新屋基特長隧道互補式網絡通風方案研究

何曉東 HE Xiao-dong；鄭麗華 ZHENG Li-hua；李紅 LI Hong；金鑫 JIN Xin

（①中信建設有限責任公司，北京 100010；②四川資陽臨空產業新城建設開發有限公司，資陽 641300）

0 引言

公路隧道通風是為了維護隧道內的空氣質量和在火災等緊急情況下排放煙氣，從而保障行車和人員安全。在滿足隧道規范規定的相關標準前提下，通風方式和控制方法的選擇將極大的影響隧道初期投資及建成后的運營成本。且在隧道設計時，設計人員在綜合考慮地形、地質等因素下，往往將隧道設計成帶有一定坡度的單向坡隧道，這樣有利于施工和運營期間水的排放。在隧道中，坡度的存在會導致上下行車輛排放的污染物濃度有較大的差異。即使在上下行的車流量和車型完全相同的情況下，通常情況下，上坡一側的隧道車輛排放的污染物量會大于下坡一側的隧道車輛排放的污染物量，為確保上下行隧道內的污染物濃度限值都到達相關規范的要求和標準，上行一側的隧道通風負荷將大于下行一側隧道的通風負荷。在公路隧道建設的實踐過程中，設計人員和科研人員對雙洞單向交通公路隧道通風負荷的不均勻性進行了研究，并提出了雙洞互補式通風方式。這種通風方式能夠有效發揮下坡隧道的通風潛力，減少通風資源的浪費，并且可以大幅度縮減隧道通風系統的規模，從而降低后期的運營費用。胡彥杰等（2011）對大別山隧道采用網絡式互補通風進行了相關的分析研究；姜同虎等（2019）對多種隧道通風方式進行了分析比較，得出了各自的優劣，經論證，采用網絡式互補通風方式具有很大的經濟價值；王亞瓊等（2015）對隧道采用網絡式互補通風方式的適用性進行了分析；夏豐勇等（2012，2015）通過數值模擬和物理模型等手段對特長公路隧道雙洞網絡互補式通風進行分析研究，給出了該通風方式的理論計算公式以及適用條件。

本文依托新屋基隧道工程，在綜合考慮自然風和各特征年車型比例構成等相關因素下，對近遠期設計方案設計風量、通風系統安裝范圍和通風換氣量等的確定進行了相關計算，結果表明，網絡式互補通風方案適用于單坡隧道。誠然，隨著新能源汽車戰略的實施和推進，可以預測隧道內的污染物排放量將下降，網絡式互補通風將更能發揮其優勢。

1 工程概況

新屋基特長隧道是重慶沿江高速公路的控制性工程，為雙向四車道分離式隧道，左右洞測設線相距18～30m。左線長6002m；右線長6015m。設計時速80km/h。設計為1.970%的單向縱坡。

2 通風設計相關參數

2.1 通風計算參數

扣除各種設備風阻物（見表1）后隧道有效過風面積：四車道為62.71m2，當量直徑：8.2m。

表1 隧道風阻物

2.2 交通量與交通組成

根據工程可行性研究報告提供的數據，該隧道的近期交通量為40194 輛/天，遠期交通量為51138 輛/天。交通組成詳見表2。在計算中，取K=10.05%，D=0.55。

表2 各特征年車型比例構成預測（%，當量交通量）

2.3 需風量計算（表3）

表3 新屋基隧道各工況下的計算需風量 單位：m3/s

根據《重慶市隧道通風照明供配電指導意見修訂本》的要求，新屋基隧道設置了完善的交通監控系統。當平均行車速度低于30km/h 時，管理機構需充分發揮交通監控系統的功能，對交通實施管制。因此，隧道通風系統的設計不以交通阻塞作為控制工況。設計需風量按照行車速度進行確定，行車速度以表3 所示每10km/h 為一檔。同時考慮阻滯狀態、稀釋空氣異味和火災等工況下的需風量，取其最大值為設計需風量。

3 互補式網絡通風基本原理

互補式網絡通風基本原理是利用縱向通風結合雙向換氣系統將兩條隧道連接起來，形成一個整體進行內部相互通風換氣。通過將一條隧道內富余的新風量與另一條隧道內新風量不足的情況相互補充，可以確保兩條隧道內的空氣質量均能夠滿足通風要求。（如圖1）。

圖1 雙向互補式網絡通風系統效果圖

在雙洞互補式網絡通風系統的作用下，污染物濃度的分布大致如圖2 所示。左線隧道內的氣流經過雙向換氣系統后，與右線隧道內污染濃度較高的氣流進行交換，導致污染濃度顯著增加。而右線隧道經過雙洞互補式網絡通風系統后，污染濃度有一定比例的下降。在兩條隧道的出口端，污染物濃度均達到最大值，但仍低于污染濃度限制值。如果不采用雙洞互補式網絡通風系統，右線隧道內的污染物濃度在隧道后半段可能會超出限制值，通風系統無法確保隧道內的空氣質量。而左線隧道內的污染物最大濃度遠低于限制值，說明通風過度，造成電力浪費。

圖2 污染物濃度分簡圖

4 近遠期設計方案

4.1 設計風量的確定

依據互補式網絡通風原理，為了確保左線隧道內的空氣污染濃度不超過限制值，需要利用左線隧道內的風機來提供不足的風量。因此，左線隧道的設計風量需要大于其需風量。假設兩條隧道的污染物最大濃度都等于限制值，則左、右線隧道的設計風量之間存在以下關系：

QL=（qL+qR）-QR，由表3 可得。

近期：qL+qR=806.3m3/s。安全起見，總設計風量設定為820m3/s。根據需求，左線最大需風量為150.92m3/s，右線最大需風量為655.11m3/s。通過大量的試算，當左右線的設計風量相等時，這將是最經濟合理的網絡通風方案。

即QL=QR=410m3/s VL=VR=6.54m/s

遠期：qL+qR=931m3/s。安全起見，總設計風量設定為940m3/s。根據需求，左線最大需風量為176.48m3/s，右線最大需風量為756.12m3/s。通過大量的試算，當左右線的設計風量相等時，這將是最經濟合理的網絡通風方案。

即QL=QR=470m3/s VL=VR=7.5m/s

4.2 通風系統安裝范圍的確定

確定互補式換氣系統的位置非常關鍵。如果不能將其安裝在適當的位置，互補式換氣系統將無法發揮最佳效果，甚至可能對整個隧道通風系統產生不利影響。為了確定合理的安裝范圍，需要根據通風基本原理，并綜合考慮各種影響因素。圖3 為安裝范圍示意圖，其中兩條粗實線表示未安裝雙向換氣系統時左、右線隧道內的污染物濃度分布。確定Lm的計算式可依據公路隧道通風基本理論列出以下計算式：

圖3 安裝范圍示意圖

同理Ln可根據污染物濃度相等的原則，列出以下計算式可得到：

近期設計風量的網絡通風安裝范圍如下：

遠期設計風量的網絡通風安裝范圍如下：

4.3 互補式網絡通風換氣量的確定

假定兩條橫通道內的空氣流量和換氣量相等以及隧道出口處污染物濃度相等的原則，可求得雙向換氣系統交換的空氣流量Qh1 和Qh2。見下式：

因此，

由此可得出近遠期通風橫通道交換風量變化圖（圖4和圖5）。

圖4 通風橫通道交換風量變化圖

圖5 通風橫通道交換風量變化圖

（其中，近期：qL＝150.92m3/s、qR＝655.11m3/s、QL=QR=410m3/s、LR=6015m、LL=6002m；遠期：qL＝176.48m3/s、qR＝756.12m3/s、QL=QR=470m3/s、LR＝6015m、LL6002m）

由圖4 和圖5 可知，通風橫通道的設計風量隨著通風橫通道系統在允許安裝范圍內向右移動而逐漸增大。為了減小通風橫通道的設計風量，可以將通風橫通道安裝在允許安裝范圍的最左端。根據已經設置的人行、車行橫洞位置以及隧道內圍巖情況綜合考慮，通風橫通道的理想位置是離右線隧道入口約3700m 處，并且考慮了漏風量。近期通風橫通道的設計風量為240m3/s，遠期通風橫通道的設計風量為260m3/s。

5 結論與建議

新屋基隧道左線近、遠期是稀釋異味情況下所需風量最大，為313.67m3/s（換氣3 次），右線近、遠期是稀釋煙霧情況下所需風量最大，分別為655.11m3/s、756.12m3/s。左右線近、遠期通風負荷比分別為2.09、2.41；左右線相距40m左右，有設置通風換氣條件，且左右線總需風量不超標，采用網絡式互補通風方案具有可行性。不論從技術的角度，還是從經濟的角度比左線采用全縱向通風方案和右線采用送排式分段通風方案都有很大的優勢。經過多次試算，近遠期互補式通風橫通道設置在距行車方面右線入口3700m 是合適的，并且近遠期通風橫通道交換風量相差不大（近期交換風量240m3/s，遠期交換風量260m3/s），采用互補式網絡通風方案交換風量可不分近遠期，統一交換風量為260m3/s?？梢哉雇氖请S著新能源汽車的大力推廣與普及，隧道內的車輛污染物排放將會隨之下降，網絡式互補通風方案的優勢將更一步突顯。采用互補式網絡通風方案，能夠滿足隧道正常運營通風，但缺點是排煙通道只能利用主洞，距離較長，如何能在確保安全的前提下通過其他途徑適當減少排煙區段長度，確?；馂臅r逃生和救援、消防作業安全，還需進一步深入的研究。