魏 杰

（山西昔榆高速公路有限公司，山西 晉中 030616）

0 引言

公路隧道運(yùn)營過程中，車輛行駛會(huì)在隧道洞內(nèi)產(chǎn)生大量廢氣，加之隧道內(nèi)空間相對封閉，空氣流通受限，導(dǎo)致行車的安全性及舒適性受到嚴(yán)重影響。設(shè)計(jì)過程中需采取有效措施控制和減少隧道內(nèi)CO等各種有害氣體及煙霧的濃度，為司乘人員及養(yǎng)護(hù)維修人員的身體健康提供保障。目前，短隧道一般采用自然通風(fēng)；特長隧道需要采用機(jī)械通風(fēng)，通過設(shè)置1座或多座斜豎井來滿足通風(fēng)或施工進(jìn)度要求。在特長公路隧道通風(fēng)計(jì)算中均以機(jī)械通風(fēng)為主，將自然風(fēng)壓作為不利因素，但實(shí)際運(yùn)營過程中，自然風(fēng)在很大程度上對隧道通風(fēng)是有利的[1-4]。因此，通風(fēng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)結(jié)合隧道所處地域的地形、地貌，以及氣候季節(jié)特點(diǎn)，對隧道運(yùn)營后如何科學(xué)合理地利用自然風(fēng)進(jìn)行研究，將自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)相結(jié)合以滿足隧道通風(fēng)的設(shè)計(jì)要求。

本文以汾陽至邢臺(tái)高速公路左權(quán)-和順（省界）段的云山隧道為例，對特長公路隧道引入自然風(fēng)進(jìn)行通風(fēng)節(jié)能計(jì)算分析。云山隧道設(shè)計(jì)為分離式隧道，設(shè)計(jì)行車速度80 km/h，隧道全長11 377 m（右線）/11 408 m（左線），左右線間距30～35 m，為特長隧道，是項(xiàng)目的重點(diǎn)控制性工程。通風(fēng)方案采取一豎井+三斜井方案。

1 隧道洞內(nèi)自然風(fēng)速理論計(jì)算

隧道右線進(jìn)出口高差153 m，有一處豎井、一處斜井。對無豎井及有豎井兩種情況下超靜壓差、熱位差及洞內(nèi)自然風(fēng)風(fēng)量（速）計(jì)算。

1.1 有豎井和無豎井超靜壓差對比

表1 無豎井超靜壓差作用

表2 有豎井超靜壓差作用

1.2 隧道有無豎井作用效果的對比

通風(fēng)量計(jì)算數(shù)據(jù)如表3、表4。

表3 隧道無豎井作用計(jì)算數(shù)據(jù)

表4 隧道有豎井作用計(jì)算數(shù)據(jù)

通過比較有無豎井隧道計(jì)算結(jié)果，可以看出在同樣的洞內(nèi)外溫度條件下，有豎井隧道內(nèi)各區(qū)段的風(fēng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無豎井隧道內(nèi)的風(fēng)量。因此，可以得知當(dāng)隧道存在豎井時(shí)，溫差作用下產(chǎn)生的熱位差對洞內(nèi)的風(fēng)流影響很大，不僅改變隧道內(nèi)各段的風(fēng)量，還改變風(fēng)流的方向。

2隧道自然風(fēng)豎井直徑及豎井位置的確定

2.1 自然風(fēng)井?dāng)嗝娴拇_定

計(jì)算不同直徑的豎井內(nèi)的通風(fēng)量和風(fēng)速，如表5所示。

表5 不同直徑的豎井內(nèi)的通風(fēng)量和風(fēng)速

根據(jù)以上計(jì)算可知，自然風(fēng)豎井直徑越大，豎井內(nèi)自然風(fēng)速就越大，但是當(dāng)豎井直徑達(dá)到3 m后，風(fēng)速增長趨于平緩（如圖2所示）。

圖1 云山隧道斜豎井平面布置圖

圖2 豎井直徑與風(fēng)速關(guān)系圖

因此在考慮提高自然風(fēng)利用率，減少主隧道自然風(fēng)阻，以及豎井經(jīng)濟(jì)性的情況下，建議采用直徑為4 m以下的通風(fēng)豎井作為引入自然風(fēng)的豎井。本文取直徑3 m的自然風(fēng)井作為斷面直徑，斷面形式取圓形，見圖 3、圖 4。

圖3 豎井與隧道主洞聯(lián)接處斷面示意圖

圖4 自然風(fēng)豎井及聯(lián)絡(luò)風(fēng)道斷面尺寸圖（單位：cm）

豎井與隧道主洞之間距離盡可能近，豎井與主隧道之間用45°的聯(lián)絡(luò)風(fēng)道聯(lián)接，減小洞口損失，聯(lián)絡(luò)風(fēng)道斷面采用馬蹄形[5-7]。

2.2 自然風(fēng)井位置的選擇

對于右線，從隧道入口處到1號(hào)豎井處距離較長，大約4 500 m，已接近規(guī)范規(guī)定分段式通風(fēng)每段的極限長度；且右線本來就是處于上坡側(cè)，在大型貨車頻繁出入的云山隧道將產(chǎn)生大量煙霧和廢氣，這需要很多射流風(fēng)機(jī)來稀釋。在施工條件及造價(jià)允許的情況下，為保證風(fēng)量和風(fēng)速平衡，考慮在此通風(fēng)段中部選擇豎井位置為最佳，此區(qū)域?qū)儆谟L(fēng)面。作為典型，考慮在這一段中部左右位置新建豎井引入自然風(fēng)，見圖5。

圖5 云山自然風(fēng)豎井選址平面位置示意圖

根據(jù)地形條件，考慮從該段中部位置向兩側(cè)每間隔一段距離取一個(gè)工況。因此，根據(jù)不同位置的可能性，共設(shè)置6個(gè)工況，根據(jù)縱斷面圖可以得出每個(gè)工況對應(yīng)的豎井深度，如圖6所示。

圖6 云山隧道自然風(fēng)豎井選址縱斷面示意圖

假設(shè)自然風(fēng)通風(fēng)豎井各種可能的最適宜井址處的不同地理位置，不同季節(jié)溫度，根據(jù)自然風(fēng)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)理論，利用計(jì)算機(jī)編程循環(huán)計(jì)算，分別計(jì)算出自然風(fēng)豎井可能井址在不同氣候條件下相對應(yīng)的自然風(fēng)速度和通風(fēng)量，選出通風(fēng)效率最高的情況，作為自然風(fēng)井井址的最佳位置：右線入口大約2 200 m處（工況4），位于第一通風(fēng)段中部，處于迎風(fēng)面，風(fēng)向常年穩(wěn)定為西北風(fēng)，根據(jù)此處海拔、溫度、濕度可以計(jì)算出自然風(fēng)豎井內(nèi)風(fēng)速平均能達(dá)到5 m/s左右，并且豎井深度約120 m，長度最短，成本最小，地質(zhì)條件不復(fù)雜，施工難度不高。

3 隧道新建豎井引入自然風(fēng)的運(yùn)營通風(fēng)節(jié)能方案模擬分析

3.1 原通風(fēng)方案模擬

根據(jù)云山隧道右線1∶1建立整體隧道模型。右線長度11 377 m，單向人字坡，榆社端進(jìn)口里程YK43+590，標(biāo)高 1 219.45 m；和順端出口里程YK54+967，標(biāo)高1 325.21 m，采用3區(qū)段式通風(fēng)，4號(hào)斜井、1號(hào)豎井送排式通風(fēng)方案，均采用地下風(fēng)機(jī)房。模型如圖7所示。

圖7 云山隧道1號(hào)豎井模型

基于CFD原理，獲得豎井送排風(fēng)口及風(fēng)機(jī)房局部風(fēng)速的計(jì)算結(jié)果，如圖8所示。

圖8 1號(hào)豎井送排風(fēng)口及風(fēng)機(jī)房局部風(fēng)速圖

在送風(fēng)口，容易產(chǎn)生回流現(xiàn)象，而且由于截面突然變小，加上出風(fēng)風(fēng)速本身較大，在此區(qū)域風(fēng)速極大，對壁口的撞擊較大，能量損失也較大。風(fēng)機(jī)房內(nèi)射流風(fēng)機(jī)主要提供x方向的推力，使得局部風(fēng)速在短時(shí)間內(nèi)增加到12～15 m/s，主要作用是提供推力將大量的新鮮風(fēng)或者需要排除的廢氣貫入或者吸出主隧道。

3.2 引入自然風(fēng)豎井方案模擬

在既有隧道的基礎(chǔ)上新建自然通風(fēng)豎井，在自然通風(fēng)豎井進(jìn)出口加以實(shí)踐計(jì)算得到壓差和溫度差，其余邊界條件和原始通風(fēng)系統(tǒng)一致不改變。豎井高度120 m，直徑取3 m，接口處成45°斜角，位于主隧道斜上方處。

圖9 自然風(fēng)豎井局部模型

自然風(fēng)豎井不同斷面的風(fēng)速云圖見圖10。

圖10 自然風(fēng)豎井不同斷面風(fēng)速云圖（單位：m/s）

圖11 自然風(fēng)豎井沿深度變化自然風(fēng)風(fēng)速值

由不同斷面風(fēng)速云圖和沿程風(fēng)速圖可知，自然風(fēng)在自然風(fēng)豎井內(nèi)風(fēng)速較為穩(wěn)定，而在豎井?dāng)嗝嫔系姆植家膊⒉晃蓙y，可以為主隧道提供持續(xù)且穩(wěn)定的自然風(fēng)。并且根據(jù)井位的選擇，豎井深度只有120 m，沿程損失不大，在發(fā)生火災(zāi)后，豎井將會(huì)產(chǎn)生十分有效的煙囪效應(yīng)，有助于防災(zāi)減災(zāi)。

由圖12、圖13可知，該方案各通風(fēng)區(qū)段平均風(fēng)速遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)風(fēng)速，且也超出規(guī)范建議最優(yōu)風(fēng)速范圍。因此，自然風(fēng)的引入使通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)能力過剩，需作優(yōu)化。

圖12 豎井通入自然風(fēng)后主隧道風(fēng)速圖（單位：m/s）

圖13 通入自然風(fēng)后主洞內(nèi)風(fēng)速沿隧道全程變化圖

3.3 方案優(yōu)化及結(jié)果對比

對比新舊通風(fēng)方案的通風(fēng)效率，發(fā)現(xiàn)在引入自然風(fēng)后云山隧道右線44臺(tái)射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)能力過剩，通過計(jì)算在保持和原通風(fēng)系統(tǒng)平均風(fēng)速不變的情況下可以減少10到12臺(tái)射流風(fēng)機(jī)，如圖14、圖15所示，以此達(dá)到節(jié)能的目的。

圖14 原通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)速全程變化圖

圖15 引入自然風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)速全程變化圖

將數(shù)值模擬結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證其正確性，見表6、表7。

表6 云山隧道各通風(fēng)段平均風(fēng)速理論計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果對比m/s

表7 理論計(jì)算與數(shù)值模擬結(jié)果對比

理論公式計(jì)算結(jié)果和使用數(shù)值模擬軟件FLUENT計(jì)算出來的各通風(fēng)段平均風(fēng)速結(jié)果較為接近，雖理論計(jì)算公式值大于數(shù)值模擬值，但兩者誤差小于15%，可認(rèn)為數(shù)值模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確。

3.4 通風(fēng)節(jié)能方案經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

3.4.1 20年內(nèi)的新方案和原方案運(yùn)營總費(fèi)用

經(jīng)計(jì)算，20年內(nèi)新方案和原方案運(yùn)營總費(fèi)用，如表8所列。

表8 節(jié)能通風(fēng)方案與原通風(fēng)方案20年運(yùn)營總費(fèi)用對比 萬元

新方案每年可以節(jié)約324 000元，這相當(dāng)于原通風(fēng)方案每年總費(fèi)用的9%到10%；如果考慮電費(fèi)的動(dòng)態(tài)增長在遠(yuǎn)期這一比率可以達(dá)到15%左右。

3.4.2 新建豎井造價(jià)

自然風(fēng)豎井建設(shè)費(fèi)用約2 261 563元，而新建自然風(fēng)豎井每年可節(jié)省324 000元（減少10臺(tái)風(fēng)機(jī)）。在6～7年內(nèi)就可以收回土建成本，如果考慮每年費(fèi)用的動(dòng)態(tài)上漲，回收周期將更短。

4 結(jié)語

本文以榆和高速公路云山特長隧道為依托，對特長公路隧道新建豎井引入自然風(fēng)進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

a）探明了超靜壓差與熱位差對隧道自然風(fēng)豎井通風(fēng)效率的影響規(guī)律，結(jié)合提高自然風(fēng)利用率和減少主隧道自然風(fēng)阻，確定了最優(yōu)豎井直徑和斷面形式。

b）采用通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)理論，對不同地理位置、不同季節(jié)溫度條件下自然風(fēng)井內(nèi)的風(fēng)速和通風(fēng)量進(jìn)行了計(jì)算，探明了自然風(fēng)井址的最佳選址位置。

c）基于對比分析，提出特長公路隧道新建豎井引入自然風(fēng)輔助機(jī)械通風(fēng)降低隧道運(yùn)營通風(fēng)能耗的節(jié)能方法，降低了后期運(yùn)營通風(fēng)能耗，節(jié)省了維護(hù)資金。