8km特长公路隧道通风系统优化配置

付朝辉，曾艳华，何 涛

8km特长公路隧道通风系统优化配置

付朝辉1,2，曾艳华1,2，何 涛3

（1. 西南交通大学，交通隧道工程教育部重点实验室，成都 610031；2. 西南交通大学，土木工程学院，成都 610031；3. 四川南渝高速公路有限公司，四川 南充 637000）

竖（斜）井送排通风已经成为高速公路特长隧道通风的主流形式, 但存在通风附属土建工程量大, 运营通风设备长期闲置等问题。论文以南（充）大（竹）梁（平）高速公路华蓥山隧道为工程依托, 展开8 km特长公路隧道通风系统优化配置研究, 在通风方案及土建工程配置优化的基础上, 展开了通风机电设备分期配置及节能运营分析, 提出8 km特长公路隧道单竖井应对异常交通情况的通风方案。结果表明: （1）华蓥山隧道可取消原左线通风竖井及地下风机, 采用全射流通风; 右线采用竖井送排式通风, 竖井直径优化为7m, 同时为两线排烟。（2）为避免8 km特长公路隧道通风机电投资的增大, 并降低运营能耗, 华蓥山隧道运营通风可按稀释污染浓度控制, 左线通风设备配置将大大减少, 右线隧道可阶段性采用全射流方案。（3）在左线隧道增设送风口, 可提高8 km公路隧道设单竖井情况下应对异常交通流的通风能力。

8 km特长公路隧道; 通风土建工程; 机电设备; 优化配置

0 引 言

随着我国公路网的发展和隧道建设技术的提高，特长公路隧道在我国大量出现，国内长度超过5 000 m的特长高速公路隧道已经超过200座[1,2]。由于竖（斜）井送排与射流风机组合的纵向通风方式能有效利用活塞风、缩短排烟长度、适用长度长，已经成为长度大于5 000 m高速公路特长隧道的主流通风方式[3]。

我国首次应用该通风方式是在浙江大溪岭—湖雾岭隧道中，王晓雯、蒋树屏通过流体力学的基本理论，对送排风口的升压力及隧道的压力模式进行了推导[4]；方磊、谢永利等对送排式通风送排风口角度优化进行了研究，分析了不同送排风口角度随不同风速的变化规律，提出了送排风口与隧道轴向的最优化夹角[5-7]；夏永旭等依托秦岭终南山隧道提出了多竖井送排与射流风机组合的纵向通风方式应用及需要解决好的关键问题[8]；吴德兴、郑国平等依托浙江苍岭隧道提出了多竖井送排与射流风机组合的纵向通风方式的计算方法和节能运营方案[9, 10]；王明年等依托泥巴山隧道展开了多斜井与射流风机组合的通风隧道的自然风计算方法和节能研究[11]；闫志国、付修华等依托终南山公路隧道展开了竖井送排与射流风机组合通风隧道火灾排烟试验及风流组织研究[12, 13]；曾艳华等针对斜井送排与射流风机组合通风隧道展开了火灾救援通风研究，提出了火灾发生在不同位置的风机开启方案[14]；万良勇等展开了竖井送排式通风隧道火灾温度分布特征模型试验研究，研究了火灾时隧道拱顶及火源前后隧道中心线不同高度处的温度分布特征[15]。

通过上述研究，竖（斜）井送排与射流风机组合的纵向通风方式在长度大于5 000 m高速公路特长隧道中得到了广泛应用。但通风竖（斜）井的设置，不可避免地增大了隧道的土建和机电规模及投资，也增大了运营维护成本。作者课题组于2016年3月在四川、重庆、山西、陕西的十余座（5座10 km以上）采用竖（斜）井送排与射流风机组合的纵向通风特长隧道运营现状调研中发现，实际运营过程中，竖（斜）井轴流风机并未开启，射流风机也仅偶尔开启，通风状况依然良好；这些隧道中，部分隧道的运营已经超过十年，设备长期处于闲置状态，仅在每周或每月定时开启，以检测设备是否存在故障。因此在采用竖（斜）井通风的隧道中，如何减小竖（斜）井的规模及机电设备投资是通风设计中面临的重要问题。

南大梁高速华蓥山隧道左右线长度分别为8 150 m和8 168 m，原设计通风系统布置如图1所示，左右线各设一座竖井（左线竖井Φ7.5 m，深464 m；右线竖井Φ8 m，深394 m，左右线竖井均设中隔墙）及地下风机房，均采用竖井送排与射流通风组合方式，通风机总功率达5000 kW，通风土建及机电配置工程偏大。本文在华蓥山隧道通风方案、竖井位置及建设规模优化的基础上，提出8 km单竖井通风特长公路隧道机电优化配置及运营节能方案。

图1 华蓥山隧道原通风系统平面布置图

1 通风土建优化方案

1.1 通风方案优化

华蓥山隧道于2011年开工建设，根据《公路隧道通风设计细则》（以下简称《设计细则》）（JTG/T D70/2-02-2014），参考工程可行性研究文件，将方向不平衡系数和设计小时交通量系数取为0.511和0.11。结合施工情况，华蓥山隧道并没有H2S气体溢出，将换气频率优化为每小时3次，则左线隧道内的风量优化为436 m3/s，右线隧道中远期风量分别优化为437 m3/s和541 m3/s。右线隧道内远期风速为8.42 m/s，左线隧道风速仅6.81 m/s，远远小于10 m/s。原通风方案两隧道各建设一座竖井及风机房，工程极为浪费。

兼顾两线隧道的防灾通风，将华蓥山隧道通风方案优化为：保留右线隧道竖井及风机房，取消左线隧道竖井及地下风机房；右线隧道运营采用竖井送排式与射流风机组合式通风，左线隧道运营采用全射流通风；火灾时，两隧道均采用分两段排烟方式，竖井兼顾两隧道排烟。

1.2 竖井位置优化

综合考虑地形地貌、地质条件和施工条件，结合分段排烟长度的规定，在K109+000～K110+400范围内选定5个竖井位置。根据右线隧道的中远期需风量拟定出五个位置方案竖井送排风量，如表1所示。

表1 各竖井方案送排风量

从表1中可以看出，五个位置方案中期的送排风量之和在429 m3/s与442 m3/s之间，远期的送排风量之和在529 m3/s与550 m3/s之间。若右线按原设计竖井直径8.0 m，竖井中的风速中期约为8.97~9.25 m/s，远期为11.07~11.50 m/s，小于《设计细则》中提出的13~20 m/s[16]，通风竖井的建设规模偏大。将竖井直径优化为7.0 m，竖井风速在中期约为11.80~12.17 m/s，远期为14.56~15.14 m/s，竖井内远期的风流速度在规范规定的范围内，建设规模合理。

按竖井直径7.0 m计算得出不同竖井位置方案所需的风机总功率（见图2）。可以看出中期各方案的功率相差不大，但远期所需送排风机总功率则相差较大；远期方案1最小，其余方案比方案1分别大13%、21%、27%、19%。由此计算出运营20年，其余4个方案分别比方案1的能耗高约7%、14%、22%和15%。

图2 不同竖井方案通风能耗

各竖井位置方案的总体比较如表2所示。从通风运营能耗来看方案1明显优于其他方案；从土建工程比选可看出方案1和方案5各方面情况大致相当，都明显优于其他方案；结合通风运营能耗、竖井工程规模、进场道路条件、施工供电距离及弃渣运距等因素，选择竖井位置方案1（K109+050）。

表2 各竖井方案总体比较表

1.3 竖井中隔墙位置的优化

按开挖直径7 m，根据表1中方案1的中、远期送排风量，设中隔墙将竖井分隔为送风井和排风井，提出以下五种断面分隔方案：

方案①：送风面积22.73 m2，排风面积13.69 m2。

方案②：送风面积20.64 m2，排风面积15.75 m2。

方案③：送风面积18.04 m2，排风面积18.04 m2。

方案④：送风面积15.75 m2，排风面积20.64 m2。

方案⑤：送风面积13.69 m2，排风面积22.73 m2。

各方案送排风井的通风能耗如图3所示。运营中期方案⑤的通风能耗最大，方案④次之。运营远期随着送风面积的减小，方案⑤的能耗最大，方案①次之，方案②、方案③、方案④基本相当。综合考虑，方案③等分竖井，为了便于施工，故建议采用竖井中分隔方案。

图3 不同竖井分隔方案能耗比较

Fig 3 Comparison of energy consumption for each shaft separation schemes

按照上述系统优化，右线隧道需风量比原设计有较大程度的减小，右线竖井送排风机中、远期运营功率由原来的2 042 kW和2 392 kW分别减小到934 kW和1 340 kW，中远期总功率分别减小约54%和44%。

左线隧道运营通风优化为全射流通风，经计算中期需设置功率为1120 mm（37 kW）射流风机60台，远期需设置50台。左线隧道减少了竖井及风机房的土建工程投资，以及竖井轴流风机及供配电系统，但增加了射流风机及供配电系统，通风总能耗与原设计相当。

通过上述通风系统优化，取消了一座7.5 m竖井（深464 m）和地下风机房，并减小了右线竖井建设规模，优化了竖井中隔墙位置。

2 通风机电设备分期配置及节能运营

2014年新颁布的《设计细则》的通风标准中，明确提出了稀释异味为通风设计的舒适性标准，且隧道最小换气频率不低于每小时3次。该需风量往往成为一些山区特长公路隧道的控制风量，控制隧道的通风附属工程和机电设备投资。华蓥山左线隧道即是如此，换气通风量为436 m3/s，中远期稀释污染物浓度需风量仅291 m3/s和374 m3/s。

为此，对国内民用建筑、工业建筑、地下铁道，以及世界道路协会（PIARC）关于换气通风目的进行调研。调研的结果是：在工业建筑中不能够按散热量、污染物排出量、危化品溢出量计算风量的情况下，采用了按换气次数计算需风量的方法[17]。地下铁道中则取消了区间隧道和车站公共区按换气次数计算需风量的规定，仅保留了车站用房的风量[18]。世界道路协会（PIARC）在1995年和2004年的《Road tunnels：vehicle emissions and air demand for ventilation》报告中，有关换气次数目的并未说明，仅规定了换气频率和换气风速。而在2012年报告中已经明确换气通风的目的是在小交通量隧道中稀释异常车辆污染排放问题，并非舒适性标准[19]。仅有民用建筑中换气通风的目的是满足卫生及舒适性要求的[20]，因此，公路隧道的换气通风设计为舒适性标准，是偏高的。

由此，按《设计细则》中的卫生标准，仅考虑稀释污染物浓度，计算出左右线隧道全射流通风所需的台数，如表3、表4所示。

表3 右隧道稀释污染物浓度通风计算

表4 左隧道稀释污染物浓度通风计算

由以上两表可以看出，按稀释污染物浓度右线隧道中期仅需设置24台射流风机，远期仅需要46台，采用全射流通风即能达到要求。左线隧道中远期也仅需24台射流风机即能满足要求，远小于换气通风所需射流风机台数。

因隧道能根据污染物浓度计算需风量，换气通风为舒适性要求，为避免实际运营过程中特长隧道内运营风机长期处于闲置状态，兼顾《公路隧道设计规范第二册交通工程及附属设施》（JTG D70/2—2014）及《公路隧道通风设计细则》（JTG/T D70/2-02—2014）规定，建议左线隧道内射流风机分期设置；近期按防灾风机设置，即设36台。当36台射流风机开启后，不同行车速度下的当量换气次数如表5所示，仅近期和中期行车速度小于60km/h时，达不到各阶段各行车速度下换气通风3次的要求，但换气次数最小也在2.4次以上。

表5 开启36台射流风机当量换气次数

同时考虑华蓥山隧道可能存在H2S气体，建议左线隧道射流风机预留预埋按60台设置。运营后，加强通风监测，在现有36台射流风机不能满足通风要求的情况下，根据实测增设射流风机。若运营后测试现有风机台数能满足要求，则不增设射流风机。

而对于右线隧道，可阶段性采用全射流通风，当全射流通风达不到要求时，采用竖井送排与射流通风组合的通风方式。

3 右线竖井兼顾左线隧道运营通风方案

当隧道出现特殊情况导致左线交通量增大，而右线隧道交通量较小时，可将通风竖井用于左线隧道通风。对于左线隧道竖井通风，提出两种方案：①左线隧道送排式通风方案，为左线隧道设送排风道。②左线隧道竖井送风方案，底部仅需为左线隧道设置送风道，布置简单。

根据华蓥山隧道的交通组成、竖井轴流风机及左线隧道射流风机配置，按稀释污染物浓度，计算了两种方案左线隧道的适应交通量，如图4所示。

从图4可以看出，采用左线送排通风方案，中、远期隧道内适应交通量比送风方案仅增加180 veh/h和400 veh/h。但由于排风道和送风道分别位于竖井两侧，该方案导致左线底部送排风道长度过长，布置复杂。而竖井送风方案仅需设置左线送风道，布置简单，且适应交通量减少幅度不大。因此，建议设置左线送风道（如图5），在左线隧道异常大交通流情况下，左线采用竖井送风方案，增大隧道的通风能力。

图4 左线隧道竖井通风适应交通量

图5 竖井送排风示意图

4 结 论

本文在8 km特长公路隧道通风方案及土建工程优化的基础上，进行了通风机电设备的优化配置及运营节能分析，并提出了8 km特长公路隧道单竖井兼顾两隧道的送风通风方案，得到如下结论：

（1）8 km华蓥山隧道左右线风速远小于10 m/s，兼顾两线隧道的防灾，将华蓥山隧道通风方案优化为：取消左线隧道通风竖井及地下风机房，左线隧道运营采用全射流通风；右线竖井保留，直径优化为7 m，右线隧道采用竖井送排式与射流风机组合的通风方式；火灾时，右线竖井为两隧道排烟。通过优化，8 km华蓥山隧道仅需建设一座竖井及风机房，可节约土建投资3000余万元。

（2）综合竖井工程地质条件、施工难度、运营能耗等，建议竖井设置在K109+050里程，采用中分隔方案。

（3）资料调研表明，公路隧道将换气通风设计为舒适性标准是偏高的。按稀释污染浓度控制，左线隧道内通风设备配置将大大减少，右线隧道运营通风可阶段性采用全射流方案，实现节能目的。

（4）为兼顾左线隧道交通异常情况下，采用竖井通风，建议增加左线隧道送风道，增大左线隧道应对异常交通情况的通风能力。

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Optimized Ventilation System for an Extra-long Highway Tunnel

FU Zhao-hui1,2，ZENG Yan-hua1,2，HE Tao3

(1. Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Ministry of Education, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 3. Nanyu Highway Limited Company, Nanchong 637000, China)

Vertical/inclined ventilation systems with intake and exhaust shafts have become the main form of ventilation in extra-long highway tunnels. However, there are several problems with these systems, such as requirement of large volumes of civil engineering work and long periods of idle operation of the ventilation equipment. Considering the Huayingshan tunnel in Nandaliang expressway as the reference, the optimization of the[A1] [A2] for an 8km long highway tunnel was studied. Based on the optimized ventilation scheme and civil engineering configuration, the staged configuration of the electromechanical ventilation equipment and the energy-saving operations were analyzed, and a ventilation scheme was proposed for the 8km long highway tunnel with a single vertical shaft, to manage abnormal traffic conditions. The results show the following.(1)The left tunnel can adopt full-jet ventilation by removing the original vertical shaft and the underground fan room; the right tunnel can adopt vertical ventilation with intake and exhaust by an optimized shaft diameter of 7 m; in this arrangement, the shaft is used to remove the smoke from the two tunnels when a fire occurs.(2)To avoid an increase in mechanical investment and to decrease the operational energy consumption, the ventilation during the normal traffic of the Huayingshan tunnel is determined by the pollutant concentration. The number of the ventilation equipment in the left tunnel will be significantly reduced, and the full-jet scheme can be used in the right tunnel in stages.(3)Installing an air supply outlet in the left tunnel is an effective way to improve the ventilation capacity during abnormal traffic flows.

8km extra-long highway tunnel; ventilation civil engineering; electromechanical equipment; optimizing configuration

1672-4747（2020）02-0010-08

U453.5

A

10.3969/j.issn.1672-4747.2020.02.002

2019-08-09

国家重点研发计划课题（2016YFC0802201）

付朝辉（1993—），男，硕士研究生，研究方向：地下工程的通风与防灾技术，E-mail：1808702941@qq.com

曾艳华（1968—），女，四川彭山人，西南交通大学博士生导师，科研方向：地下工程的通风与防灾救援技术，E-mail：zengyhua@163.com

付朝辉，曾艳华，何涛. 8km特长公路隧道通风系统优化配置[J]. 交通运输工程与信息学报, 2020, 18（2）：10-17.

（责任编辑：刘娉婷）