董震，羅勝軍，徐尚友，楊勇，張?jiān)瓢?/p>

（云南交投集團(tuán)公路建設(shè)有限公司，云南 昆明 650100）

1 前言

近年來(lái)，隧道及地下工程建設(shè)得到了飛速發(fā)展，隨著隧道跨度的增大，隧道通風(fēng)成為一個(gè)研究重點(diǎn)。隧道通風(fēng)影響隧道施工及運(yùn)營(yíng)過(guò)程，且隨著隧道長(zhǎng)度的增加，隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本增大。因此，長(zhǎng)大隧道通風(fēng)方案的優(yōu)化研究成為工程中亟待解決的問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在特長(zhǎng)隧道的施工通風(fēng)優(yōu)化方面已展開(kāi)了一些研究，羅燕平等針對(duì)金家莊特長(zhǎng)螺旋隧道施工方案中存在的工作面通風(fēng)效果差的問(wèn)題，提出了風(fēng)倉(cāng)式通風(fēng)方案；張?jiān)讫埖忍岢隽送咚固亻L(zhǎng)隧道的風(fēng)管最佳布置方案；張恒等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬方法，研究了射流風(fēng)機(jī)設(shè)置高度、風(fēng)管放置高度等對(duì)隧道通風(fēng)的影響；雷帥等通過(guò)分析南大梁高速公路華鎣山隧道內(nèi)的通風(fēng)流場(chǎng)及有害氣體分布，對(duì)隧道施工的通風(fēng)方案進(jìn)行了優(yōu)化研究；譚信榮等基于洞內(nèi)空氣質(zhì)量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，提出了相關(guān)降低隧道內(nèi)粉塵含量的通風(fēng)措施；李勇等以金瓜山隧道為背景，對(duì)長(zhǎng)距離獨(dú)頭通風(fēng)和多工作面通風(fēng)的隧道通風(fēng)提出了優(yōu)化措施。古尊勇等以高原雪山隧道為研究背景，將隧道內(nèi)粉塵濃度及氣體流程的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬相比較，對(duì)通風(fēng)方案進(jìn)行優(yōu)化；王應(yīng)權(quán)對(duì)隧道橫通道形狀和夾角進(jìn)行分析，選擇及優(yōu)化了長(zhǎng)大鐵路隧道施工的通風(fēng)方案；劉威通過(guò)對(duì)某公路隧道的模擬，進(jìn)行了通風(fēng)方案的優(yōu)化與火災(zāi)模擬研究。

本文主要基于云南某公路隧道的遠(yuǎn)期及近期交通量預(yù)測(cè)，對(duì)隧道中一氧化碳（CO）及煙塵（VI）排放量進(jìn)行理論分析，對(duì)稀釋有害氣體的需風(fēng)量和隧道換氣需風(fēng)量進(jìn)行了計(jì)算。通過(guò)理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比，合理選取射流風(fēng)機(jī)數(shù)量及布置形式，并分析自然風(fēng)速對(duì)射流風(fēng)機(jī)設(shè)置的影響。

2 云南某公路隧道交通量預(yù)測(cè)及需風(fēng)量計(jì)算

隧道通風(fēng)既要考慮投資建設(shè)成本，又要考慮運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用。因此，隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)方案應(yīng)考慮近期與遠(yuǎn)期相結(jié)合原則。隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)公路等級(jí)、隧道長(zhǎng)度、設(shè)計(jì)速度、設(shè)計(jì)交通量、地質(zhì)地形等因素，進(jìn)行綜合技術(shù)比較，確定合理的通風(fēng)方案。

圖1 隧道主洞建筑界限及凈空斷面圖

據(jù)云南某公路隧道的環(huán)境報(bào)告書，預(yù)測(cè)特征年為近期的2027 年和遠(yuǎn)期的2035 年。根據(jù)隧道所在路段項(xiàng)目可行性研究報(bào)告提出的預(yù)測(cè)年平均日交通量進(jìn)行換算，其中山嶺重丘區(qū)隧道設(shè)計(jì)小時(shí)交通量系數(shù)取12%；單向交通隧道的方向分布系數(shù)取55%。交通量預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 隧道交通量

根據(jù)交通量的結(jié)果，可計(jì)算有害氣體排放量及需風(fēng)量，有害氣體排放量計(jì)算中CO 排放量計(jì)算公式為：， 其中fh為考慮CO 的海拔高度系數(shù)，按規(guī)范取值（平均海拔高度1600m，）；VI 排放量計(jì)算公式為：

根據(jù)有害氣體的排放量，可進(jìn)一步計(jì)算稀釋CO 及煙塵的需風(fēng)量。其中稀釋CO 的需風(fēng)量為其中δ為CO 設(shè)計(jì)濃度p 為隧址設(shè)計(jì)氣壓（取84.349kN/m2）。稀釋煙塵的需風(fēng)量為，其中為隧道全長(zhǎng)稀釋煙霧的需風(fēng)量（m3/s）；K 為煙霧設(shè)計(jì)濃度，（按設(shè)計(jì)行車速度取0.007m-1）。

同時(shí)，采用縱向式通風(fēng)的隧道，其換氣需風(fēng)量為按以下兩公式計(jì)算結(jié)果的大值。即或，其中為隧道換氣需風(fēng)量（m3/s）；為隧道凈空斷面面積（m2）；為隧道最小換氣頻率；為隧道換氣風(fēng)速。

機(jī)動(dòng)車有害氣體基準(zhǔn)排放量按每年2%的遞減率計(jì)算設(shè)計(jì)目標(biāo)年份獲得的排放量，為隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)目標(biāo)年份的基準(zhǔn)排放量，最大折減年限不超過(guò)30 年。2000年，CO 的排放量為0.015m3/s，VI 的排放量為2m3/s，則可得2027 年CO 和VI 的基準(zhǔn)排放量分別為0.0041m3/s和1.159m3/s，2035 年的CO 和VI 的基準(zhǔn)排放量為0.0038m3/s 和1.091m3/s。根據(jù)通風(fēng)相關(guān)規(guī)范，取隧道換氣頻率為3 次/h，換氣風(fēng)速為2.5m/s。

得到隧道左、右線不同設(shè)計(jì)年限下稀釋CO、稀釋VI 及換氣的需風(fēng)量結(jié)果如表2 所示。

表2 云南某公路隧道左右線需風(fēng)量計(jì)算結(jié)果（單位：m3/s）

根據(jù)需風(fēng)量計(jì)算結(jié)果，按稀釋CO 需風(fēng)量、稀釋VI需風(fēng)量以及換氣需風(fēng)量三者取最大值。隧道左線近、遠(yuǎn)期控制需風(fēng)量均取隧道換氣需風(fēng)量162.825m3/s；隧道右線近、遠(yuǎn)期控制需風(fēng)量均為稀釋VI 需風(fēng)量，取值分別為181.71m3/s 和185.98m3/s；兩線最大設(shè)計(jì)風(fēng)速4.20m/s，滿足規(guī)范中小于10m/s 設(shè)計(jì)風(fēng)速的要求。

現(xiàn)今，全球水資源緊張，科學(xué)合理利用水資源，實(shí)現(xiàn)水利自動(dòng)化的信息處理與決策是解決水資源緊缺的有效手段。我國(guó)水利自動(dòng)化基礎(chǔ)技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平，但水資源分布嚴(yán)重不均衡，如何實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期水利自動(dòng)化及水資源調(diào)配是亟需攻克的難題，因此，需加大資金和研究投入，不斷更新水利信息化的技術(shù)水平，將理論與實(shí)踐有效結(jié)合，為水資源的開(kāi)發(fā)利用、配置和使用、保護(hù)與治理等提供科學(xué)決策，進(jìn)一步提高我國(guó)水利行業(yè)的科學(xué)管理水平。

3 云南某公路隧道通風(fēng)的射流風(fēng)機(jī)設(shè)置研究

本文研究隧道為約3.1km 的長(zhǎng)大隧道，根據(jù)設(shè)計(jì)風(fēng)速角度出發(fā)，滿足全射流縱向通風(fēng)方式。在進(jìn)行全射流縱向通風(fēng)時(shí)，隧道內(nèi)氣流穩(wěn)定后，壓力平衡應(yīng)滿足：

該隧道所選風(fēng)機(jī)類型為?1120 的射流式通風(fēng)機(jī)，出口風(fēng)速≥31m/s,流量≥35.5m3/s，風(fēng)機(jī)功率37W。經(jīng)以上計(jì)算可得，考慮自然風(fēng)風(fēng)速為3m/s，以兩臺(tái)風(fēng)機(jī)為一組，根據(jù)近期的通風(fēng)需要，隧道左、右線各需配置風(fēng)機(jī)17 組；根據(jù)遠(yuǎn)期的通風(fēng)計(jì)算，左、右線需各增加風(fēng)機(jī)13 組，即30 組。兩風(fēng)機(jī)之間的橫向凈距為1 倍風(fēng)機(jī)葉輪直徑，縱向間距按風(fēng)機(jī)數(shù)量等距離布置。

進(jìn)一步根據(jù)上述隧道左線近期相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，分析自然風(fēng)速對(duì)射流風(fēng)機(jī)的影響，計(jì)算射流風(fēng)機(jī)數(shù)量，其中射流風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速為31m/s，風(fēng)向與自然風(fēng)方向相同。計(jì)算得到所需的風(fēng)機(jī)數(shù)隨自然風(fēng)速的影響如圖2 所示。

圖2 所需的風(fēng)機(jī)數(shù)隨自然風(fēng)速的影響

由云南某公路隧道的通風(fēng)計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，射流風(fēng)機(jī)數(shù)量與自然風(fēng)力有關(guān)。由于射流風(fēng)機(jī)的升壓作用，風(fēng)機(jī)入口處的風(fēng)速較自然風(fēng)速發(fā)生變化。風(fēng)機(jī)上方氣體被卷入風(fēng)機(jī)內(nèi)，從風(fēng)機(jī)出口釋放出，在一定距離內(nèi)，風(fēng)流將以風(fēng)機(jī)間距離保持單獨(dú)射流，由于隧道壁面的限制和風(fēng)流橫向擴(kuò)散，兩股氣流匯聚成一股，最終由于沿程摩阻力，風(fēng)速逐漸減小。

當(dāng)自然風(fēng)風(fēng)速與隧道車輛行駛方向相同時(shí)，對(duì)隧道內(nèi)的通風(fēng)換氣起到了促進(jìn)作用，可在滿足通風(fēng)換氣需求的條件下，適當(dāng)減少射流風(fēng)機(jī)的開(kāi)啟數(shù)量；當(dāng)自然風(fēng)風(fēng)速與隧道車輛行駛方向相反時(shí)，自然風(fēng)流加速了射流風(fēng)機(jī)風(fēng)流的擴(kuò)散作用，自然風(fēng)起到了阻礙作用，為了滿足隧道內(nèi)通風(fēng)換氣的需求，這時(shí)應(yīng)相對(duì)增加射流風(fēng)機(jī)開(kāi)啟的數(shù)量。

通過(guò)上述自然風(fēng)速對(duì)射流風(fēng)機(jī)的影響分析，自然通風(fēng)力隨自然風(fēng)速的增加而增大，所需風(fēng)機(jī)數(shù)量也相應(yīng)減小。

4 結(jié)語(yǔ)

基于云南某公路隧道的遠(yuǎn)期及近期交通量預(yù)測(cè)，對(duì)隧道中有害氣體排放量進(jìn)行理論分析，得到稀釋有害氣體及換氣的最大需風(fēng)量。通過(guò)隧道內(nèi)氣流的壓力平衡，得到射流風(fēng)機(jī)數(shù)量及布置形式，并分析了自然風(fēng)速對(duì)射流風(fēng)機(jī)設(shè)置的影響。

（1）根據(jù)對(duì)云南某隧道的需風(fēng)量計(jì)算結(jié)果，其左線的近期及遠(yuǎn)期最大需風(fēng)量為換氣需風(fēng)量162.825m3/s；右線的近、遠(yuǎn)期控制需風(fēng)量均為稀釋VI 需風(fēng)量，分別為181.71m3/s 和185.98m3/s；在隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)中，隧道換氣需風(fēng)量不可忽視。

（2）射流風(fēng)機(jī)的射流升壓受自然風(fēng)的大小和方向的影響，因此，合理利用自然風(fēng)速，并相應(yīng)調(diào)整射流風(fēng)機(jī)數(shù)量，能達(dá)到有效的通風(fēng)換氣效果，同時(shí)，可以減少通風(fēng)費(fèi)用，有利于通風(fēng)節(jié)能。

（3）公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)中涉及多方面的因素，要考慮相關(guān)參數(shù)和車型變化對(duì)現(xiàn)行規(guī)范的影響。在滿足合理通風(fēng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)節(jié)約資源、減少有害氣體排放有重要意義。