李偉平 呂俊平 馮 勁 郭 霄 鄭國(guó)平

(浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司1) 杭州 31006) (浙江臨金高速公路有限公司2) 杭州 310024) (浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院3) 杭州 310014)

0 引 言

隧道作為相對(duì)封閉的人造空間，車輛行駛過程中將排放大量的污染物，包括顆粒物(尤其是小粒子PM10，PM2.5)、氣態(tài)一次污染物(CO，NOx，SO2，THC等)及氣態(tài)二次污染物(O3等).這些污染物不僅影響司乘人員健康及行車視線，而且對(duì)隧道洞口居住區(qū)的空氣質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面作用.為此，常常需要設(shè)置龐大的機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)來加大換氣量并降低上述污染物濃度，比如，18.02 km長(zhǎng)的秦嶺終南山通風(fēng)系統(tǒng)規(guī)模達(dá)11 274 kW，10 km長(zhǎng)的泥巴山隧道通風(fēng)系統(tǒng)規(guī)模達(dá)6 500 kW.浙江省運(yùn)營(yíng)中的幾座特長(zhǎng)隧道通風(fēng)設(shè)施規(guī)模同樣龐大(蒼嶺隧道7.6 km，4 580 kW；雙峰隧道6.2 km，3 510 kW；括蒼山隧道7.9 km，5 095 kW；西周嶺隧道6.8 km，4 040 kW).

然而，通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)際使用率卻很低.根據(jù)歐盟國(guó)家的統(tǒng)計(jì)，通風(fēng)系統(tǒng)占隧道總安裝功率的44%，但實(shí)際營(yíng)運(yùn)功率僅占16%；而照明系統(tǒng)占隧道總安裝功率的15%，但實(shí)際營(yíng)運(yùn)功率超過50%[1-2].國(guó)內(nèi)的情況類似，西南交通大學(xué)對(duì)四川雅西高速泥巴山隧道、重慶水武路隧道群、陜西包茂高速秦嶺終南山隧道和包家山隧道、山西太古高速西山隧道和上平高速虹梯關(guān)隧道的機(jī)電設(shè)施運(yùn)營(yíng)情況進(jìn)行過調(diào)研.這些隧道均采用了豎(斜)井分段縱向通風(fēng)模式，除包家山隧道外，其余隧道一期工程均設(shè)置了軸流風(fēng)機(jī).其中泥巴山和終南山隧道每天定時(shí)開啟射流及軸流風(fēng)機(jī)，其余隧道視環(huán)境情況，由人工判斷開啟，開啟時(shí)間并不多，而且有限次數(shù)的定時(shí)開啟主要是為了檢測(cè)其運(yùn)行狀況.

另一方面，與文獻(xiàn)[3]相比，文獻(xiàn)[4]降低了汽車尾氣基準(zhǔn)排放量，提高了隧道內(nèi)通風(fēng)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)和拖掛車的“考慮煙塵的柴油車車型系數(shù)”，明確了各類車輛的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)比例.這些調(diào)整導(dǎo)致了按稀釋煙塵濃度的需風(fēng)量較老規(guī)范提高約30%，通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)施規(guī)模隨之增大，因此，如何降低通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)施規(guī)模，減少設(shè)備閑置是降低工程全壽命成本的源頭因素.Shou[5]針對(duì)臺(tái)灣某長(zhǎng)大隧道進(jìn)行分析，提出利用自然通風(fēng)可提供至少10%之通風(fēng)需求，但這一結(jié)論因隧道而異，有一定的局限性；互補(bǔ)式通風(fēng)對(duì)單向坡隧道有較好的適用性，王亞瓊等[6-7]研究了互補(bǔ)式通風(fēng)模式的設(shè)計(jì)方法；湖北省滬蓉高速公路上長(zhǎng)5.9 km的大別山隧道已嘗試采用該通風(fēng)模式[8]；另外，從設(shè)備選型角度，采用新型的香蕉形射流風(fēng)機(jī)[9]、變頻調(diào)速器、動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)[10]及自動(dòng)捕風(fēng)排風(fēng)裝置等[11-12]也是提高通風(fēng)系統(tǒng)集約化水平的有效手段.建設(shè)中的杭州-紹興-臺(tái)州高速公路(簡(jiǎn)稱杭紹臺(tái)高速公路)特長(zhǎng)隧道眾多，工程造價(jià)高、通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度大，以此為依托介紹特長(zhǎng)隧道通風(fēng)系統(tǒng)集約化設(shè)計(jì)的理念和措施.

1 工程概況

杭紹臺(tái)高速公路是浙江公路交通“十二五”規(guī)劃中新建和預(yù)備建設(shè)高速公路中里程最長(zhǎng)的高速公路，工程路線全長(zhǎng)170.18 km，起點(diǎn)紹興齊賢，終點(diǎn)臨海括蒼，總投資約360億元.全線長(zhǎng)度超過5 km的隧道有3座：陳家山隧道(5 954 m)、鏡嶺隧道(5 527 m)和大盤山隧道(8 695 m).這些隧道在初步設(shè)計(jì)階段均推薦采用豎井分段送排式通風(fēng)模式，設(shè)置地面或地下風(fēng)機(jī)房用于安裝大型軸流風(fēng)機(jī).施工圖設(shè)計(jì)階段開展了節(jié)能專項(xiàng)設(shè)計(jì)工作以優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì).

2 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)施規(guī)模集約化的措施

2.1 利用交通活塞風(fēng)量

汽車在管狀隧道中行駛形成的活塞效應(yīng)帶動(dòng)空氣隨著汽車行車方向流動(dòng)而產(chǎn)生的風(fēng)量稱之為“交通活塞風(fēng)”.按照流體力學(xué)能量守恒定理，通過求解隧道內(nèi)交通通風(fēng)力=通風(fēng)阻抗力時(shí)所對(duì)應(yīng)的風(fēng)量即可以求得交通活塞風(fēng)量.文獻(xiàn)[13-14]對(duì)影響交通活塞風(fēng)的因素開展過敏感性分析，其中影響最大的是車速，交通流量和隧道長(zhǎng)度的影響程度較小，尤其是后者.這為特長(zhǎng)隧道利用交通活塞風(fēng)實(shí)現(xiàn)無動(dòng)力通風(fēng)提供了理論依據(jù).

以陳家山隧道為例，算得了遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)交通量情況下、不同工況車速下，以及不同交通量情況下、正常行駛車時(shí)(80 km/h)的交通活塞風(fēng)量、左右洞需風(fēng)量，見圖1.由圖1可知，交通活塞風(fēng)量完全能滿足下坡隧道的通風(fēng)需要，對(duì)于上坡隧道，通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置的重點(diǎn)是彌補(bǔ)需風(fēng)量與交通活塞風(fēng)量之間的缺口.

圖1 陳家山隧道不同車速和交通量時(shí)的交通活塞風(fēng)量與需風(fēng)量對(duì)比圖

2.2 采用互補(bǔ)式通風(fēng)模式

互補(bǔ)式通風(fēng)模式的理念是將相鄰左、右洞聯(lián)通起來，用下坡隧道中相對(duì)清潔的空氣去稀釋上坡隧道中相對(duì)污濁的空氣，從而實(shí)現(xiàn)左右洞通風(fēng)負(fù)荷的均衡.經(jīng)過換氣后，隧道內(nèi)污染濃度較低的氣流與上坡隧道內(nèi)污染濃度相對(duì)較高的氣流混合，污染物濃度增加；而上坡隧道內(nèi)的高污染空氣濃度則下降.在兩條隧道的出口端，污染物的濃度均達(dá)到最大，但均應(yīng)小于污染濃度臨界值.

這種通風(fēng)方式有一定的適用條件，包括兩條隧道的間距不能過小，能夠有條件在隧道間開通橫洞用于構(gòu)建雙洞換氣系統(tǒng)；兩條隧道的通風(fēng)負(fù)荷有較大差異(大于1.5倍)；兩條隧道的通風(fēng)總風(fēng)量不大于其最大允許通風(fēng)量之和，且小于其交通活塞風(fēng)量之和才經(jīng)濟(jì).

根據(jù)需風(fēng)量和交通活塞風(fēng)量計(jì)算結(jié)果，陳家山隧道、鏡嶺隧道均滿足上述條件，因此，正常營(yíng)運(yùn)的通風(fēng)模式優(yōu)化為互補(bǔ)式通風(fēng)，保留的豎井僅用于火災(zāi)時(shí)排煙，見圖2.

圖2 陳家山隧道和鏡嶺互補(bǔ)式風(fēng)道布置圖

2.3 降低主隧道內(nèi)風(fēng)速

大盤山隧道遠(yuǎn)期需風(fēng)量分別為519.17 m3/s(右線)和1 420.60 m3/s(左線)，大于兩條隧道的最大允許通風(fēng)量之和，因此，仍推薦采用雙豎井分段送排式通風(fēng)模式.同時(shí)，擬定了兩種方案：方案A(見圖3)是盡量利用豎井送排風(fēng)，主洞內(nèi)風(fēng)量維持在交通活塞風(fēng)左右；方案B是盡量增加主隧道進(jìn)口的風(fēng)量，從而降低豎井內(nèi)的風(fēng)量和軸流風(fēng)機(jī)功率.根據(jù)兩方案的同深度比較，方案A的通風(fēng)能耗大大低于方案B，原因在于主洞內(nèi)風(fēng)量的提高，需要增加相應(yīng)的射流風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)壓，見表1.

圖3 大盤山隧道雙豎井送排通風(fēng)模式方案A氣流組織圖

2.4 與照明系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計(jì)

上坡隧道內(nèi)的煙塵特別多且不易消散，隧道照明系統(tǒng)既要考慮光線的穿透性能，也要考慮由于煙塵反射而造成的亮度損失.而隧道通風(fēng)則是降低煙霧濃度的有效手段，可見照明節(jié)能和通風(fēng)節(jié)能之間存在一定的矛盾.另一方面，在設(shè)計(jì)單位，供配電、隧道通風(fēng)和隧道照明往往是三個(gè)相互獨(dú)立的專業(yè)，缺乏有效的溝通協(xié)作，如何協(xié)調(diào)通風(fēng)和照明兩個(gè)專業(yè)達(dá)到最佳的節(jié)能效果值得探討.

表1 不同方案下的通風(fēng)設(shè)備功率對(duì)比表

以陳家山隧道為例，如果全程采用LED燈，則煙塵設(shè)計(jì)濃度K按照文獻(xiàn)[4]取為0.005 0，導(dǎo)致所需通風(fēng)設(shè)備數(shù)量較大.為此，提出一種根據(jù)通風(fēng)煙霧濃度按需配置照明燈具類型的設(shè)計(jì)方法，即出口末端濃度超標(biāo)段約1 370 m改用色溫較低、光線穿透力強(qiáng)的高壓鈉燈，則通風(fēng)煙塵設(shè)計(jì)濃度K可取0.006 5，需風(fēng)量接近交通活塞風(fēng)量(見圖4)，通風(fēng)設(shè)備數(shù)量減少，通風(fēng)照明系統(tǒng)總安裝功率明顯降低，見表2.

表2 不同布燈方式下的通風(fēng)+照明總能耗對(duì)比 kW

圖4 不同光源對(duì)應(yīng)的需風(fēng)量及活塞風(fēng)量

綜合上述隧道在近遠(yuǎn)期的正常行車工況、緩速通行工況、交通阻滯工況和火災(zāi)排煙工況，確定了通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)施規(guī)模見表3.

3 結(jié) 束 語

在杭紹臺(tái)高速公路特長(zhǎng)隧道通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能專項(xiàng)設(shè)計(jì)過程中，綜合采取充分利用交通活塞風(fēng)、積極采用互補(bǔ)式通風(fēng)模式、盡力降低主隧道內(nèi)風(fēng)速、推進(jìn)與照明系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計(jì)等四項(xiàng)技術(shù)措施，優(yōu)化了通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其中陳家山隧道和鏡嶺隧道正常運(yùn)營(yíng)通風(fēng)改用互補(bǔ)式通風(fēng)模式，火災(zāi)時(shí)仍采用豎井分段縱向排煙模式，大盤山隧道優(yōu)化了主風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)速.以上措施的采用有效降低了通風(fēng)系統(tǒng)安裝功率，為減少今后運(yùn)營(yíng)期間的設(shè)備閑置和運(yùn)營(yíng)能耗打下良好基礎(chǔ).

表3 優(yōu)化前后的通風(fēng)系統(tǒng)規(guī)模