云南某公路隧道需风量预测及其射流风机设置研究

董震，罗胜军，徐尚友，杨勇，张云安

（云南交投集团公路建设有限公司，云南 昆明 650100）

1 前言

近年来，隧道及地下工程建设得到了飞速发展，随着隧道跨度的增大，隧道通风成为一个研究重点。隧道通风影响隧道施工及运营过程，且随着隧道长度的增加，隧道通风设计运营维护成本增大。因此，长大隧道通风方案的优化研究成为工程中亟待解决的问题。

国内外学者在特长隧道的施工通风优化方面已展开了一些研究，罗燕平等针对金家庄特长螺旋隧道施工方案中存在的工作面通风效果差的问题，提出了风仓式通风方案；张云龙等提出了瓦斯特长隧道的风管最佳布置方案；张恒等通过现场监测和数值模拟方法，研究了射流风机设置高度、风管放置高度等对隧道通风的影响；雷帅等通过分析南大梁高速公路华蓥山隧道内的通风流场及有害气体分布，对隧道施工的通风方案进行了优化研究；谭信荣等基于洞内空气质量的现场测试数据，提出了相关降低隧道内粉尘含量的通风措施；李勇等以金瓜山隧道为背景，对长距离独头通风和多工作面通风的隧道通风提出了优化措施。古尊勇等以高原雪山隧道为研究背景，将隧道内粉尘浓度及气体流程的监测数据与数值模拟相比较，对通风方案进行优化；王应权对隧道横通道形状和夹角进行分析，选择及优化了长大铁路隧道施工的通风方案；刘威通过对某公路隧道的模拟，进行了通风方案的优化与火灾模拟研究。

本文主要基于云南某公路隧道的远期及近期交通量预测，对隧道中一氧化碳（CO）及烟尘（VI）排放量进行理论分析，对稀释有害气体的需风量和隧道换气需风量进行了计算。通过理论计算结果对比，合理选取射流风机数量及布置形式，并分析自然风速对射流风机设置的影响。

2 云南某公路隧道交通量预测及需风量计算

隧道通风既要考虑投资建设成本，又要考虑运营维护费用。因此，隧道通风设计方案应考虑近期与远期相结合原则。隧道通风设计应根据公路等级、隧道长度、设计速度、设计交通量、地质地形等因素，进行综合技术比较，确定合理的通风方案。

图1 隧道主洞建筑界限及净空断面图

据云南某公路隧道的环境报告书，预测特征年为近期的2027 年和远期的2035 年。根据隧道所在路段项目可行性研究报告提出的预测年平均日交通量进行换算，其中山岭重丘区隧道设计小时交通量系数取12%；单向交通隧道的方向分布系数取55%。交通量预测结果见表1。

表1 隧道交通量

根据交通量的结果，可计算有害气体排放量及需风量，有害气体排放量计算中CO 排放量计算公式为：， 其中fh为考虑CO 的海拔高度系数，按规范取值（平均海拔高度1600m，）；VI 排放量计算公式为：

根据有害气体的排放量，可进一步计算稀释CO 及烟尘的需风量。其中稀释CO 的需风量为其中δ为CO 设计浓度p 为隧址设计气压（取84.349kN/m²）。稀释烟尘的需风量为，其中为隧道全长稀释烟雾的需风量（m³/s）；K 为烟雾设计浓度，（按设计行车速度取0.007m-1）。

同时，采用纵向式通风的隧道，其换气需风量为按以下两公式计算结果的大值。即或，其中为隧道换气需风量（m³/s）；为隧道净空断面面积（m2）；为隧道最小换气频率；为隧道换气风速。

机动车有害气体基准排放量按每年2%的递减率计算设计目标年份获得的排放量，为隧道通风设计目标年份的基准排放量，最大折减年限不超过30 年。2000年，CO 的排放量为0.015m³/s，VI 的排放量为2m³/s，则可得2027 年CO 和VI 的基准排放量分别为0.0041m³/s和1.159m³/s，2035 年的CO 和VI 的基准排放量为0.0038m³/s 和1.091m³/s。根据通风相关规范，取隧道换气频率为3 次/h，换气风速为2.5m/s。

得到隧道左、右线不同设计年限下稀释CO、稀释VI 及换气的需风量结果如表2 所示。

表2 云南某公路隧道左右线需风量计算结果（单位：m³/s）

根据需风量计算结果，按稀释CO 需风量、稀释VI需风量以及换气需风量三者取最大值。隧道左线近、远期控制需风量均取隧道换气需风量162.825m³/s；隧道右线近、远期控制需风量均为稀释VI 需风量，取值分别为181.71m³/s 和185.98m³/s；两线最大设计风速4.20m/s，满足规范中小于10m/s 设计风速的要求。

现今，全球水资源紧张，科学合理利用水资源，实现水利自动化的信息处理与决策是解决水资源紧缺的有效手段。我国水利自动化基础技术处于世界领先水平，但水资源分布严重不均衡，如何实现长期水利自动化及水资源调配是亟需攻克的难题，因此，需加大资金和研究投入，不断更新水利信息化的技术水平，将理论与实践有效结合，为水资源的开发利用、配置和使用、保护与治理等提供科学决策，进一步提高我国水利行业的科学管理水平。

3 云南某公路隧道通风的射流风机设置研究

本文研究隧道为约3.1km 的长大隧道，根据设计风速角度出发，满足全射流纵向通风方式。在进行全射流纵向通风时，隧道内气流稳定后，压力平衡应满足：

该隧道所选风机类型为ø1120 的射流式通风机，出口风速≥31m/s,流量≥35.5m³/s，风机功率37W。经以上计算可得，考虑自然风风速为3m/s，以两台风机为一组，根据近期的通风需要，隧道左、右线各需配置风机17 组；根据远期的通风计算，左、右线需各增加风机13 组，即30 组。两风机之间的横向净距为1 倍风机叶轮直径，纵向间距按风机数量等距离布置。

进一步根据上述隧道左线近期相关设计参数，分析自然风速对射流风机的影响，计算射流风机数量，其中射流风机出口风速为31m/s，风向与自然风方向相同。计算得到所需的风机数随自然风速的影响如图2 所示。

图2 所需的风机数随自然风速的影响

由云南某公路隧道的通风计算结果可见，射流风机数量与自然风力有关。由于射流风机的升压作用，风机入口处的风速较自然风速发生变化。风机上方气体被卷入风机内，从风机出口释放出，在一定距离内，风流将以风机间距离保持单独射流，由于隧道壁面的限制和风流横向扩散，两股气流汇聚成一股，最终由于沿程摩阻力，风速逐渐减小。

当自然风风速与隧道车辆行驶方向相同时，对隧道内的通风换气起到了促进作用，可在满足通风换气需求的条件下，适当减少射流风机的开启数量；当自然风风速与隧道车辆行驶方向相反时，自然风流加速了射流风机风流的扩散作用，自然风起到了阻碍作用，为了满足隧道内通风换气的需求，这时应相对增加射流风机开启的数量。

通过上述自然风速对射流风机的影响分析，自然通风力随自然风速的增加而增大，所需风机数量也相应减小。

4 结语

基于云南某公路隧道的远期及近期交通量预测，对隧道中有害气体排放量进行理论分析，得到稀释有害气体及换气的最大需风量。通过隧道内气流的压力平衡，得到射流风机数量及布置形式，并分析了自然风速对射流风机设置的影响。

（1）根据对云南某隧道的需风量计算结果，其左线的近期及远期最大需风量为换气需风量162.825m³/s；右线的近、远期控制需风量均为稀释VI 需风量，分别为181.71m³/s 和185.98m³/s；在隧道通风设计中，隧道换气需风量不可忽视。

（2）射流风机的射流升压受自然风的大小和方向的影响，因此，合理利用自然风速，并相应调整射流风机数量，能达到有效的通风换气效果，同时，可以减少通风费用，有利于通风节能。

（3）公路隧道通风设计中涉及多方面的因素，要考虑相关参数和车型变化对现行规范的影响。在满足合理通风的基础上进行优化设计，对节约资源、减少有害气体排放有重要意义。