例一覽表

表2 考慮煙塵的柴油車車型系數(shù)fm(VI)一覽表

表3 考慮CO的車型系數(shù)fm一覽表

因此，現(xiàn)階段在各設計單位進行工程可行性研究時，一般按照上述車輛類型進行分類統(tǒng)計，進行初步設計及施工圖設計時，根據(jù)工可交通量數(shù)據(jù)作進一步的隧道通風計算。現(xiàn)階段設計的公路中，大多于2024年以后通車，近遠景年份均在2030年后，對基準排放量進行折減時，均按照2030年的折減數(shù)進行折減，其含義就是機動車煙塵及CO排放量不會無限降低，在2030年后將趨于平穩(wěn)。

而在機動車發(fā)展形勢中，不得不提的就是新能源汽車的發(fā)展，單純地靠分析燃油車的技術、占比及發(fā)展趨勢已經(jīng)不能完全地代表公路上的交通組成及有害氣體排放量。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2011年我國新能源汽車銷量僅為0.816萬輛，而截至2020年年底，全國新能源汽車保有量達492萬輛，占汽車總量的1.75%。僅2020年，新能源汽車銷量為136.7萬輛；新能源汽車增量連續(xù)三年超過100萬輛，呈持續(xù)高速增長趨勢。《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》指出，到2025年，新能源汽車新車銷售量達到汽車新車銷售總量的20%左右，到2035年，純電動汽車成為新銷售車輛的主流。新能源汽車已經(jīng)成為公路上不可忽略的參與者。

目前看來，小客車中新能源汽車的占比已經(jīng)逐步擴大，尤其是一些限牌的一線城市；貨車也有電動化的趨勢，但是取代的基本是一些輕型貨車，重型貨車的能源仍以柴油為主。而且隨著續(xù)航能力的提升、服務區(qū)充電樁建設的逐步鋪開，未來新能源汽車的行駛半徑將會逐步擴大，更多地出現(xiàn)在公路隧道中。因此，工可交通量統(tǒng)計中未考慮電動汽車占有率，設計細則中僅根據(jù)各車型中柴油發(fā)動機、汽油發(fā)動機的比例進行隧道通風計算，容易造成需風量計算值偏大，提高前期建設成本以及后期運營成本。而新能源汽車的發(fā)展，也讓2030年后公路上的煙塵及CO排放量繼續(xù)降低成為可能。

2.3 阻滯段的選取及計算

較長的山嶺隧道通常采用“人”字坡設計，短隧道可用單向坡。“人”字坡一方面可以避免重車在隧道行駛時長期處于下坡狀態(tài)，減少制動距離，提升安全系數(shù)，一方面可以使洞內(nèi)的積水有效地排出隧道。但“人”字坡隧道煙氣的蔓延更復雜，有害氣體通常在“人”字坡坡頂形成積聚，達到最高值。

《公路隧道通風設計細則》中，對于長度>1 000 m的隧道，建議阻滯段計算長度≤1 000 m，高速公路阻滯段的行車速度≤30 km/h。因不同坡度對應的考慮煙塵的縱坡-車速系數(shù)fiv(VI)和考慮CO的縱坡-車速系數(shù)fiv(CO)有較大區(qū)別，上坡路段的系數(shù)大于下坡路段，因此進行通風計算時，阻滯段的選擇應首選上坡路段，即假設阻滯發(fā)生在上坡路段時，會產(chǎn)生該隧道當前時速下的最大需風量。如有條件，隧道土建專業(yè)與隧道機電專業(yè)可以進行協(xié)同設計，避免因隧道坡度導致行車時產(chǎn)生過多的有害氣體。

然而，因為隧道內(nèi)風機雖然通常分兩段或三段布設，但都是為整條隧道服務的，所以在計算隧道需風量時，雖然設定阻滯段為1 000 m，但阻滯段外仍應考慮正常工況行車，隧道阻滯段外的部分長度可按時速40 km/h進行需風量計算。

3 結(jié)語

高速公路隧道運營的安全與環(huán)保節(jié)能是一項至關重要的工程，與時俱進的設計理念、不斷完善的體系標準和節(jié)能各項措施是不斷推動高速公路隧道建設和運營發(fā)展的關鍵因素。本文通過對高速公路隧道通風系統(tǒng)的探討，研究當前標準體系下隧道通風系統(tǒng)設計需完善的地方，基于通風設計過程中的數(shù)據(jù)分析，提出更為完善的控制設計方案，以便更好地總結(jié)實踐經(jīng)驗，完善隧道通風系統(tǒng)技術，推動高速公路隧道通風設計向安全合理、節(jié)能環(huán)保的目標發(fā)展，為精細化、節(jié)約化高速公路運營管理提供理論支撐。