高速公路隧道通风计算分析

易 茜

(广西交科集团有限公司，广西 南宁 530007)

0 引言

近年来，随着《广西高速公路网规划(2018—2030年)》和《广西普通公路省道网规划(2011—2030)》的正式批复，广西公路建设迅猛发展，加快构建“县县通高速路、镇镇通二级路”，到2030年，广西高速公路总里程将达到15 200 km，形成“1环12横13纵25联”的高速公路网。随着高速公路的建设不断走向深水区，越来越多的高速公路向山区较多的区域延伸，高速公路桥隧比显著增高，长大隧道增多。隧道是高速公路的重要组成部分，而隧道通风设计是建设公路隧道中至关重要的一个环节，直接影响着高速公路隧道运营的安全及成本。隧道通风系统耗能高、运营成本高已成为高速公路隧道运营管理单位的难题之一，如何在确保隧道运营安全的基础上设计出节本增效、环保节能的通风系统，成为目前研究的重点课题。

本文基于此背景，探讨了高速公路隧道通风系统的重要性，回顾了我国公路隧道通风设计规范发展历程和国内外研究现状，同时《公路隧道通风设计细则》(JTG/T D70/2-02-2014)作为公路工程行业推荐性标准，于2014-08-01起施行，对我国公路隧道通风设计起到了很好的规范和指导作用，但此设计细则发布至今已有近7年的时间，对于当时未预见到的发展趋势以及其中值得深究的问题，需要进行进一步的探讨。笔者通过近年来在隧道机电设计工作中总结的经验，针对“十四五”期间的新形势、新要求，提出隧道通风计算的一些思考。本文主要讨论长度<5 000 m、适用于全射流通风方式的公路隧道。

1 高速公路隧道通风

1.1 高速公路隧道通风系统的重要性

隧道是一个相对密闭的区域，车辆排出的废气无法通过自然风或者活塞风排出扩散到大气中，尤其是针对长隧道、特长隧道而言，自然风、交通风对隧道中空气进行置换的能力较差，无法满足高速公路运营的卫生标准要求。应将汽车尾气中包含的许多有毒有害气体和颗粒置换出隧道，否则浓度过高将危及人体健康甚至生命。同时，公路隧道内的烟雾浓度过高时会影响行车视野，降低车辆安全行驶视距，增加安全隐患，若隧道内发生重要事故或者火灾，情况会更加严峻。因此在高速公路隧道安装通风系统显得尤为重要，可切实保障高速公路隧道的行车安全。

1.2 高速公路隧道通风设计规范发展历程

在20世纪90年代初及以前，我国高速公路隧道并没有相应的技术标准，直到2000年《公路隧道通风照明设计规范》正式颁布实施，对我国公路隧道通风技术的发展起到了重要作用，对我国过去十几年的高速公路隧道通风设计与建设运营起到了重要的指导作用。近些年随着我国汽车制造业水平的发展，尾气净化度和能源利用率等很多方面都发生了较大变化，2014年颁布实施了《公路隧道通风设计细则》(JTG/TD70/2-02-2014)，对一氧化碳的排放计算标准、最大浓度标准等做了较大改变，使其可以更好地为公路隧道通风发展提供指导。

2 高速公路隧道通风计算

2.1 隧道通风设计流程

隧道通风计算复杂，在初步判定隧道采用机械通风后，需要从隧道主体专业获取隧道长度、海拔高度、坡度、隧道断面、平纵线型、周长、当量直径等资料，从工可资料中获取交通量、车道数、设计小时交通量系数、方向分布系数等数据，并查询隧址夏季气温、大气密度等数据。从10 km/h至设计时速，按10 km/h每档，计算各速度工况下稀释烟尘、CO需风量、换气需风量，根据隧道排烟需风量得到火灾工况下的需风量，以及所有工况下的最大需风量及设计风速。计算各速度工况下所需的升压力，根据风机选型得到单台风机升压力，并考虑一定的备用，最终得到隧道风机设计数量。

2.2 设计年份基准排放量计算

《公路隧道通风设计细则》中，主要将车型分为了小客车、小货车、大客车、中货车、大货车、集装箱及拖挂车等类型，下文列举了我国各类机动车发动机类型的一般比例(见表1)，并分别设定了考虑烟尘及CO的车型系数，如表2和表3所示。在烟尘及CO排放量的计算过程中，取2000年的机动车尾气排放的有害气体作为基准，烟尘的基准排放量为2.0 m2/(veh·km)，正常交通时CO的基准排放量为0.007 m3/(veh·km)，交通阻滞时取0.015 m3/(veh·km)，且阻滞段长度≤1 000 m；以2000年为起点，按每年2.0%的递减率进行折减，最大折减年限不超过30年。

表1 各类车辆的发动机类型比例一览表

表2 考虑烟尘的柴油车车型系数fm(VI)一览表

表3 考虑CO的车型系数fm一览表

因此，现阶段在各设计单位进行工程可行性研究时，一般按照上述车辆类型进行分类统计，进行初步设计及施工图设计时，根据工可交通量数据作进一步的隧道通风计算。现阶段设计的公路中，大多于2024年以后通车，近远景年份均在2030年后，对基准排放量进行折减时，均按照2030年的折减数进行折减，其含义就是机动车烟尘及CO排放量不会无限降低，在2030年后将趋于平稳。

而在机动车发展形势中，不得不提的就是新能源汽车的发展，单纯地靠分析燃油车的技术、占比及发展趋势已经不能完全地代表公路上的交通组成及有害气体排放量。根据统计数据显示，2011年我国新能源汽车销量仅为0.816万辆，而截至2020年年底，全国新能源汽车保有量达492万辆，占汽车总量的1.75%。仅2020年，新能源汽车销量为136.7万辆；新能源汽车增量连续三年超过100万辆，呈持续高速增长趋势。《新能源汽车产业发展规划(2021—2035年)》指出，到2025年，新能源汽车新车销售量达到汽车新车销售总量的20%左右，到2035年，纯电动汽车成为新销售车辆的主流。新能源汽车已经成为公路上不可忽略的参与者。

目前看来，小客车中新能源汽车的占比已经逐步扩大，尤其是一些限牌的一线城市；货车也有电动化的趋势，但是取代的基本是一些轻型货车，重型货车的能源仍以柴油为主。而且随着续航能力的提升、服务区充电桩建设的逐步铺开，未来新能源汽车的行驶半径将会逐步扩大，更多地出现在公路隧道中。因此，工可交通量统计中未考虑电动汽车占有率，设计细则中仅根据各车型中柴油发动机、汽油发动机的比例进行隧道通风计算，容易造成需风量计算值偏大，提高前期建设成本以及后期运营成本。而新能源汽车的发展，也让2030年后公路上的烟尘及CO排放量继续降低成为可能。

2.3 阻滞段的选取及计算

较长的山岭隧道通常采用“人”字坡设计，短隧道可用单向坡。“人”字坡一方面可以避免重车在隧道行驶时长期处于下坡状态，减少制动距离，提升安全系数，一方面可以使洞内的积水有效地排出隧道。但“人”字坡隧道烟气的蔓延更复杂，有害气体通常在“人”字坡坡顶形成积聚，达到最高值。

《公路隧道通风设计细则》中，对于长度>1 000 m的隧道，建议阻滞段计算长度≤1 000 m，高速公路阻滞段的行车速度≤30 km/h。因不同坡度对应的考虑烟尘的纵坡-车速系数fiv(VI)和考虑CO的纵坡-车速系数fiv(CO)有较大区别，上坡路段的系数大于下坡路段，因此进行通风计算时，阻滞段的选择应首选上坡路段，即假设阻滞发生在上坡路段时，会产生该隧道当前时速下的最大需风量。如有条件，隧道土建专业与隧道机电专业可以进行协同设计，避免因隧道坡度导致行车时产生过多的有害气体。

然而，因为隧道内风机虽然通常分两段或三段布设，但都是为整条隧道服务的，所以在计算隧道需风量时，虽然设定阻滞段为1 000 m，但阻滞段外仍应考虑正常工况行车，隧道阻滞段外的部分长度可按时速40 km/h进行需风量计算。

3 结语

高速公路隧道运营的安全与环保节能是一项至关重要的工程，与时俱进的设计理念、不断完善的体系标准和节能各项措施是不断推动高速公路隧道建设和运营发展的关键因素。本文通过对高速公路隧道通风系统的探讨，研究当前标准体系下隧道通风系统设计需完善的地方，基于通风设计过程中的数据分析，提出更为完善的控制设计方案，以便更好地总结实践经验，完善隧道通风系统技术，推动高速公路隧道通风设计向安全合理、节能环保的目标发展，为精细化、节约化高速公路运营管理提供理论支撑。