廣東飛達(dá)交通工程有限公司 / 曾廣財

引言

通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計是高速公路特長隧道運行管理中的重點內(nèi)容，對于隧道內(nèi)的能見度、衛(wèi)生情況、安全性等產(chǎn)生直接影響；尤其是長度超過6km的隧道，通風(fēng)更是成為其中的關(guān)鍵。因此，為了能夠適應(yīng)復(fù)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(fēng)系統(tǒng)設(shè)計的要點。這也是本文研究的重點內(nèi)容。

一、高速公路特長隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計的要點

（一）需風(fēng)量計算分析

在高速公路特長隧道正常運行期間，通風(fēng)系統(tǒng)有助于保證隧道內(nèi)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(jù)公式（1）所介紹的內(nèi)容，以一個長度為10km的高速公路隧道，假設(shè)隧道的上下坡度均為4%，設(shè)計的隧道混合車流達(dá)到了3000，同時根據(jù)國內(nèi)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)量約為730；（2）當(dāng)小型車輛的占比超過50%時，則隧道的需風(fēng)量約為240。

（二）風(fēng)阻計算

隧道條件下，風(fēng)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(dāng)隧道屬于曲線狀態(tài)下，則風(fēng)阻產(chǎn)生變化，其計算公式如公式（3）所示。

二、隧道的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)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(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，采用了4車道平行的模式，其設(shè)計車速為80km/h，全長度達(dá)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(fēng)量的分析

根據(jù)該高速公路的功能定位以及周圍城市發(fā)展情況，預(yù)測該隧道未來的交通量較大，可能出現(xiàn)嚴(yán)重的隧道內(nèi)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(chǔ)上，控制隧道通風(fēng)系統(tǒng)規(guī)模，提高經(jīng)濟效益。同時根據(jù)現(xiàn)場的調(diào)查結(jié)果可知，隧道內(nèi)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(xiàn)交通堵塞等問題，在隧道內(nèi)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(jié)合上文公式所介紹的內(nèi)容展開驗算后，所結(jié)算的結(jié)果如表1所示。

表1 隧道需風(fēng)量計算（）

表1 隧道需風(fēng)量計算（）

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同時考慮到案例隧道的特殊結(jié)構(gòu)，其不同縱坡對上坡隧道的需風(fēng)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(fēng)量后，計算出隧道不同坡度的需風(fēng)量變化處于989.67-1966.72的區(qū)間內(nèi)。從研究結(jié)果可知，隨著上坡道坡度增加，對應(yīng)的需風(fēng)量也有顯著提升。其原因可能為：隨著縱坡的增加，汽車發(fā)動機在運行過程中所需要的燃油量也有明顯提升；加之發(fā)動機燃燒效率下降，這些現(xiàn)象最終會造成尾氣排放量明顯升高。所以針對這一結(jié)果可以認(rèn)為，在高速公路特征隧道設(shè)計中，關(guān)于縱坡的優(yōu)化與控制成為提高通風(fēng)系統(tǒng)運行質(zhì)量的重要影響因素。因此在通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計過程中，需要結(jié)合風(fēng)阻等內(nèi)容展開進一步判斷，所以在設(shè)計中需要關(guān)注的內(nèi)容包括：（1）作為長上坡隧道，為了稀釋有害氣體，因而需風(fēng)量更大，并且隨著時間的推移，根據(jù)表1的資料可知，遠(yuǎn)期2030年隧道的需風(fēng)量有進一步上升，所以應(yīng)按照遠(yuǎn)期需風(fēng)量的標(biāo)準(zhǔn)來優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。（2）在隧道的下坡地段，結(jié)合近期與遠(yuǎn)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(fēng)量明顯小于上坡段隧道，所以在設(shè)計中應(yīng)嚴(yán)格按照隧道的需風(fēng)量為標(biāo)準(zhǔn)值進行設(shè)計。

（三）影響因素分析

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

（四）通風(fēng)方案的設(shè)計

針對案例特長高速公路隧道的實際情況，提出兩種通風(fēng)系統(tǒng)方案。具體內(nèi)容為：

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

在設(shè)計中考慮到斜井送排風(fēng)軸流風(fēng)機與調(diào)壓射流風(fēng)機之間存在匹配關(guān)系，并且通過提高排風(fēng)量可以進一步改善隧道內(nèi)的風(fēng)量與風(fēng)速情況，這種設(shè)計方法有助于進一步優(yōu)化隧道內(nèi)調(diào)壓射流風(fēng)機的數(shù)量，但是需要注意的是，斜井通風(fēng)斷面面積的提升必然會增加工程量，所以在考慮經(jīng)濟性原則的基礎(chǔ)上，設(shè)定中排風(fēng)量為620m3/s。

方案二，為雙豎井送排縱向通風(fēng)方法。該設(shè)計方案是分別設(shè)置一個通風(fēng)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(fēng)方法，同時排風(fēng)風(fēng)排與風(fēng)機兼做火災(zāi)發(fā)生時的排煙裝置，在排煙口并聯(lián)后即可滿足隧道的排煙需求。在該設(shè)計方案中，射流風(fēng)機的臺數(shù)分別為：出洞口至1號豎井有40臺，豎井之間有射流風(fēng)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(shè)計方法合理性，本文通過選擇相關(guān)項目展開對比分析。詳細(xì)的對比結(jié)果為：

1.從通風(fēng)機電系統(tǒng)的建設(shè)規(guī)模來看，方案一中射流風(fēng)機臺數(shù)共有78臺，單臺通風(fēng)機的運行功率為45kW-1，通風(fēng)系統(tǒng)的總裝機功率為7110kW。而在方案二中，射流風(fēng)機臺數(shù)共有106臺，單臺通風(fēng)機的運行功率為45kW-1，通風(fēng)系統(tǒng)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(dān)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(yù)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(fēng)設(shè)計方案的經(jīng)濟指標(biāo)比較，方案一的土建費用＋設(shè)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(shè)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(zāi)對比來看，方案一中采用了兩個火災(zāi)分區(qū)，因此組織控制的難度較低；在方案二中共設(shè)置了三個火災(zāi)分區(qū)，具體布局為二主一備，排煙效果好，但是后期的控制更加復(fù)雜。

在綜合上述四個指標(biāo)展開對比后，其中可以發(fā)現(xiàn)兩個通風(fēng)設(shè)計方案各有優(yōu)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(shè)計方案中，選擇了單斜井送排風(fēng)縱向通風(fēng)系統(tǒng)。

（六）特長高速公路隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計的反思

對案例高速公路隧道項目的經(jīng)驗進行研究，我們會發(fā)現(xiàn)隧道兩端的需風(fēng)量在數(shù)據(jù)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(shè)計中需要重點考慮的問題。同時從運營通風(fēng)方式來看，單斜井送排風(fēng)縱向通風(fēng)系統(tǒng)的出現(xiàn)具有可行性。很顯然，該方法進一步改善隧道主風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)速至經(jīng)濟風(fēng)速區(qū)間，提高通風(fēng)效果。而就火災(zāi)通風(fēng)來看，可考慮將上坡隧道的排風(fēng)風(fēng)道做進一步的延伸，并且對通風(fēng)系統(tǒng)中的排風(fēng)風(fēng)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(fēng)效果。

三、結(jié)語

在高速公路特長隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計中，設(shè)計人員應(yīng)嚴(yán)格按照隧道的實際情況優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。結(jié)合本文的研究可知，案例項目在采用單斜井送排風(fēng)縱向通風(fēng)系統(tǒng)方面會具有更高的經(jīng)濟效益，并且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，所需要的設(shè)備數(shù)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(zāi)分區(qū)控制方案，避免因某分區(qū)受損而無法達(dá)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(xué)的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計方案，值得推廣。