分水岭特长隧道运营通风系统优化设计

2014-12-25张国彬

交通运输研究 2014年16期

张国彬

（河北省高速公路张涿张家口管理处，河北张家口075600）

0 引言

特长隧道在山区公路建设中已越来越普遍，隧道运营期间污染物累积和火灾事故的危险性亦呈上升趋势，而通风排烟技术是保证隧道正常运行的关键措施，相应通风费用也在逐年增加，某些特长隧道的通风费用已超过总费用的50%[1]。如何优化通风系统设计、降低运营通风费用已成为公路隧道节能降耗、绿色环保和可持续发展的迫切需要[2-6]。

本文结合张家口至涿州高速公路分水岭特长隧道设计标准及隧址区地理气候条件，在现行《公路隧道通风照明设计规范》（JTJ 026.1—1999）相关条文的基础上做出相应的修正[3-7]，进而提出分水岭隧道运营期优化的通风系统设计，并为类似情况下特长公路隧道运营通风系统设计提供借鉴。

1 分水岭隧道概况

张（家口）—涿（州）高速公路分水岭特长隧道为上、下行独立双洞六车道分离式隧道，隧址区属山岭重丘区，地形较复杂，洞口处为岩石地貌，沟壑发育。山体总体呈西北—东南走向。隧道左、右线平均海拔标高分别为1 131.86m 和1 130.29m，最高海拔为1 065.6m，最低海拔为908.2m，相对高差157.4m。该区域地处暖温带半湿润大陆性季风气候，年平均降雨量为408.7mm，7 月平均最高气温为22.0℃，1 月平均最低气温为-11.0℃，季节性冻土深度为0.96m。隧道右线全长6 798m，左线全长6 890.71m。隧道设计行车速度为100km/h，左、右线纵断面线形均设计为降坡，坡度均为-1.5%。左、右线通风断面面积分别为100.55m2和100.23m2，当量直径分别为9.68m 和9.66m。隧道夏、冬季设计气温分别为295K（22℃）和262K（-11℃）。

2 分水岭隧道运营期通风系统设计

2.1 交通组成与工况分析

分水岭隧道工可报告提供的分水岭隧道预测交通量和预测车型分配比例分别如表1、表2所示。

表1 分水岭隧道预测交通量（单位：pcu/d）

表2 分水岭隧道预测车型分配比例

据表1 提供的数据和通常习惯，可将2015 年作为近期设计年限，将2030 年作为远期设计年限，故分水岭隧道的近、远期交通量按小客车计算分别为：24 899pcu/d和54 182pcu/d。

根据交通运输部规划设计院对我国公路交通量的调查，公路高峰小时交通量一般为年平均昼夜交通量的12%左右。本设计也以平均昼夜交通量的12%作为高峰小时小客车交通量，并考虑单洞的不平衡系数为1.1。

工可报告中没有提及分水岭隧道所在路段的柴油车和汽油车分车型比例及总比例，根据中国汽车技术中心和原机械工业部汽车工业司联合编制的《中国汽车工业年鉴》，中型货车中柴油车与汽油车的比例近1∶1，大型客车全为柴油车，小型客车全为汽油车。本设计将大型货车视为100%柴油车，小型货车视为100%汽油车。

综合上述分析可得分水岭隧道混合车型高峰小时交通量分车型构成表（见表3）。由表3 可知，分水岭隧道柴油车比率为60.7%～62.2%，符合本工程所在段经济发展状况和交通组成的区域特征。分水岭隧道左线行车方向纵坡为+1.5%，同时上坡长度近7 000m，从表3还可看出，大型车比例超过了50%，根据实际调查，在这种条件下，车流最大行车速度应为80km/h。

表3 分水岭隧道混合车型高峰小时交通量分车型构成表（单位：辆/h）

从目前全国高速公路营运情况来看，几乎不存在自然阻滞的情况，且分水岭隧道近、远期高峰小时交通量均较《公路隧道通风照明设计规范》（JTJ 026.1—1999）中“各工况车速的适应交通量”中规定的要小，根据《交通工程手册》对高速公路服务水平的规定，在设计车速为80～100km/h时，其服务水平为四级（即交通流由拥挤逐步转化为阻塞状态），对应的车速为45km/h。考虑到分水岭隧道将装备完善的监控系统，通风设计中将隧道内车辆以30～50 km/h 行驶的工况下视为慢速状态，而将20km/h 和10km/h 作为交通阻滞工况下的设计车速。

2.2 隧道需风量计算

2.2.1 换气次数n

规范规定换气次数“交通量较小或特长隧道可采用每小时3～4次”[2]。特长隧道内的异味消除相对短隧道困难，理应加大不间断换气频率。单《规范》规定特长公路隧道的不间断换气次数可采用每小时3～4 次。基于短隧道换气次数应低于特长隧道换气次数的现实，《规范》中规定“隧道空间不间断换气频率，不宜低于每小时5次”有标准过高的嫌疑，下面分析换气次数的确定方法。

由状态空间法建立描述隧道内污染物浓度随时间t逐时变化的数学模型为式（1）：

式中：θ为隧道内的模拟污染浓度；η为时间的积分变量；q为隧道内一切污染源污染物的产生量；λ为状态空间法中隧道的空间特征值向量；φ为采样后各个影响因素对污染物浓度的影响系数。

将自然风、交通风及机械通风对隧道内污染物的稀释作用也用状态空间法建立类似的数学模型，见式（2）：

式中：θ′为隧道内通风作用对隧道内污染物浓度的降低量；qN为通风作用对污染物的稀释量；其他参数同上。

此时隧道内污染物的浓度可以表示为式（3）：

由此送入隧道中的新鲜空气量为式（4）：

假设单位新鲜风量对污染物浓度的稀释作用为ζ，换气对污染物浓度降低作用可以定义为式（5）：

假定隧道内的卫生条件达到无异味时隧道内污染物浓度为θs。通过通风和换气措施后隧道内污染物浓度≤θs，则认为达到了隧道内无异味的卫生标准。

由式（6）可以推得换气次数为：

由式（7）可知，隧道每小时换气次数n与隧道的横断面面积、隧道长度、污染源（主要是车辆）排放污染物的情况（即与隧道内交通量的大小及交通结构组成有关）以及选择的通风方式等因素有关，可见小时换气次数n是这些因素的函数。

上述确定换气次数公式的各参数较难确定，通过调研秦岭1 号公路隧道和包家山特长公路隧道，推荐每小时换气次数取3次。

综上，参照现行规范规定并结合分水岭特长隧道实际情况，制定分水岭特长隧道不同工况下的通风标准，见表4。

表4 分水岭特长隧道不同工况下的通风标准

2.2.2 控制风量

根据表4的通风标准，结合分水岭隧道实际情况，计算得到该隧道各计算特征年左、右线全长需风量，见表5、6。

表5 左线隧道全长需风量（单位：m3/s）

表6 右线隧道全长需风量（单位：m3/s）

由表5、6 可知，分水岭隧道右线近期控制需风量由换气（稀释异味）需风量控制，远期控制需风量由稀释烟雾的需风量控制；隧道左线需风量仍然是稀释烟雾所需风量远大于稀释CO 需风量、阻滞工况及火灾工况下的需风量，在近、远期稀释烟雾的需风量均是隧道左线的控制风量。

2.3 分水岭隧道运营通风系统风机配置

2.3.1 左、右线通风方式

根据规范“单向交通的隧道设计风速不宜大于10m/s”的规定，由表5、表6可以算得分水岭隧道在近、远期计算需风量的条件下左线风速均大于10m/s，右线小于10m/s，故右线近、远期可采用全射流纵向式通风，隧道左线由于洞内风速偏高导致射流风机效率下降，采用竖井送排式与射流风机组合通风方式较为合理。

2.3.2 自然风风阻

隧道自然风阻力目前多依照规范直接取vn为2～3m/s 进行计算，将自然风完全视为不利通风情况考虑。这种处理方式夸大了自然风的不利作用，而忽略了自然风的有利作用。小河至安康高速公路上的包家山特长公路隧道（左线长11 200m、右线长11 195m）的实测结果证实了上述现象的存在。自2006 年12 月14 日开始连续3d 对隧道左线内自然风速进行不间断现场监测，每隔40 min 左右读数一次，隧道右线3#、15#、28#测点的部分实测结果见图1。

图1 包家山特长隧道风速监测图

以本次现场测试为例（见表7），如果在通风设计中计算自然风阻Δpm时自然风速采用-2～-3m/s，既夸大了12 月份隧道左线内自然风的不利作用，又严重忽略了隧道右线内自然风的有利作用。

表7 实测值与规范推荐值比较（以左线为例）

Δpm的计算依赖于vn的确定，隧道内自然风速vn由以下原因产生：

（1）由隧道各进出口的超净压差Δpj产生；

（2）由隧道内外因空气密度变化引起的热位差hr引起。

分水岭隧道工可报告中没有给出一年四季隧道所在区域的各风向频率，可按式（8）、式（9）计算：

式中：ρ为空气密度；vN洞外自然风速，取3m/s；ρt隧道内空气的平均密度；ρd为隧道外空气的平均密度；Z为隧道进、出口的设计高程差。

隧道内热位差产生的主要原因是隧洞内、外空气存在温度差异，致使空气密度不同。冬季隧道洞内温度高于洞外温度时，即洞内空气密度小于外界空气密度，洞外空气呈现从低洞口流入，并将洞内空气从高洞口推出的趋势，即浮升效应；反之，夏季洞内温度低于洞外温度时，洞内空气呈现从高洞口流入，低洞口流出的趋势，即沉降效应。

在冬季，蒙古高原的南部经常发生强大的反气旋。我国的东北、华北（分水岭隧道所在区域）、华东、华南分别处于反气旋的东方和东南方，所以上述各地冬季盛行风向均偏北，但各地相对于反气旋中心的位置不同，风向偏北的角度有所区别，分水岭隧道所处的华北地区冬季盛行风向在北和西北之间。夏季的我国气压场形势和冬季相反，各地盛行风向变成以偏南至东南为主。

2.3.3 隧道右线风机配置

对分水岭右线而言，夏季热位差形成的自然风和行车方向一致，超净压差形成的自然风和行车方向相反；冬季热位差形成的自然风和行车方向相反，超净压差形成的自然风和行车方向一致。

分水岭隧道洞内的自然风阻Δpm=Δpj+hr，计算的结果见表8。参数ρt和ρd参考该地区的类似工程测试结果及当地气象资料选取。

表8 冬、夏二季分水岭隧道右线洞内自然风阻计算表

根据表8所示的冬、夏二季自然风阻的计算结果，右线风机配置情况见表9。

表9 分水岭隧道右线全射流通风风机配置量

火灾发生时，按隧道洞内控制风速v=3.0m/s计，火风压按洞内空气温升Δt=5℃考虑，重新计算洞内空气密度，将火风压考虑在自然风阻Δpm内（火风压是在具有坡度的隧道中，由于火灾前后风流密度与烟流密度的差异而引起的自然风压增量。对隧道而言，火风压相当于安设在其中的一系列具有相同能量的辅助通风机，具有推动或阻碍烟流流动的作用，沿下坡方向，火风压对烟气流起推动作用，故将其计入风阻），全射流通风计算的各主要参数见表10。

表10 隧道右线火灾工况下风机设置量

由表10 可知，右线火灾排烟需要的射流风机数量为10 台，正常工况设置的风机量能满足火灾工况下的排烟需求，无须额外配置射流风机用于通风防灾。设置于右线YK50+20 处的斜井排烟通道将隧道右线划分成两个排烟段，即从隧道张家口端进洞口到斜井排烟口为排烟Ⅰ段，从斜井排烟口到隧道涿州端出洞口为排烟Ⅱ段。当火灾发生在排烟Ⅰ段时，利用火源上游的射流风机产生的新鲜气流，使烟气从与左线的排风通道相连的排烟口排出，防止烟气进一步向下游蔓延；当火灾发生在排烟Ⅱ段时，利用配置在斜井排烟口下游的射流风机将烟气流从隧道出口排出，此时无须开启斜井排烟口，避免烟气流大幅回流，影响火灾上游车辆和人员的疏散。根据上述分析知，近期18 台可逆射流风机其中10 台配置于进口端，8 台配置出口端，即斜井排烟口下游[8]。

2.3.4 隧道左线单斜井送排式纵向通风风机配置

分水岭隧道交通量较大，大型柴油车比例偏高，且长上坡距离较远，致使烟雾排放量大，稀释烟雾需风量大。由上表5可知，分水岭隧道左线稀释烟雾所需风量远大于稀释CO 的需风量，成为隧道左线的控制风量，近、远期稀释烟雾需风量高达1 090.8 0m3/s 和1 750.50 m3/s，以此进行风机配置，配置结果如下：近期设置射流风机50 台、轴流风机4台（轴流送风机2台、轴流排风机兼排烟机2 台），远期再增加轴流风机4 台（轴流送风机2台、轴流排风机兼排烟机2台）。