張國(guó)彬

（河北省高速公路張涿張家口管理處，河北 張家口075600）

0 引言

特長(zhǎng)隧道在山區(qū)公路建設(shè)中已越來(lái)越普遍，隧道運(yùn)營(yíng)期間污染物累積和火災(zāi)事故的危險(xiǎn)性亦呈上升趨勢(shì)，而通風(fēng)排煙技術(shù)是保證隧道正常運(yùn)行的關(guān)鍵措施，相應(yīng)通風(fēng)費(fèi)用也在逐年增加，某些特長(zhǎng)隧道的通風(fēng)費(fèi)用已超過總費(fèi)用的50%[1]。如何優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、降低運(yùn)營(yíng)通風(fēng)費(fèi)用已成為公路隧道節(jié)能降耗、綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的迫切需要[2-6]。

本文結(jié)合張家口至涿州高速公路分水嶺特長(zhǎng)隧道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及隧址區(qū)地理氣候條件，在現(xiàn)行《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 026.1—1999）相關(guān)條文的基礎(chǔ)上做出相應(yīng)的修正[3-7]，進(jìn)而提出分水嶺隧道運(yùn)營(yíng)期優(yōu)化的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并為類似情況下特長(zhǎng)公路隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 分水嶺隧道概況

張（家口）—涿（州）高速公路分水嶺特長(zhǎng)隧道為上、下行獨(dú)立雙洞六車道分離式隧道，隧址區(qū)屬山嶺重丘區(qū)，地形較復(fù)雜，洞口處為巖石地貌，溝壑發(fā)育。山體總體呈西北—東南走向。隧道左、右線平均海拔標(biāo)高分別為1 131.86m 和1 130.29m，最高海拔為1 065.6m，最低海拔為908.2m，相對(duì)高差157.4m。該區(qū)域地處暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年平均降雨量為408.7mm，7 月平均最高氣溫為22.0℃，1 月平均最低氣溫為-11.0℃，季節(jié)性凍土深度為0.96m。隧道右線全長(zhǎng)6 798m，左線全長(zhǎng)6 890.71m。隧道設(shè)計(jì)行車速度為100km/h，左、右線縱斷面線形均設(shè)計(jì)為降坡，坡度均為-1.5%。左、右線通風(fēng)斷面面積分別為100.55m2和100.23m2，當(dāng)量直徑分別為9.68m 和9.66m。隧道夏、冬季設(shè)計(jì)氣溫分別為295K（22℃）和262K（-11℃）。

2 分水嶺隧道運(yùn)營(yíng)期通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 交通組成與工況分析

分水嶺隧道工可報(bào)告提供的分水嶺隧道預(yù)測(cè)交通量和預(yù)測(cè)車型分配比例分別如表1、表2所示。

表1 分水嶺隧道預(yù)測(cè)交通量（單位：pcu/d）

表2 分水嶺隧道預(yù)測(cè)車型分配比例

據(jù)表1 提供的數(shù)據(jù)和通常習(xí)慣，可將2015 年作為近期設(shè)計(jì)年限，將2030 年作為遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)年限，故分水嶺隧道的近、遠(yuǎn)期交通量按小客車計(jì)算分別為：24 899pcu/d和54 182pcu/d。

根據(jù)交通運(yùn)輸部規(guī)劃設(shè)計(jì)院對(duì)我國(guó)公路交通量的調(diào)查，公路高峰小時(shí)交通量一般為年平均晝夜交通量的12%左右。本設(shè)計(jì)也以平均晝夜交通量的12%作為高峰小時(shí)小客車交通量，并考慮單洞的不平衡系數(shù)為1.1。

工可報(bào)告中沒有提及分水嶺隧道所在路段的柴油車和汽油車分車型比例及總比例，根據(jù)中國(guó)汽車技術(shù)中心和原機(jī)械工業(yè)部汽車工業(yè)司聯(lián)合編制的《中國(guó)汽車工業(yè)年鑒》，中型貨車中柴油車與汽油車的比例近1∶1，大型客車全為柴油車，小型客車全為汽油車。本設(shè)計(jì)將大型貨車視為100%柴油車，小型貨車視為100%汽油車。

綜合上述分析可得分水嶺隧道混合車型高峰小時(shí)交通量分車型構(gòu)成表（見表3）。由表3 可知，分水嶺隧道柴油車比率為60.7%～62.2%，符合本工程所在段經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r和交通組成的區(qū)域特征。分水嶺隧道左線行車方向縱坡為+1.5%，同時(shí)上坡長(zhǎng)度近7 000m，從表3還可看出，大型車比例超過了50%，根據(jù)實(shí)際調(diào)查，在這種條件下，車流最大行車速度應(yīng)為80km/h。

表3 分水嶺隧道混合車型高峰小時(shí)交通量分車型構(gòu)成表（單位：輛/h）

從目前全國(guó)高速公路營(yíng)運(yùn)情況來(lái)看，幾乎不存在自然阻滯的情況，且分水嶺隧道近、遠(yuǎn)期高峰小時(shí)交通量均較《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 026.1—1999）中“各工況車速的適應(yīng)交通量”中規(guī)定的要小，根據(jù)《交通工程手冊(cè)》對(duì)高速公路服務(wù)水平的規(guī)定，在設(shè)計(jì)車速為80～100km/h時(shí)，其服務(wù)水平為四級(jí)（即交通流由擁擠逐步轉(zhuǎn)化為阻塞狀態(tài)），對(duì)應(yīng)的車速為45km/h?？紤]到分水嶺隧道將裝備完善的監(jiān)控系統(tǒng)，通風(fēng)設(shè)計(jì)中將隧道內(nèi)車輛以30～50 km/h 行駛的工況下視為慢速狀態(tài)，而將20km/h 和10km/h 作為交通阻滯工況下的設(shè)計(jì)車速。

2.2 隧道需風(fēng)量計(jì)算

2.2.1 換氣次數(shù)n

規(guī)范規(guī)定換氣次數(shù)“交通量較小或特長(zhǎng)隧道可采用每小時(shí)3～4次”[2]。特長(zhǎng)隧道內(nèi)的異味消除相對(duì)短隧道困難，理應(yīng)加大不間斷換氣頻率。單《規(guī)范》規(guī)定特長(zhǎng)公路隧道的不間斷換氣次數(shù)可采用每小時(shí)3～4 次?；诙趟淼罁Q氣次數(shù)應(yīng)低于特長(zhǎng)隧道換氣次數(shù)的現(xiàn)實(shí)，《規(guī)范》中規(guī)定“隧道空間不間斷換氣頻率，不宜低于每小時(shí)5次”有標(biāo)準(zhǔn)過高的嫌疑，下面分析換氣次數(shù)的確定方法。

由狀態(tài)空間法建立描述隧道內(nèi)污染物濃度隨時(shí)間t逐時(shí)變化的數(shù)學(xué)模型為式（1）：

式中：θ為隧道內(nèi)的模擬污染濃度；η為時(shí)間的積分變量；q為隧道內(nèi)一切污染源污染物的產(chǎn)生量；λ為狀態(tài)空間法中隧道的空間特征值向量；φ為采樣后各個(gè)影響因素對(duì)污染物濃度的影響系數(shù)。

將自然風(fēng)、交通風(fēng)及機(jī)械通風(fēng)對(duì)隧道內(nèi)污染物的稀釋作用也用狀態(tài)空間法建立類似的數(shù)學(xué)模型，見式（2）：

式中：θ′為隧道內(nèi)通風(fēng)作用對(duì)隧道內(nèi)污染物濃度的降低量；qN為通風(fēng)作用對(duì)污染物的稀釋量；其他參數(shù)同上。

此時(shí)隧道內(nèi)污染物的濃度可以表示為式（3）：

由此送入隧道中的新鮮空氣量為式（4）：

假設(shè)單位新鮮風(fēng)量對(duì)污染物濃度的稀釋作用為ζ，換氣對(duì)污染物濃度降低作用可以定義為式（5）：

假定隧道內(nèi)的衛(wèi)生條件達(dá)到無(wú)異味時(shí)隧道內(nèi)污染物濃度為θs。通過通風(fēng)和換氣措施后隧道內(nèi)污染物濃度≤θs，則認(rèn)為達(dá)到了隧道內(nèi)無(wú)異味的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

由式（6）可以推得換氣次數(shù)為：

由式（7）可知，隧道每小時(shí)換氣次數(shù)n與隧道的橫斷面面積、隧道長(zhǎng)度、污染源（主要是車輛）排放污染物的情況（即與隧道內(nèi)交通量的大小及交通結(jié)構(gòu)組成有關(guān)）以及選擇的通風(fēng)方式等因素有關(guān)，可見小時(shí)換氣次數(shù)n是這些因素的函數(shù)。

上述確定換氣次數(shù)公式的各參數(shù)較難確定，通過調(diào)研秦嶺1 號(hào)公路隧道和包家山特長(zhǎng)公路隧道，推薦每小時(shí)換氣次數(shù)取3次。

綜上，參照現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定并結(jié)合分水嶺特長(zhǎng)隧道實(shí)際情況，制定分水嶺特長(zhǎng)隧道不同工況下的通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)，見表4。

表4 分水嶺特長(zhǎng)隧道不同工況下的通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)

2.2.2 控制風(fēng)量

根據(jù)表4的通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合分水嶺隧道實(shí)際情況，計(jì)算得到該隧道各計(jì)算特征年左、右線全長(zhǎng)需風(fēng)量，見表5、6。

表5 左線隧道全長(zhǎng)需風(fēng)量（單位：m3/s）

表6 右線隧道全長(zhǎng)需風(fēng)量（單位：m3/s）

由表5、6 可知，分水嶺隧道右線近期控制需風(fēng)量由換氣（稀釋異味）需風(fēng)量控制，遠(yuǎn)期控制需風(fēng)量由稀釋煙霧的需風(fēng)量控制；隧道左線需風(fēng)量仍然是稀釋煙霧所需風(fēng)量遠(yuǎn)大于稀釋CO 需風(fēng)量、阻滯工況及火災(zāi)工況下的需風(fēng)量，在近、遠(yuǎn)期稀釋煙霧的需風(fēng)量均是隧道左線的控制風(fēng)量。

2.3 分水嶺隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)配置

2.3.1 左、右線通風(fēng)方式

根據(jù)規(guī)范“單向交通的隧道設(shè)計(jì)風(fēng)速不宜大于10m/s”的規(guī)定，由表5、表6可以算得分水嶺隧道在近、遠(yuǎn)期計(jì)算需風(fēng)量的條件下左線風(fēng)速均大于10m/s，右線小于10m/s，故右線近、遠(yuǎn)期可采用全射流縱向式通風(fēng)，隧道左線由于洞內(nèi)風(fēng)速偏高導(dǎo)致射流風(fēng)機(jī)效率下降，采用豎井送排式與射流風(fēng)機(jī)組合通風(fēng)方式較為合理。

2.3.2 自然風(fēng)風(fēng)阻

隧道自然風(fēng)阻力目前多依照規(guī)范直接取vn為2～3m/s 進(jìn)行計(jì)算，將自然風(fēng)完全視為不利通風(fēng)情況考慮。這種處理方式夸大了自然風(fēng)的不利作用，而忽略了自然風(fēng)的有利作用。小河至安康高速公路上的包家山特長(zhǎng)公路隧道（左線長(zhǎng)11 200m、右線長(zhǎng)11 195m）的實(shí)測(cè)結(jié)果證實(shí)了上述現(xiàn)象的存在。自2006 年12 月14 日開始連續(xù)3d 對(duì)隧道左線內(nèi)自然風(fēng)速進(jìn)行不間斷現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，每隔40 min 左右讀數(shù)一次，隧道右線3#、15#、28#測(cè)點(diǎn)的部分實(shí)測(cè)結(jié)果見圖1。

圖1 包家山特長(zhǎng)隧道風(fēng)速監(jiān)測(cè)圖

以本次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試為例（見表7），如果在通風(fēng)設(shè)計(jì)中計(jì)算自然風(fēng)阻Δpm時(shí)自然風(fēng)速采用-2～-3m/s，既夸大了12 月份隧道左線內(nèi)自然風(fēng)的不利作用，又嚴(yán)重忽略了隧道右線內(nèi)自然風(fēng)的有利作用。

表7 實(shí)測(cè)值與規(guī)范推薦值比較（以左線為例）

Δpm的計(jì)算依賴于vn的確定，隧道內(nèi)自然風(fēng)速vn由以下原因產(chǎn)生：

（1）由隧道各進(jìn)出口的超凈壓差Δpj產(chǎn)生；

（2）由隧道內(nèi)外因空氣密度變化引起的熱位差hr引起。

分水嶺隧道工可報(bào)告中沒有給出一年四季隧道所在區(qū)域的各風(fēng)向頻率，可按式（8）、式（9）計(jì)算：

式中：ρ為空氣密度；vN洞外自然風(fēng)速，取3m/s；ρt隧道內(nèi)空氣的平均密度；ρd為隧道外空氣的平均密度；Z為隧道進(jìn)、出口的設(shè)計(jì)高程差。

隧道內(nèi)熱位差產(chǎn)生的主要原因是隧洞內(nèi)、外空氣存在溫度差異，致使空氣密度不同。冬季隧道洞內(nèi)溫度高于洞外溫度時(shí)，即洞內(nèi)空氣密度小于外界空氣密度，洞外空氣呈現(xiàn)從低洞口流入，并將洞內(nèi)空氣從高洞口推出的趨勢(shì)，即浮升效應(yīng)；反之，夏季洞內(nèi)溫度低于洞外溫度時(shí)，洞內(nèi)空氣呈現(xiàn)從高洞口流入，低洞口流出的趨勢(shì)，即沉降效應(yīng)。

在冬季，蒙古高原的南部經(jīng)常發(fā)生強(qiáng)大的反氣旋。我國(guó)的東北、華北（分水嶺隧道所在區(qū)域）、華東、華南分別處于反氣旋的東方和東南方，所以上述各地冬季盛行風(fēng)向均偏北，但各地相對(duì)于反氣旋中心的位置不同，風(fēng)向偏北的角度有所區(qū)別，分水嶺隧道所處的華北地區(qū)冬季盛行風(fēng)向在北和西北之間。夏季的我國(guó)氣壓場(chǎng)形勢(shì)和冬季相反，各地盛行風(fēng)向變成以偏南至東南為主。

2.3.3 隧道右線風(fēng)機(jī)配置

對(duì)分水嶺右線而言，夏季熱位差形成的自然風(fēng)和行車方向一致，超凈壓差形成的自然風(fēng)和行車方向相反；冬季熱位差形成的自然風(fēng)和行車方向相反，超凈壓差形成的自然風(fēng)和行車方向一致。

分水嶺隧道洞內(nèi)的自然風(fēng)阻Δpm=Δpj+hr，計(jì)算的結(jié)果見表8。參數(shù)ρt和ρd參考該地區(qū)的類似工程測(cè)試結(jié)果及當(dāng)?shù)貧庀筚Y料選取。

表8 冬、夏二季分水嶺隧道右線洞內(nèi)自然風(fēng)阻計(jì)算表

根據(jù)表8所示的冬、夏二季自然風(fēng)阻的計(jì)算結(jié)果，右線風(fēng)機(jī)配置情況見表9。

表9 分水嶺隧道右線全射流通風(fēng)風(fēng)機(jī)配置量

火災(zāi)發(fā)生時(shí)，按隧道洞內(nèi)控制風(fēng)速v=3.0m/s計(jì)，火風(fēng)壓按洞內(nèi)空氣溫升Δt=5℃考慮，重新計(jì)算洞內(nèi)空氣密度，將火風(fēng)壓考慮在自然風(fēng)阻Δpm內(nèi)（火風(fēng)壓是在具有坡度的隧道中，由于火災(zāi)前后風(fēng)流密度與煙流密度的差異而引起的自然風(fēng)壓增量。對(duì)隧道而言，火風(fēng)壓相當(dāng)于安設(shè)在其中的一系列具有相同能量的輔助通風(fēng)機(jī)，具有推動(dòng)或阻礙煙流流動(dòng)的作用，沿下坡方向，火風(fēng)壓對(duì)煙氣流起推動(dòng)作用，故將其計(jì)入風(fēng)阻），全射流通風(fēng)計(jì)算的各主要參數(shù)見表10。

表10 隧道右線火災(zāi)工況下風(fēng)機(jī)設(shè)置量

由表10 可知，右線火災(zāi)排煙需要的射流風(fēng)機(jī)數(shù)量為10 臺(tái)，正常工況設(shè)置的風(fēng)機(jī)量能滿足火災(zāi)工況下的排煙需求，無(wú)須額外配置射流風(fēng)機(jī)用于通風(fēng)防災(zāi)。設(shè)置于右線YK50+20 處的斜井排煙通道將隧道右線劃分成兩個(gè)排煙段，即從隧道張家口端進(jìn)洞口到斜井排煙口為排煙Ⅰ段，從斜井排煙口到隧道涿州端出洞口為排煙Ⅱ段。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在排煙Ⅰ段時(shí)，利用火源上游的射流風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的新鮮氣流，使煙氣從與左線的排風(fēng)通道相連的排煙口排出，防止煙氣進(jìn)一步向下游蔓延；當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在排煙Ⅱ段時(shí)，利用配置在斜井排煙口下游的射流風(fēng)機(jī)將煙氣流從隧道出口排出，此時(shí)無(wú)須開啟斜井排煙口，避免煙氣流大幅回流，影響火災(zāi)上游車輛和人員的疏散。根據(jù)上述分析知，近期18 臺(tái)可逆射流風(fēng)機(jī)其中10 臺(tái)配置于進(jìn)口端，8 臺(tái)配置出口端，即斜井排煙口下游[8]。

2.3.4 隧道左線單斜井送排式縱向通風(fēng)風(fēng)機(jī)配置

分水嶺隧道交通量較大，大型柴油車比例偏高，且長(zhǎng)上坡距離較遠(yuǎn)，致使煙霧排放量大，稀釋煙霧需風(fēng)量大。由上表5可知，分水嶺隧道左線稀釋煙霧所需風(fēng)量遠(yuǎn)大于稀釋CO 的需風(fēng)量，成為隧道左線的控制風(fēng)量，近、遠(yuǎn)期稀釋煙霧需風(fēng)量高達(dá)1 090.8 0m3/s 和1 750.50 m3/s，以此進(jìn)行風(fēng)機(jī)配置，配置結(jié)果如下：近期設(shè)置射流風(fēng)機(jī)50 臺(tái)、軸流風(fēng)機(jī)4臺(tái)（軸流送風(fēng)機(jī)2臺(tái)、軸流排風(fēng)機(jī)兼排煙機(jī)2 臺(tái)），遠(yuǎn)期再增加軸流風(fēng)機(jī)4 臺(tái)（軸流送風(fēng)機(jī)2臺(tái)、軸流排風(fēng)機(jī)兼排煙機(jī)2臺(tái)）。

3 結(jié)論

（1） 換氣次數(shù)與隧道中稀釋異味空氣需風(fēng)量直接相關(guān)，應(yīng)在廣泛調(diào)研條件類似隧道通風(fēng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，盡可能降低換氣次數(shù)，避免通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)冗余度過大，造成不必要的浪費(fèi)。

（2）自然風(fēng)在一些季節(jié)表現(xiàn)出的有利通風(fēng)的情況在通風(fēng)設(shè)計(jì)中值得積極利用。將之完全視為通風(fēng)阻力不盡合理，應(yīng)充分調(diào)研隧址區(qū)多年氣象條件，因勢(shì)利導(dǎo)地加以利用，減少隧道運(yùn)營(yíng)期通風(fēng)費(fèi)用，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

（3） 分水嶺隧道左線稀釋煙霧的需風(fēng)量遠(yuǎn)大于稀釋CO的需風(fēng)量時(shí)，可根據(jù)隧道內(nèi)煙霧濃度分布情況在合適位置設(shè)置1 處或數(shù)處?kù)o電吸塵裝置濾除汽車尾排氣中的煙塵，降低稀釋煙霧的需風(fēng)量，減小風(fēng)機(jī)配置規(guī)模，這是進(jìn)一步優(yōu)化特長(zhǎng)隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的另一途徑，應(yīng)展開深入研究。

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