李偉平 呂俊平 馮 勁 郭 霄 鄭國平

(浙江省交通規(guī)劃設計研究院有限公司1) 杭州 31006) (浙江臨金高速公路有限公司2) 杭州 310024) (浙江工業(yè)大學建筑工程學院3) 杭州 310014)

0 引 言

隧道作為相對封閉的人造空間，車輛行駛過程中將排放大量的污染物，包括顆粒物(尤其是小粒子PM10，PM2.5)、氣態(tài)一次污染物(CO，NOx，SO2，THC等)及氣態(tài)二次污染物(O3等).這些污染物不僅影響司乘人員健康及行車視線，而且對隧道洞口居住區(qū)的空氣質量產生負面作用.為此，常常需要設置龐大的機械通風系統(tǒng)來加大換氣量并降低上述污染物濃度，比如，18.02 km長的秦嶺終南山通風系統(tǒng)規(guī)模達11 274 kW，10 km長的泥巴山隧道通風系統(tǒng)規(guī)模達6 500 kW.浙江省運營中的幾座特長隧道通風設施規(guī)模同樣龐大(蒼嶺隧道7.6 km，4 580 kW；雙峰隧道6.2 km，3 510 kW；括蒼山隧道7.9 km，5 095 kW；西周嶺隧道6.8 km，4 040 kW).

然而，通風系統(tǒng)的實際使用率卻很低.根據歐盟國家的統(tǒng)計，通風系統(tǒng)占隧道總安裝功率的44%，但實際營運功率僅占16%；而照明系統(tǒng)占隧道總安裝功率的15%，但實際營運功率超過50%[1-2].國內的情況類似，西南交通大學對四川雅西高速泥巴山隧道、重慶水武路隧道群、陜西包茂高速秦嶺終南山隧道和包家山隧道、山西太古高速西山隧道和上平高速虹梯關隧道的機電設施運營情況進行過調研.這些隧道均采用了豎(斜)井分段縱向通風模式，除包家山隧道外，其余隧道一期工程均設置了軸流風機.其中泥巴山和終南山隧道每天定時開啟射流及軸流風機，其余隧道視環(huán)境情況，由人工判斷開啟，開啟時間并不多，而且有限次數的定時開啟主要是為了檢測其運行狀況.

另一方面，與文獻[3]相比，文獻[4]降低了汽車尾氣基準排放量，提高了隧道內通風衛(wèi)生標準和拖掛車的“考慮煙塵的柴油車車型系數”，明確了各類車輛的柴油發(fā)動機比例.這些調整導致了按稀釋煙塵濃度的需風量較老規(guī)范提高約30%，通風系統(tǒng)設施規(guī)模隨之增大，因此，如何降低通風系統(tǒng)設施規(guī)模，減少設備閑置是降低工程全壽命成本的源頭因素.Shou[5]針對臺灣某長大隧道進行分析，提出利用自然通風可提供至少10%之通風需求，但這一結論因隧道而異，有一定的局限性；互補式通風對單向坡隧道有較好的適用性，王亞瓊等[6-7]研究了互補式通風模式的設計方法；湖北省滬蓉高速公路上長5.9 km的大別山隧道已嘗試采用該通風模式[8]；另外，從設備選型角度，采用新型的香蕉形射流風機[9]、變頻調速器、動葉可調軸流風機[10]及自動捕風排風裝置等[11-12]也是提高通風系統(tǒng)集約化水平的有效手段.建設中的杭州-紹興-臺州高速公路(簡稱杭紹臺高速公路)特長隧道眾多，工程造價高、通風系統(tǒng)設計難度大，以此為依托介紹特長隧道通風系統(tǒng)集約化設計的理念和措施.

1 工程概況

杭紹臺高速公路是浙江公路交通“十二五”規(guī)劃中新建和預備建設高速公路中里程最長的高速公路，工程路線全長170.18 km，起點紹興齊賢，終點臨海括蒼，總投資約360億元.全線長度超過5 km的隧道有3座：陳家山隧道(5 954 m)、鏡嶺隧道(5 527 m)和大盤山隧道(8 695 m).這些隧道在初步設計階段均推薦采用豎井分段送排式通風模式，設置地面或地下風機房用于安裝大型軸流風機.施工圖設計階段開展了節(jié)能專項設計工作以優(yōu)化通風系統(tǒng)設計.

2 通風系統(tǒng)設施規(guī)模集約化的措施

2.1 利用交通活塞風量

汽車在管狀隧道中行駛形成的活塞效應帶動空氣隨著汽車行車方向流動而產生的風量稱之為“交通活塞風”.按照流體力學能量守恒定理，通過求解隧道內交通通風力=通風阻抗力時所對應的風量即可以求得交通活塞風量.文獻[13-14]對影響交通活塞風的因素開展過敏感性分析，其中影響最大的是車速，交通流量和隧道長度的影響程度較小，尤其是后者.這為特長隧道利用交通活塞風實現無動力通風提供了理論依據.

以陳家山隧道為例，算得了遠期設計交通量情況下、不同工況車速下，以及不同交通量情況下、正常行駛車時(80 km/h)的交通活塞風量、左右洞需風量，見圖1.由圖1可知，交通活塞風量完全能滿足下坡隧道的通風需要，對于上坡隧道，通風系統(tǒng)設置的重點是彌補需風量與交通活塞風量之間的缺口.

圖1 陳家山隧道不同車速和交通量時的交通活塞風量與需風量對比圖

2.2 采用互補式通風模式

互補式通風模式的理念是將相鄰左、右洞聯通起來，用下坡隧道中相對清潔的空氣去稀釋上坡隧道中相對污濁的空氣，從而實現左右洞通風負荷的均衡.經過換氣后，隧道內污染濃度較低的氣流與上坡隧道內污染濃度相對較高的氣流混合，污染物濃度增加；而上坡隧道內的高污染空氣濃度則下降.在兩條隧道的出口端，污染物的濃度均達到最大，但均應小于污染濃度臨界值.

這種通風方式有一定的適用條件，包括兩條隧道的間距不能過小，能夠有條件在隧道間開通橫洞用于構建雙洞換氣系統(tǒng)；兩條隧道的通風負荷有較大差異(大于1.5倍)；兩條隧道的通風總風量不大于其最大允許通風量之和，且小于其交通活塞風量之和才經濟.

根據需風量和交通活塞風量計算結果，陳家山隧道、鏡嶺隧道均滿足上述條件，因此，正常營運的通風模式優(yōu)化為互補式通風，保留的豎井僅用于火災時排煙，見圖2.

圖2 陳家山隧道和鏡嶺互補式風道布置圖

2.3 降低主隧道內風速

大盤山隧道遠期需風量分別為519.17 m3/s(右線)和1 420.60 m3/s(左線)，大于兩條隧道的最大允許通風量之和，因此，仍推薦采用雙豎井分段送排式通風模式.同時，擬定了兩種方案：方案A(見圖3)是盡量利用豎井送排風，主洞內風量維持在交通活塞風左右；方案B是盡量增加主隧道進口的風量，從而降低豎井內的風量和軸流風機功率.根據兩方案的同深度比較，方案A的通風能耗大大低于方案B，原因在于主洞內風量的提高，需要增加相應的射流風機進行調壓，見表1.

圖3 大盤山隧道雙豎井送排通風模式方案A氣流組織圖

2.4 與照明系統(tǒng)的協同設計

上坡隧道內的煙塵特別多且不易消散，隧道照明系統(tǒng)既要考慮光線的穿透性能，也要考慮由于煙塵反射而造成的亮度損失.而隧道通風則是降低煙霧濃度的有效手段，可見照明節(jié)能和通風節(jié)能之間存在一定的矛盾.另一方面，在設計單位，供配電、隧道通風和隧道照明往往是三個相互獨立的專業(yè)，缺乏有效的溝通協作，如何協調通風和照明兩個專業(yè)達到最佳的節(jié)能效果值得探討.

表1 不同方案下的通風設備功率對比表

以陳家山隧道為例，如果全程采用LED燈，則煙塵設計濃度K按照文獻[4]取為0.005 0，導致所需通風設備數量較大.為此，提出一種根據通風煙霧濃度按需配置照明燈具類型的設計方法，即出口末端濃度超標段約1 370 m改用色溫較低、光線穿透力強的高壓鈉燈，則通風煙塵設計濃度K可取0.006 5，需風量接近交通活塞風量(見圖4)，通風設備數量減少，通風照明系統(tǒng)總安裝功率明顯降低，見表2.

表2 不同布燈方式下的通風+照明總能耗對比 kW

圖4 不同光源對應的需風量及活塞風量

綜合上述隧道在近遠期的正常行車工況、緩速通行工況、交通阻滯工況和火災排煙工況，確定了通風系統(tǒng)的設施規(guī)模見表3.

3 結 束 語

在杭紹臺高速公路特長隧道通風系統(tǒng)節(jié)能專項設計過程中，綜合采取充分利用交通活塞風、積極采用互補式通風模式、盡力降低主隧道內風速、推進與照明系統(tǒng)的協同設計等四項技術措施，優(yōu)化了通風系統(tǒng)設計，其中陳家山隧道和鏡嶺隧道正常運營通風改用互補式通風模式，火災時仍采用豎井分段縱向排煙模式，大盤山隧道優(yōu)化了主風道內的風速.以上措施的采用有效降低了通風系統(tǒng)安裝功率，為減少今后運營期間的設備閑置和運營能耗打下良好基礎.

表3 優(yōu)化前后的通風系統(tǒng)規(guī)模