高速公路特長隧道通風系統設計相關問題探討

廣東飛達交通工程有限公司 / 曾廣財

引言

通風系統設計是高速公路特長隧道運行管理中的重點內容，對于隧道內的能見度、衛生情況、安全性等產生直接影響；尤其是長度超過6km的隧道，通風更是成為其中的關鍵。因此，為了能夠適應復雜條件下特長高速公路隧道的運行要求，需要掌握隧道通風系統設計的要點。這也是本文研究的重點內容。

一、高速公路特長隧道通風系統設計的要點

（一）需風量計算分析

在高速公路特長隧道正常運行期間，通風系統有助于保證隧道內的空氣流動，而為了滿足正常的運行要求，則需要按照公式（1）展開運算。

根據公式（1）所介紹的內容，以一個長度為10km的高速公路隧道，假設隧道的上下坡度均為4%，設計的隧道混合車流達到了3000，同時根據國內技術標準來計算各種污染物的變化，可按照不同車輛的占比來進行劃分。具體為：（1）客車占比超過50%時隧道的需風量約為730；（2）當小型車輛的占比超過50%時，則隧道的需風量約為240。

（二）風阻計算

隧道條件下，風阻成為車輛運行的重要影響因素，其阻力包括沿程阻力以及局部阻力等。一般高速公路的隧道為直線模式，其沿程阻力計算方法如公式（2）所示。

而在部分特殊情況下，高速公路的隧道無法保證百分百豎直；而當隧道屬于曲線狀態下，則風阻產生變化，其計算公式如公式（3）所示。

二、隧道的通風系統設計方法

（一）工程項目簡介

某高速公路的全長約為156km，其隧道按照山嶺高速公路標準設計，采用了4車道平行的模式，其設計車速為80km/h，全長度達到了7.02km。該隧道的左線為長上坡隧道，坡度約為3.09%；右線為長下坡隧道，坡度約為-1.52%。

（二）需風量的分析

根據該高速公路的功能定位以及周圍城市發展情況，預測該隧道未來的交通量較大，可能出現嚴重的隧道內污染問題。為了能夠有效解決這一問題，則需要在滿足隧道安全運營的基礎上，控制隧道通風系統規模，提高經濟效益。同時根據現場的調查結果可知，隧道內的污染物（如CO）等濃度的升高會影響交通正常運行，并且高速公路也可能因為其他因素影響而出現交通堵塞等問題，在隧道內堵塞的車輛可能排放更多的污染氣體。所以針對這一實際情況，結合上文公式所介紹的內容展開驗算后，所結算的結果如表1所示。

表1 隧道需風量計算（）

表1 隧道需風量計算（）

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同時考慮到案例隧道的特殊結構，其不同縱坡對上坡隧道的需風量有直接影響，在分別按照0.5%、1.0%、1.5%、2.0%以及2.5%的坡度來計算需風量后，計算出隧道不同坡度的需風量變化處于989.67-1966.72的區間內。從研究結果可知，隨著上坡道坡度增加，對應的需風量也有顯著提升。其原因可能為：隨著縱坡的增加，汽車發動機在運行過程中所需要的燃油量也有明顯提升；加之發動機燃燒效率下降，這些現象最終會造成尾氣排放量明顯升高。所以針對這一結果可以認為，在高速公路特征隧道設計中，關于縱坡的優化與控制成為提高通風系統運行質量的重要影響因素。因此在通風系統設計過程中，需要結合風阻等內容展開進一步判斷，所以在設計中需要關注的內容包括：（1）作為長上坡隧道，為了稀釋有害氣體，因而需風量更大，并且隨著時間的推移，根據表1的資料可知，遠期2030年隧道的需風量有進一步上升，所以應按照遠期需風量的標準來優化通風系統結構。（2）在隧道的下坡地段，結合近期與遠期的各種交通工具排放情況，其稀釋煙霧以及滿足人體安全的需風量明顯小于上坡段隧道，所以在設計中應嚴格按照隧道的需風量為標準值進行設計。

（三）影響因素分析

針對需風量不平衡的情況，在設計期間必須要對下坡段以及上坡段的通風方式做差異化分析。其中的重點內容包括：（1）上坡隧道的最大需風量對應隧道內的風速為15.3m/s，在未達到該標準的情況下應采用縱向通風的方法，保證行車安全并提升通風的經濟效益。（2）下坡隧道的最大需風量對應隧道內的風速為7.5m/s，在未達到標準值的情況下可通過純射流風速機做縱向通風。（3）針對高速通路的特殊情況（如隧道內的車禍、火災等），單向大長縱坡會造成火災產生煙霧的“煙囪效應”，這一現象會進一步提高煙霧排放難度，所以在設計中應嚴格控制排煙距離。

（四）通風方案的設計

針對案例特長高速公路隧道的實際情況，提出兩種通風系統方案。具體內容為：

方案一，采用單斜井送排風縱向通風系統。該設計方案在左線隧道外增設通風斜井以及地下機房，在位置選擇上考慮以下問題：（1）應盡量貼近單向坡隧道的中心點位置，確保能夠向兩側輸送均衡的風量；（2）在滿足任何車輛爬行能力的基礎上，應進一步控制斜井的長度。

在設計中考慮到斜井送排風軸流風機與調壓射流風機之間存在匹配關系，并且通過提高排風量可以進一步改善隧道內的風量與風速情況，這種設計方法有助于進一步優化隧道內調壓射流風機的數量，但是需要注意的是，斜井通風斷面面積的提升必然會增加工程量，所以在考慮經濟性原則的基礎上，設定中排風量為620m3/s。

方案二，為雙豎井送排縱向通風方法。該設計方案是分別設置一個通風豎井，其中左洞在正常運營期間需通過雙豎井送排的縱向通風方法，同時排風風排與風機兼做火災發生時的排煙裝置，在排煙口并聯后即可滿足隧道的排煙需求。在該設計方案中，射流風機的臺數分別為：出洞口至1號豎井有40臺，豎井之間有射流風機32臺，2號豎井直至進洞口有34臺。

（五）對排煙方案的比較

為了進一步評估兩種設計方法合理性，本文通過選擇相關項目展開對比分析。詳細的對比結果為：

1.從通風機電系統的建設規模來看，方案一中射流風機臺數共有78臺，單臺通風機的運行功率為45kW-1，通風系統的總裝機功率為7110kW。而在方案二中，射流風機臺數共有106臺，單臺通風機的運行功率為45kW-1，通風系統的總裝機功率為7450kW。

2.從施工影響來看，方案一采用的斜井施工方法較為常見，整體施工難度低，并且能夠承擔起主洞出渣的要求，有助于縮短施工工期，在采用方案一時預計總施工周期約為7個月。在采用方案二時，豎井施工難度高，并且該方法對主洞工期無影響。

3.兩種通風設計方案的經濟指標比較，方案一的土建費用＋設備費用＝4640＋1640＝6280（萬元），后期運營費用約為830萬元。而在方案二中，土建費用＋設備費用＝3187＋1730＝4917（萬元），后期的運營管理費用約為870萬元。

4.防火防災對比來看，方案一中采用了兩個火災分區，因此組織控制的難度較低；在方案二中共設置了三個火災分區，具體布局為二主一備，排煙效果好，但是后期的控制更加復雜。

在綜合上述四個指標展開對比后，其中可以發現兩個通風設計方案各有優勢，但是綜合對比來看，方案一雖然早期的成本投入更多，但是后期的運營管理費用少，再加之管理難度大，施工過程對于主洞也有積極影響，所以在最終設計方案中，選擇了單斜井送排風縱向通風系統。

（六）特長高速公路隧道通風系統設計的反思

對案例高速公路隧道項目的經驗進行研究，我們會發現隧道兩端的需風量在數據上存在明顯的差異。其中上坡隧道明顯大于下坡隧道，這是設計中需要重點考慮的問題。同時從運營通風方式來看，單斜井送排風縱向通風系統的出現具有可行性。很顯然，該方法進一步改善隧道主風道內的風速至經濟風速區間，提高通風效果。而就火災通風來看，可考慮將上坡隧道的排風風道做進一步的延伸，并且對通風系統中的排風風機也給予特殊情況下排煙要求的充分考慮，有助于縮短排煙距離，保證通風效果。

三、結語

在高速公路特長隧道通風系統設計中，設計人員應嚴格按照隧道的實際情況優化通風系統結構。結合本文的研究可知，案例項目在采用單斜井送排風縱向通風系統方面會具有更高的經濟效益，并且系統結構簡單，所需要的設備數量更少，而且工程項目的施工難度也更低，且輔之以更簡單、多火災分區控制方案，避免因某分區受損而無法達到排煙效果，有助于煙氣以及其他污染物的排放，是一種科學的通風系統設計方案，值得推廣。