多匝道城市道路隧道通風設計關鍵問題研究

張華廷，毛偉

（中機中聯(lián)工程有限公司，重慶 400039）

0 引言

交通擁堵問題給人們的出行以及社會經(jīng)濟的發(fā)展造成了巨大影響，提升城市道路互聯(lián)互通水平、便捷道路間切換效率已成為趨勢。多匝道隧道是實現(xiàn)城市道路互聯(lián)互通的重要技術措施，近年來正悄然興起。多匝道城市道路隧道如圖1所示，由一條主線隧道銜接多個分支隧道（匝道隧道），作為一種新形式的隧道，目前國內(nèi)對其通風設計的研究還相對較少。李俊梅等[1]借助IDA RTV隧道通風模擬軟件對某多匝道城市地下道路縱向排煙系統(tǒng)的運行進行了優(yōu)化研究；陽東等[2]針對某一多分支隧道的防排煙工況，利用理論分析建立了各種氣流模式的控制方程，通過數(shù)學方法獲得了理論解；傅瓊閣等[3]搭建了1:10的包含多匝道的隧道模型，對城市隧道出口匝道氣流組織形式進行了試驗研究；陳玉遠[4]以某一實際工程為例，介紹了SES模擬軟件在多匝道公路隧道通風系統(tǒng)中的應用；王艷等[5]采用SES軟件對某一具體工程的通風系統(tǒng)進行了模擬，優(yōu)化了通風系統(tǒng)運行模式。總體來講，目前的研究還主要集中在排煙理論問題和通風模擬軟件的應用上，而對通風工程設計的系列可操作性關鍵問題尚未明晰，如適宜通風方式的選擇、通風量計算、不同通風方案下風機動力與通風阻力匹配的問題，各匝道隧道與主線隧道之間的水力平衡問題等。

圖1 多匝道城市道路隧道范例

1 多匝道城市道路隧道特征與適宜通風方案

1.1 多匝道城市道路隧道特征

從通風設計的角度來看，多匝道城市道路隧道具有以下幾方面的特征。

（1）匝道長度短。匝道隧道主要起銜接作用，長度較短，一般在1000m以內(nèi)。

（2）速度多樣。多匝道隧道的速度至少兩種以上，主線隧道的車速一般為40~60km/h，匝道隧道的速度一般為主線隧道速度的40%~70%。

（3）單向交通為主。就目前所能統(tǒng)計的項目而言，其交通形式以單向交通為主，極少數(shù)為雙向交通。

（4）交通量日變化幅度大。城市公路隧道交通量日變化具有早高峰與晚高峰特性，如圖2所示，高峰時段交通量特別大，其余時段交通量明顯較小。

圖2 某城市隧道交通量日分布圖

（5）以輕型車為主。文獻[7]對位于重慶市區(qū)的兩條公路隧道的通行車型比例進行了實測，實測數(shù)據(jù)詳見表1，數(shù)據(jù)表明城市公路隧道的車型中輕型車占據(jù)主導地位。

表1 城市隧道車型比例實測數(shù)據(jù)

1.2 多匝道城市道路隧道的通風方式

自然通風在隧道工程中的適用面相對較窄，本文只討論機械通風。隧道通風技術發(fā)展至今，其機械通風的基本通風方式有如圖3所示的種類，組合通風方式有縱向組合式、縱向+半橫向通風方式、縱向+集中排煙式。20世紀70年代以前，國外特長隧道基本上采用半橫向式通風或者橫向式通風，20世紀70年代以后，特長隧道基本上采用縱向式通風。從國內(nèi)外特長公路隧道的通風方式發(fā)展規(guī)律來看，有向分段式縱向通風發(fā)展的趨勢。在我國，目前新建或即將建設的特長隧道，均采用分段縱向通風，即通風井送排式+射流風機的組合形式，縱向通風方式已成為長大隧道通風方式的主流[8]。

圖3 隧道通風基本方式

多匝道城市道路隧道具有多個分支隧道，主線隧道與各分支隧道均有各自的長度、交通量以及其他特性，均需匹配相應的通風量。顯然洞口集中送入式與通風井集中排出式無法在各隧道之間進行風量分配，必然會產(chǎn)生一部分隧道風量過剩而另外一部分隧道風量不足的現(xiàn)象，因此洞口集中送入式與通風井集中排出式不適用于多匝道城市道路隧道。

吸塵式通風通過吸收隧道內(nèi)煙塵，以減少隧道通風量。煙塵由柴油車產(chǎn)生，只有當柴油車達到一定的比例后，采用吸塵式通風才能減少隧道通風量，而如前文所述，城市公路隧道的車型以小型車為主，柴油車較少。此外，目前國內(nèi)對隧道空氣凈化系統(tǒng)僅停留在試驗室研究階段，尚無相關成熟的大型空氣凈化設備，更沒有工程應用實例[9]。因此，吸塵式通風系統(tǒng)也不適用于多匝道城市道路隧道。

綜合上述分析，適用于多匝道城市道路隧道的基本通風方式僅為全射流式與通風井送排式，這兩種通風方式具有較強的靈活性，能夠與多匝道城市道路隧道的特征相匹配。

1.3 多匝道城市道路隧道的通風方案

圖5 分流模型-1

圖6 合流模型-2

圖7 分流模型-2

為了便于討論，將圖1所示的多匝道城市道路隧道簡化為圖4—圖9所示的模型。《公路隧道通風設計細則》（簡稱“設計細則”）指出通風井送排式宜與射流風機組合使用，基于前文對通風方式的討論，提出如表2所示的適用于多匝道城市道路隧道的通風方案。

圖4 合流模型-1

圖9 分流模型-3

表2 通風方案

2 風量計算

2.1 設計參數(shù)取值

設計細則提供了傳統(tǒng)單線型隧道的設計參數(shù)取值，對于多匝道隧道未提及。根據(jù)設計細則，正常交通情況下，煙塵設計濃度取值主要與光源種類和設計行車速度有關，CO的設計濃度取值主要取決隧道長度。概言之，光源種類、設計行車速度、隧道長度是影響設計濃度取值的三項因素。

對于設計參數(shù)取值，設計上存在兩種處理方式：一種是將主線隧道和匝道隧道視為整體，按同一標準進行確定；另一種是將主線隧道和匝道隧道分別視為獨立的隧道，按照各自的光源種類、設計行車速度、隧道長度進行確定。光源種類在同一隧道中，無論是主線隧道還是匝道隧道都是同一種光源。主線隧道和匝道隧道二者是聯(lián)通的，將其分別視為完全獨立的隧道不符合實際，因此第一種方式更為合理，同時第一種方式也有利于簡化通風量的計算。

2.2 風量計算

從通風水力是否相關的角度，可將表2中提出的三種方案劃分為水力相關型通風方案和水力無關型通風方案，表中的第一種方案與第二種方案屬于主線隧道與匝道隧道通風水力無關型方案，即各隧道之間的通風量計算以及相應的水力計算均不相互影響，第三種方案屬于水力相關型方案。對于水力無關型方案的通風量，將主線隧道與各匝道隧道分別當作獨立隧道，按照設計細則上的方法計算即可。

對于水力相關型方案即方案三（圖8、圖9），隧道進風（對應分流型隧道）或出風（對應合流型隧道）均由一個洞口進或者出，主線隧道與匝道隧道相互交織影響，顯然不能將各匝道隧道的通風量簡單相加得出主線隧道的通風量，因此，整個隧道的總風量如何確定，各個匝道內(nèi)的通風量又該如何確定，需要進一步研究。針對這些問題，本文提出“需風量逐次比例分配法”，即先根據(jù)隧道污染物排放總量計算隧道總通風量，然后根據(jù)各匝道隧道污染排放量占其上游（合流時）或下游（分流時）的污染物比例計算各匝道隧道通風量。以圖8、圖9所示的模型為例，其具體計算步驟如表3所示。

高速鐵路運輸是一種新型的交通運輸方式，對我國交通運輸結(jié)構有著重大影響，促進交通業(yè)轉(zhuǎn)型。目前高鐵的客流運輸極大地改善了我國的交通運輸情況，促進我國向高速運輸時代邁進。京滬線高鐵的運營對民航業(yè)帶來了一定程度的影響，目前要根據(jù)旅客出行方式具體情況進行分析研究，協(xié)調(diào)二者的發(fā)展。

圖8 合流模型-3

表3 需風量逐次比例分配法計算步驟示例

2.2.1 總通風量計算

通風的目的在于將隧道內(nèi)的污染物濃度控制在一定限值的范圍內(nèi)，因此總風量應該與總污染物排放量相匹配。以圖8、圖9所示的模型為例，將匝道隧道與主線隧道之間的連接點作為分斷點，將整個隧道分成5段，則相應的計算可按式（1）—式（4）進行：

式中：QVIZ——隧道煙塵排放總量（m2/s）；QVI1~5——各段隧道煙塵排放量（m2/s），按細則進行計算；QCOZ——隧道CO排放總量（m2/s）；QCO1~5——各段隧道CO排放量（m2/s），按細則進行計算；Qreq(VI)Z——隧道稀釋煙塵的需風總量（m3/s）；Qreq(CO)Z——隧道稀釋CO的需風總量（m3/s）；K——煙塵設計濃度（m-1）；δ——CO濃度；p0——標準大氣壓（kN/m2）；p——隧址大氣壓（kN/m2）；T0——標準氣溫（K）；T——隧址夏季氣溫（K）。

2.2.2 各段隧道通風量計算

各段隧道通風量按式（5）—式（9）進行計算：

式中：QreqZ——隧道需風總量（m3/s），煙塵或CO的需風總量；Qreq1~5——各段隧道通風量（m3/s）；QPO1~5——各段隧道污染物排放量，煙塵（m2/s）或者CO（m3/s）。

對于匝道數(shù)量在2條以上的隧道，可參照上述方法進行類推計算。

火災排煙時，隧道運行應遵循如下原則：

（1）首先關閉整個隧道，禁止后續(xù)車輛駛?cè)耄?/p>

（2）主線隧道發(fā)生火災時，排煙僅從主線隧道排出。對于合流型多匝道隧道，當主線隧道發(fā)生火災時，匝道隧道射流風機按正常運轉(zhuǎn)方向運行。對于分流型多匝道隧道，當主線隧道發(fā)生火災時，匝道隧道射流風機反轉(zhuǎn)運行；

（3）對于合流型多匝道隧道，當匝道發(fā)生火災時，火災煙氣沿著車流方向通過主線隧道排出去；對于分流型多匝道隧道，當匝道發(fā)生火災時，火災煙氣沿著車流方向通過匝道隧道排出去。

根據(jù)縱向排煙風速不小于火災臨界風速，并按排煙路徑中最大隧道截面尺寸進行計算。射流風機選型與數(shù)量設置應同時滿足通風需求和排煙需求，通過對射流風機進行臺數(shù)控制、變頻控制、正反轉(zhuǎn)控制（對于匝道隧道）實現(xiàn)不同工況下動力需求匹配。

3 水力平衡

水力無關型通風方案，主線隧道與匝道隧道通風完全獨立，只需將各隧道的風機動力與該隧道段所需風量下的總阻力相匹配就能實現(xiàn)水力平衡達到所需風量。

對于水力相關型通風方案，則存在水力失衡的風險。要化解此風險，應處理好兩方面的問題：一方面要充分發(fā)揮射流風機的靈活性，根據(jù)風壓需求，設計時合理配置射流風機的型號大小與數(shù)量，以提升風機選型對系統(tǒng)通風阻力的適應能力；另一方面從通風系統(tǒng)整體角度考慮，處理好設于各段隧道內(nèi)的射流風機組之間的通風阻力分配問題。以圖8所示的射流風機布置方案為例（圖中風機數(shù)量僅為示意），布置于第3、5段的射流風機可只考慮第3、5段各自的通風阻力，但對于第2段，由于未布置風機，其通風阻力應分攤到其他段的射流風機上，在此案例中第2段的通風阻力應分配給布置于第1、4段的射流風機，因此布置于第1、4段的射流風機不僅需要承擔自身所在段的阻力，還需要承擔第2段的通風阻力。處理好上述兩方面的問題，則可一定程度實現(xiàn)各段隧道間的水力平衡。

4 結(jié)論

綜合全文分析討論，可以得出以下結(jié)論：

（1）多匝道城市道路隧道具有匝道長度短、速度多樣、單向交通為主、交通量變化日變化幅度大的特征，適合采用全射流式、通風井送排式的通風方式；

（2）水力相關型通風方案的通風量計算，可采用“需風量逐次比例分配法”，即先根據(jù)隧道污染物排放總量計算隧道總通風量，然后根據(jù)各匝道隧道污染排放量占其上游（合流時）或下游（分流時）的污染物比例計算各匝道隧道通風量；

（3）合理確定射流風機的型號大小與數(shù)量，合理分配各段隧道射流風機組所承擔的通風阻力，可一定程度實現(xiàn)多匝道城市道路隧道的水力平衡。