双向行车特长隧道运营通风风机控制策略研究

邵 林 白 赟

(四川省交通勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610017)

人类对公路隧道的建设发展已经经历了上百年，从最初的单一短小隧道到如今的复杂特长隧道，公路隧道的设计理念取得了长足进步。近年来，随着我国脱贫攻坚战的不断进行，越来越多的低等级特长公路隧道出现在了云贵川等地。隧道长度增加的同时，隧道内因车辆行驶产生的一氧化碳、烟尘、氮氧化物等汽车尾气也在累积增多，此时需要借助风机等机械设备对隧道进行通风，在满足汽车发动机燃烧和司乘人员需氧舒适度的同时，降低隧道内汽车排放污染物的浓度。

目前对于公路隧道通风问题，国内外学者已做了大量研究。JTG/T D70/2—02—2014公路隧道通风设计细则对公路隧道需风量和风机计算都作了详细阐述[1]；曾柯皓以城开路满月隧道为依托工程，对特长公路隧道的通风方案及自然风的利用进行研究，提出了合理的通风方案和机电配置[2]；付朝辉等以南大梁高速华蓥山隧道为工程依托，对8 km特长公路隧道通风系统配置进行了优化研究[3]；郭志杰等以金门特长公路隧道为例，对通风井送排式、单通道互补式、双通道互补式和吸尘式4种通风方案进行了比选研究[4]；姜同虎等针对新场隧道右线通风负荷过大的情况，提出了双洞互补式的通风方案[5]；白赟等采用FDS火灾动力学软件，对雀儿山隧道进行了火灾三维数值模拟，研究了高海拔双向行车公路隧道火灾时的烟气流动规律和能见度分布规律[6]，并针对活塞风作了相关研究[7，8]。通过查阅文献可以发现，国内学者对于公路隧道的通风问题研究较多，但多是从优化设计、方案比选和火灾通风控制等方面研究，对于通风风机的配置也仅仅是计算得到所需风机台数的最大值，而对不同自然风风速工况下双向行车特长隧道运营通风风机的控制策略则几无文献报道。

本文采用网络通风的计算方法，对不同自然风风速工况下，双向行车特长隧道平导压入式通风进行计算，得到具体的风机控制方案。

1 工程背景

雀儿山隧道地处青藏高原东部边缘沙鲁里山脉，位于四川省西部甘孜藏族自治州德格县境内。隧址处于高海拔地区，其中隧道洞口平均设计高程在4 300 m左右，属于高海拔双向行车特长公路隧道。该隧道全长7 079 m，隧道建筑限界为9.0 m ×5.0 m，隧道纵向坡度呈“人”字形，最大纵坡2.6%。主隧道和贯通平导间设置7条车型横通道，隧道运营通风时开启4号车型横通道，采用平导压入式通风。

2 运营通风需风量计算

根据工可报告，雀儿山隧道预测交通量和预测交通组成分别见表1，表2。

表1 交通量预测表

表2 各年限高峰小时绝对交通量 辆/h

根据隧道的纵坡、海拔高度及交通构成情况，按JTG/T D70/2—02—2014公路隧道通风设计细则的需风量计算方法，计算隧道各设计年限的左右线隧道正常运营条件下稀释洞内CO和烟雾(VI)、换气除异味隧道全长的需风量，综合确定了正常运营全长最大计算风量及隧道内风速，其中稀释异味按3次取值，计算结果见表3。

表3 雀儿山隧道全长设计风量与设计风速

由表3可知，隧道全长需风量近期由交通阻滞工况控制，为390.01 m3/s，对应设计风速为6.71 m/s；中期由稀释CO控制，为437.15 m3/s，对应设计风速为7.52 m/s；远期由稀释CO控制，为545.89 m3/s，对应设计风速为9.39 m/s。其中远期隧道内设计风速不满足8 m/s的限值，故近期和中期可采用全射流纵向通风，远期需采用平导压入式通风，缩短通风区段长度。

3 平导压入式通风风机控制方案

雀儿山隧道远期正常运营采用平导压入式通风，打开4号车型横通道门，新鲜风由平导两洞口轴流风机沿平导经4号车型横通道压入主隧道，污浊风由主隧道两洞口排出，通风示意图如图1所示。

3.1 计算工况

开启平导轴流风机的前提下，分别计算不同自然风速下不开和开启主隧道射流风机的工况，计算工况如表4所示，其中自然风速“+”表示自然风方向从甘孜吹向德格，“-”表示自然风从德格吹向甘孜。

表4 计算工况表

3.2 不开启主隧道射流风机

根据隧道远期需风量及阻力损失，平导两端各设置轴流风机工作，通过固定轴流边风量来模拟计算隧道中风流分配。当自然风压为0时，满足隧道内各段需风量要求的风量分配如图2所示。

由图2可以看出，在自然风压为0时，由于4号横通道两端平导和主隧道基本对称，在两端安设轴流风机一致的情况下，隧道及平导的风流分配基本对称。

当取3 m/s(甘孜→德格)和-3 m/s(德格→甘孜)的自然风速时，在只安设轴流风机的情况下，远期隧道内的风流分配如图3，图4所示。

由以上计算结果可知，当存在从甘孜端吹向德格端风速为3 m/s的自然风压时，对甘孜端主隧道风流流出起阻碍作用，从该端流出的风流减少，仅246.65 m3/s，少于需风量30 m3/s左右；而对德格端主隧道风流的流出起促进作用，从该端流出的风流急速增加，达305.43 m3/s，超过需风量30 m3/s。当存在从德格端吹向甘孜端风速为3 m/s的自然风压时，情况则相反。因此，对于该隧道的通风系统而言，自然风压的存在，对于两端风流的流动的作用是不同的，为使隧道内的风流按需分配，需在主隧道中设置射流风机。

3.3 不同自然风速下风机控制方案

为满足不同自然风压下的分风要求，应设置双向射流风机。结合隧道的建筑限界，在主隧道中设置φ1 120的双向射流风机，研究中射流风机参数如表5所示。根据计算，远期，取不同的自然风速下，主隧道两端应设置射流风机台数如表6所示。

表5 射流风机参数表

表6 不同自然风速下射流风机控制方案

由表6计算结果可知，不同的自然风方向，主隧道内射流风机的工作方向不同，为了合理分配风量，主隧道内射流风机的工作方向与自然风方向相反。自然风速越大，主隧道内需要开启的射流风机台数越多，自然风速为0时，主隧道内不需开启射流风机；自然风速为±4 m/s时，主隧道内需开启8台射流风机。

4 结论

本文采用网络通风的计算方法，对不同自然风风速工况下，双向行车特长隧道平导压入式通风进行计算，得到具体的风机控制方案，并得到如下结论：

1)雀儿山隧道近中期可采用全射流纵向通风，远期推荐采用开启4号车型横通道的平导压入式通风。

2)当无自然风时，仅需开启平导两端洞口的轴流风机，此时风量在主隧道内基本呈对称分布，满足通风要求。

3)对于雀儿山隧道的通风系统而言，自然风压的存在，对于两端风流的流动的作用是不同的，为使隧道内的风流按需分配，还需在主隧道中设置射流风机。不同的自然风方向，主隧道内射流风机的工作方向不同，为了合理分配风量，主隧道内射流风机的工作方向与自然风方向相反。

4)自然风速越大，主隧道内需要开启的射流风机台数越多，自然风速为±1 m/s时，主隧道内仅需开启1台射流风机；自然风速为±4 m/s时，主隧道内需开启8台射流风机。