新屋基特长隧道互补式网络通风方案研究

何晓东 HE Xiao-dong；郑丽华 ZHENG Li-hua；李红 LI Hong；金鑫 JIN Xin

（①中信建设有限责任公司，北京 100010；②四川资阳临空产业新城建设开发有限公司，资阳 641300）

0 引言

公路隧道通风是为了维护隧道内的空气质量和在火灾等紧急情况下排放烟气，从而保障行车和人员安全。在满足隧道规范规定的相关标准前提下，通风方式和控制方法的选择将极大的影响隧道初期投资及建成后的运营成本。且在隧道设计时，设计人员在综合考虑地形、地质等因素下，往往将隧道设计成带有一定坡度的单向坡隧道，这样有利于施工和运营期间水的排放。在隧道中，坡度的存在会导致上下行车辆排放的污染物浓度有较大的差异。即使在上下行的车流量和车型完全相同的情况下，通常情况下，上坡一侧的隧道车辆排放的污染物量会大于下坡一侧的隧道车辆排放的污染物量，为确保上下行隧道内的污染物浓度限值都到达相关规范的要求和标准，上行一侧的隧道通风负荷将大于下行一侧隧道的通风负荷。在公路隧道建设的实践过程中，设计人员和科研人员对双洞单向交通公路隧道通风负荷的不均匀性进行了研究，并提出了双洞互补式通风方式。这种通风方式能够有效发挥下坡隧道的通风潜力，减少通风资源的浪费，并且可以大幅度缩减隧道通风系统的规模，从而降低后期的运营费用。胡彦杰等（2011）对大别山隧道采用网络式互补通风进行了相关的分析研究；姜同虎等（2019）对多种隧道通风方式进行了分析比较，得出了各自的优劣，经论证，采用网络式互补通风方式具有很大的经济价值；王亚琼等（2015）对隧道采用网络式互补通风方式的适用性进行了分析；夏丰勇等（2012，2015）通过数值模拟和物理模型等手段对特长公路隧道双洞网络互补式通风进行分析研究，给出了该通风方式的理论计算公式以及适用条件。

本文依托新屋基隧道工程，在综合考虑自然风和各特征年车型比例构成等相关因素下，对近远期设计方案设计风量、通风系统安装范围和通风换气量等的确定进行了相关计算，结果表明，网络式互补通风方案适用于单坡隧道。诚然，随着新能源汽车战略的实施和推进，可以预测隧道内的污染物排放量将下降，网络式互补通风将更能发挥其优势。

1 工程概况

新屋基特长隧道是重庆沿江高速公路的控制性工程，为双向四车道分离式隧道，左右洞测设线相距18～30m。左线长6002m；右线长6015m。设计时速80km/h。设计为1.970%的单向纵坡。

2 通风设计相关参数

2.1 通风计算参数

扣除各种设备风阻物（见表1）后隧道有效过风面积：四车道为62.71m2，当量直径：8.2m。

表1 隧道风阻物

2.2 交通量与交通组成

根据工程可行性研究报告提供的数据，该隧道的近期交通量为40194 辆/天，远期交通量为51138 辆/天。交通组成详见表2。在计算中，取K=10.05%，D=0.55。

表2 各特征年车型比例构成预测（%，当量交通量）

2.3 需风量计算（表3）

表3 新屋基隧道各工况下的计算需风量 单位：m3/s

根据《重庆市隧道通风照明供配电指导意见修订本》的要求，新屋基隧道设置了完善的交通监控系统。当平均行车速度低于30km/h 时，管理机构需充分发挥交通监控系统的功能，对交通实施管制。因此，隧道通风系统的设计不以交通阻塞作为控制工况。设计需风量按照行车速度进行确定，行车速度以表3 所示每10km/h 为一档。同时考虑阻滞状态、稀释空气异味和火灾等工况下的需风量，取其最大值为设计需风量。

3 互补式网络通风基本原理

互补式网络通风基本原理是利用纵向通风结合双向换气系统将两条隧道连接起来，形成一个整体进行内部相互通风换气。通过将一条隧道内富余的新风量与另一条隧道内新风量不足的情况相互补充，可以确保两条隧道内的空气质量均能够满足通风要求。（如图1）。

图1 双向互补式网络通风系统效果图

在双洞互补式网络通风系统的作用下，污染物浓度的分布大致如图2 所示。左线隧道内的气流经过双向换气系统后，与右线隧道内污染浓度较高的气流进行交换，导致污染浓度显著增加。而右线隧道经过双洞互补式网络通风系统后，污染浓度有一定比例的下降。在两条隧道的出口端，污染物浓度均达到最大值，但仍低于污染浓度限制值。如果不采用双洞互补式网络通风系统，右线隧道内的污染物浓度在隧道后半段可能会超出限制值，通风系统无法确保隧道内的空气质量。而左线隧道内的污染物最大浓度远低于限制值，说明通风过度，造成电力浪费。

图2 污染物浓度分简图

4 近远期设计方案

4.1 设计风量的确定

依据互补式网络通风原理，为了确保左线隧道内的空气污染浓度不超过限制值，需要利用左线隧道内的风机来提供不足的风量。因此，左线隧道的设计风量需要大于其需风量。假设两条隧道的污染物最大浓度都等于限制值，则左、右线隧道的设计风量之间存在以下关系：

QL=（qL+qR）-QR，由表3 可得。

近期：qL+qR=806.3m3/s。安全起见，总设计风量设定为820m3/s。根据需求，左线最大需风量为150.92m3/s，右线最大需风量为655.11m3/s。通过大量的试算，当左右线的设计风量相等时，这将是最经济合理的网络通风方案。

即QL=QR=410m3/s VL=VR=6.54m/s

远期：qL+qR=931m3/s。安全起见，总设计风量设定为940m3/s。根据需求，左线最大需风量为176.48m3/s，右线最大需风量为756.12m3/s。通过大量的试算，当左右线的设计风量相等时，这将是最经济合理的网络通风方案。

即QL=QR=470m3/s VL=VR=7.5m/s

4.2 通风系统安装范围的确定

确定互补式换气系统的位置非常关键。如果不能将其安装在适当的位置，互补式换气系统将无法发挥最佳效果，甚至可能对整个隧道通风系统产生不利影响。为了确定合理的安装范围，需要根据通风基本原理，并综合考虑各种影响因素。图3 为安装范围示意图，其中两条粗实线表示未安装双向换气系统时左、右线隧道内的污染物浓度分布。确定Lm的计算式可依据公路隧道通风基本理论列出以下计算式：

图3 安装范围示意图

同理Ln可根据污染物浓度相等的原则，列出以下计算式可得到：

近期设计风量的网络通风安装范围如下：

远期设计风量的网络通风安装范围如下：

4.3 互补式网络通风换气量的确定

假定两条横通道内的空气流量和换气量相等以及隧道出口处污染物浓度相等的原则，可求得双向换气系统交换的空气流量Qh1 和Qh2。见下式：

因此，

由此可得出近远期通风横通道交换风量变化图（图4和图5）。

图4 通风横通道交换风量变化图

图5 通风横通道交换风量变化图

（其中，近期：qL＝150.92m3/s、qR＝655.11m3/s、QL=QR=410m3/s、LR=6015m、LL=6002m；远期：qL＝176.48m3/s、qR＝756.12m3/s、QL=QR=470m3/s、LR＝6015m、LL6002m）

由图4 和图5 可知，通风横通道的设计风量随着通风横通道系统在允许安装范围内向右移动而逐渐增大。为了减小通风横通道的设计风量，可以将通风横通道安装在允许安装范围的最左端。根据已经设置的人行、车行横洞位置以及隧道内围岩情况综合考虑，通风横通道的理想位置是离右线隧道入口约3700m 处，并且考虑了漏风量。近期通风横通道的设计风量为240m3/s，远期通风横通道的设计风量为260m3/s。

5 结论与建议

新屋基隧道左线近、远期是稀释异味情况下所需风量最大，为313.67m3/s（换气3 次），右线近、远期是稀释烟雾情况下所需风量最大，分别为655.11m3/s、756.12m3/s。左右线近、远期通风负荷比分别为2.09、2.41；左右线相距40m左右，有设置通风换气条件，且左右线总需风量不超标，采用网络式互补通风方案具有可行性。不论从技术的角度，还是从经济的角度比左线采用全纵向通风方案和右线采用送排式分段通风方案都有很大的优势。经过多次试算，近远期互补式通风横通道设置在距行车方面右线入口3700m 是合适的，并且近远期通风横通道交换风量相差不大（近期交换风量240m3/s，远期交换风量260m3/s），采用互补式网络通风方案交换风量可不分近远期，统一交换风量为260m3/s。可以展望的是随着新能源汽车的大力推广与普及，隧道内的车辆污染物排放将会随之下降，网络式互补通风方案的优势将更一步突显。采用互补式网络通风方案，能够满足隧道正常运营通风，但缺点是排烟通道只能利用主洞，距离较长，如何能在确保安全的前提下通过其他途径适当减少排烟区段长度，确保火灾时逃生和救援、消防作业安全，还需进一步深入的研究。