付朝輝，曾艷華，何 濤

8km特長公路隧道通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化配置

付朝輝1,2，曾艷華1,2，何 濤3

（1. 西南交通大學(xué)，交通隧道工程教育部重點實驗室，成都 610031；2. 西南交通大學(xué)，土木工程學(xué)院，成都 610031；3. 四川南渝高速公路有限公司，四川 南充 637000）

豎（斜）井送排通風(fēng)已經(jīng)成為高速公路特長隧道通風(fēng)的主流形式, 但存在通風(fēng)附屬土建工程量大, 運營通風(fēng)設(shè)備長期閑置等問題。論文以南（充）大（竹）梁（平）高速公路華鎣山隧道為工程依托, 展開8 km特長公路隧道通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化配置研究, 在通風(fēng)方案及土建工程配置優(yōu)化的基礎(chǔ)上, 展開了通風(fēng)機電設(shè)備分期配置及節(jié)能運營分析, 提出8 km特長公路隧道單豎井應(yīng)對異常交通情況的通風(fēng)方案。結(jié)果表明: （1）華鎣山隧道可取消原左線通風(fēng)豎井及地下風(fēng)機, 采用全射流通風(fēng); 右線采用豎井送排式通風(fēng), 豎井直徑優(yōu)化為7m, 同時為兩線排煙。（2）為避免8 km特長公路隧道通風(fēng)機電投資的增大, 并降低運營能耗, 華鎣山隧道運營通風(fēng)可按稀釋污染濃度控制, 左線通風(fēng)設(shè)備配置將大大減少, 右線隧道可階段性采用全射流方案。（3）在左線隧道增設(shè)送風(fēng)口, 可提高8 km公路隧道設(shè)單豎井情況下應(yīng)對異常交通流的通風(fēng)能力。

8 km特長公路隧道; 通風(fēng)土建工程; 機電設(shè)備; 優(yōu)化配置

0 引 言

隨著我國公路網(wǎng)的發(fā)展和隧道建設(shè)技術(shù)的提高，特長公路隧道在我國大量出現(xiàn)，國內(nèi)長度超過5 000 m的特長高速公路隧道已經(jīng)超過200座[1,2]。由于豎（斜）井送排與射流風(fēng)機組合的縱向通風(fēng)方式能有效利用活塞風(fēng)、縮短排煙長度、適用長度長，已經(jīng)成為長度大于5 000 m高速公路特長隧道的主流通風(fēng)方式[3]。

我國首次應(yīng)用該通風(fēng)方式是在浙江大溪嶺—湖霧嶺隧道中，王曉雯、蔣樹屏通過流體力學(xué)的基本理論，對送排風(fēng)口的升壓力及隧道的壓力模式進行了推導(dǎo)[4]；方磊、謝永利等對送排式通風(fēng)送排風(fēng)口角度優(yōu)化進行了研究，分析了不同送排風(fēng)口角度隨不同風(fēng)速的變化規(guī)律，提出了送排風(fēng)口與隧道軸向的最優(yōu)化夾角[5-7]；夏永旭等依托秦嶺終南山隧道提出了多豎井送排與射流風(fēng)機組合的縱向通風(fēng)方式應(yīng)用及需要解決好的關(guān)鍵問題[8]；吳德興、鄭國平等依托浙江蒼嶺隧道提出了多豎井送排與射流風(fēng)機組合的縱向通風(fēng)方式的計算方法和節(jié)能運營方案[9, 10]；王明年等依托泥巴山隧道展開了多斜井與射流風(fēng)機組合的通風(fēng)隧道的自然風(fēng)計算方法和節(jié)能研究[11]；閆志國、付修華等依托終南山公路隧道展開了豎井送排與射流風(fēng)機組合通風(fēng)隧道火災(zāi)排煙試驗及風(fēng)流組織研究[12, 13]；曾艷華等針對斜井送排與射流風(fēng)機組合通風(fēng)隧道展開了火災(zāi)救援通風(fēng)研究，提出了火災(zāi)發(fā)生在不同位置的風(fēng)機開啟方案[14]；萬良勇等展開了豎井送排式通風(fēng)隧道火災(zāi)溫度分布特征模型試驗研究，研究了火災(zāi)時隧道拱頂及火源前后隧道中心線不同高度處的溫度分布特征[15]。

通過上述研究，豎（斜）井送排與射流風(fēng)機組合的縱向通風(fēng)方式在長度大于5 000 m高速公路特長隧道中得到了廣泛應(yīng)用。但通風(fēng)豎（斜）井的設(shè)置，不可避免地增大了隧道的土建和機電規(guī)模及投資，也增大了運營維護成本。作者課題組于2016年3月在四川、重慶、山西、陜西的十余座（5座10 km以上）采用豎（斜）井送排與射流風(fēng)機組合的縱向通風(fēng)特長隧道運營現(xiàn)狀調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，實際運營過程中，豎（斜）井軸流風(fēng)機并未開啟，射流風(fēng)機也僅偶爾開啟，通風(fēng)狀況依然良好；這些隧道中，部分隧道的運營已經(jīng)超過十年，設(shè)備長期處于閑置狀態(tài)，僅在每周或每月定時開啟，以檢測設(shè)備是否存在故障。因此在采用豎（斜）井通風(fēng)的隧道中，如何減小豎（斜）井的規(guī)模及機電設(shè)備投資是通風(fēng)設(shè)計中面臨的重要問題。

南大梁高速華鎣山隧道左右線長度分別為8 150 m和8 168 m，原設(shè)計通風(fēng)系統(tǒng)布置如圖1所示，左右線各設(shè)一座豎井（左線豎井Φ7.5 m，深464 m；右線豎井Φ8 m，深394 m，左右線豎井均設(shè)中隔墻）及地下風(fēng)機房，均采用豎井送排與射流通風(fēng)組合方式，通風(fēng)機總功率達(dá)5000 kW，通風(fēng)土建及機電配置工程偏大。本文在華鎣山隧道通風(fēng)方案、豎井位置及建設(shè)規(guī)模優(yōu)化的基礎(chǔ)上，提出8 km單豎井通風(fēng)特長公路隧道機電優(yōu)化配置及運營節(jié)能方案。

圖1 華鎣山隧道原通風(fēng)系統(tǒng)平面布置圖

1 通風(fēng)土建優(yōu)化方案

1.1 通風(fēng)方案優(yōu)化

華鎣山隧道于2011年開工建設(shè)，根據(jù)《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細(xì)則》（以下簡稱《設(shè)計細(xì)則》）（JTG/T D70/2-02-2014），參考工程可行性研究文件，將方向不平衡系數(shù)和設(shè)計小時交通量系數(shù)取為0.511和0.11。結(jié)合施工情況，華鎣山隧道并沒有H2S氣體溢出，將換氣頻率優(yōu)化為每小時3次，則左線隧道內(nèi)的風(fēng)量優(yōu)化為436 m3/s，右線隧道中遠(yuǎn)期風(fēng)量分別優(yōu)化為437 m3/s和541 m3/s。右線隧道內(nèi)遠(yuǎn)期風(fēng)速為8.42 m/s，左線隧道風(fēng)速僅6.81 m/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于10 m/s。原通風(fēng)方案兩隧道各建設(shè)一座豎井及風(fēng)機房，工程極為浪費。

兼顧兩線隧道的防災(zāi)通風(fēng)，將華鎣山隧道通風(fēng)方案優(yōu)化為：保留右線隧道豎井及風(fēng)機房，取消左線隧道豎井及地下風(fēng)機房；右線隧道運營采用豎井送排式與射流風(fēng)機組合式通風(fēng)，左線隧道運營采用全射流通風(fēng)；火災(zāi)時，兩隧道均采用分兩段排煙方式，豎井兼顧兩隧道排煙。

1.2 豎井位置優(yōu)化

綜合考慮地形地貌、地質(zhì)條件和施工條件，結(jié)合分段排煙長度的規(guī)定，在K109+000～K110+400范圍內(nèi)選定5個豎井位置。根據(jù)右線隧道的中遠(yuǎn)期需風(fēng)量擬定出五個位置方案豎井送排風(fēng)量，如表1所示。

表1 各豎井方案送排風(fēng)量

從表1中可以看出，五個位置方案中期的送排風(fēng)量之和在429 m3/s與442 m3/s之間，遠(yuǎn)期的送排風(fēng)量之和在529 m3/s與550 m3/s之間。若右線按原設(shè)計豎井直徑8.0 m，豎井中的風(fēng)速中期約為8.97~9.25 m/s，遠(yuǎn)期為11.07~11.50 m/s，小于《設(shè)計細(xì)則》中提出的13~20 m/s[16]，通風(fēng)豎井的建設(shè)規(guī)模偏大。將豎井直徑優(yōu)化為7.0 m，豎井風(fēng)速在中期約為11.80~12.17 m/s，遠(yuǎn)期為14.56~15.14 m/s，豎井內(nèi)遠(yuǎn)期的風(fēng)流速度在規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)，建設(shè)規(guī)模合理。

按豎井直徑7.0 m計算得出不同豎井位置方案所需的風(fēng)機總功率（見圖2）?？梢钥闯鲋衅诟鞣桨傅墓β氏嗖畈淮?，但遠(yuǎn)期所需送排風(fēng)機總功率則相差較大；遠(yuǎn)期方案1最小，其余方案比方案1分別大13%、21%、27%、19%。由此計算出運營20年，其余4個方案分別比方案1的能耗高約7%、14%、22%和15%。

圖2 不同豎井方案通風(fēng)能耗

各豎井位置方案的總體比較如表2所示。從通風(fēng)運營能耗來看方案1明顯優(yōu)于其他方案；從土建工程比選可看出方案1和方案5各方面情況大致相當(dāng)，都明顯優(yōu)于其他方案；結(jié)合通風(fēng)運營能耗、豎井工程規(guī)模、進場道路條件、施工供電距離及棄渣運距等因素，選擇豎井位置方案1（K109+050）。

表2 各豎井方案總體比較表

1.3 豎井中隔墻位置的優(yōu)化

按開挖直徑7 m，根據(jù)表1中方案1的中、遠(yuǎn)期送排風(fēng)量，設(shè)中隔墻將豎井分隔為送風(fēng)井和排風(fēng)井，提出以下五種斷面分隔方案：

方案①：送風(fēng)面積22.73 m2，排風(fēng)面積13.69 m2。

方案②：送風(fēng)面積20.64 m2，排風(fēng)面積15.75 m2。

方案③：送風(fēng)面積18.04 m2，排風(fēng)面積18.04 m2。

方案④：送風(fēng)面積15.75 m2，排風(fēng)面積20.64 m2。

方案⑤：送風(fēng)面積13.69 m2，排風(fēng)面積22.73 m2。

各方案送排風(fēng)井的通風(fēng)能耗如圖3所示。運營中期方案⑤的通風(fēng)能耗最大，方案④次之。運營遠(yuǎn)期隨著送風(fēng)面積的減小，方案⑤的能耗最大，方案①次之，方案②、方案③、方案④基本相當(dāng)。綜合考慮，方案③等分豎井，為了便于施工，故建議采用豎井中分隔方案。

圖3 不同豎井分隔方案能耗比較

Fig 3 Comparison of energy consumption for each shaft separation schemes

按照上述系統(tǒng)優(yōu)化，右線隧道需風(fēng)量比原設(shè)計有較大程度的減小，右線豎井送排風(fēng)機中、遠(yuǎn)期運營功率由原來的2 042 kW和2 392 kW分別減小到934 kW和1 340 kW，中遠(yuǎn)期總功率分別減小約54%和44%。

左線隧道運營通風(fēng)優(yōu)化為全射流通風(fēng)，經(jīng)計算中期需設(shè)置功率為1120 mm（37 kW）射流風(fēng)機60臺，遠(yuǎn)期需設(shè)置50臺。左線隧道減少了豎井及風(fēng)機房的土建工程投資，以及豎井軸流風(fēng)機及供配電系統(tǒng)，但增加了射流風(fēng)機及供配電系統(tǒng)，通風(fēng)總能耗與原設(shè)計相當(dāng)。

通過上述通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化，取消了一座7.5 m豎井（深464 m）和地下風(fēng)機房，并減小了右線豎井建設(shè)規(guī)模，優(yōu)化了豎井中隔墻位置。

2 通風(fēng)機電設(shè)備分期配置及節(jié)能運營

2014年新頒布的《設(shè)計細(xì)則》的通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)中，明確提出了稀釋異味為通風(fēng)設(shè)計的舒適性標(biāo)準(zhǔn)，且隧道最小換氣頻率不低于每小時3次。該需風(fēng)量往往成為一些山區(qū)特長公路隧道的控制風(fēng)量，控制隧道的通風(fēng)附屬工程和機電設(shè)備投資。華鎣山左線隧道即是如此，換氣通風(fēng)量為436 m3/s，中遠(yuǎn)期稀釋污染物濃度需風(fēng)量僅291 m3/s和374 m3/s。

為此，對國內(nèi)民用建筑、工業(yè)建筑、地下鐵道，以及世界道路協(xié)會（PIARC）關(guān)于換氣通風(fēng)目的進行調(diào)研。調(diào)研的結(jié)果是：在工業(yè)建筑中不能夠按散熱量、污染物排出量、?；芬绯隽坑嬎泔L(fēng)量的情況下，采用了按換氣次數(shù)計算需風(fēng)量的方法[17]。地下鐵道中則取消了區(qū)間隧道和車站公共區(qū)按換氣次數(shù)計算需風(fēng)量的規(guī)定，僅保留了車站用房的風(fēng)量[18]。世界道路協(xié)會（PIARC）在1995年和2004年的《Road tunnels：vehicle emissions and air demand for ventilation》報告中，有關(guān)換氣次數(shù)目的并未說明，僅規(guī)定了換氣頻率和換氣風(fēng)速。而在2012年報告中已經(jīng)明確換氣通風(fēng)的目的是在小交通量隧道中稀釋異常車輛污染排放問題，并非舒適性標(biāo)準(zhǔn)[19]。僅有民用建筑中換氣通風(fēng)的目的是滿足衛(wèi)生及舒適性要求的[20]，因此，公路隧道的換氣通風(fēng)設(shè)計為舒適性標(biāo)準(zhǔn)，是偏高的。

由此，按《設(shè)計細(xì)則》中的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，僅考慮稀釋污染物濃度，計算出左右線隧道全射流通風(fēng)所需的臺數(shù)，如表3、表4所示。

表3 右隧道稀釋污染物濃度通風(fēng)計算

表4 左隧道稀釋污染物濃度通風(fēng)計算

由以上兩表可以看出，按稀釋污染物濃度右線隧道中期僅需設(shè)置24臺射流風(fēng)機，遠(yuǎn)期僅需要46臺，采用全射流通風(fēng)即能達(dá)到要求。左線隧道中遠(yuǎn)期也僅需24臺射流風(fēng)機即能滿足要求，遠(yuǎn)小于換氣通風(fēng)所需射流風(fēng)機臺數(shù)。

因隧道能根據(jù)污染物濃度計算需風(fēng)量，換氣通風(fēng)為舒適性要求，為避免實際運營過程中特長隧道內(nèi)運營風(fēng)機長期處于閑置狀態(tài)，兼顧《公路隧道設(shè)計規(guī)范第二冊交通工程及附屬設(shè)施》（JTG D70/2—2014）及《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細(xì)則》（JTG/T D70/2-02—2014）規(guī)定，建議左線隧道內(nèi)射流風(fēng)機分期設(shè)置；近期按防災(zāi)風(fēng)機設(shè)置，即設(shè)36臺。當(dāng)36臺射流風(fēng)機開啟后，不同行車速度下的當(dāng)量換氣次數(shù)如表5所示，僅近期和中期行車速度小于60km/h時，達(dá)不到各階段各行車速度下?lián)Q氣通風(fēng)3次的要求，但換氣次數(shù)最小也在2.4次以上。

表5 開啟36臺射流風(fēng)機當(dāng)量換氣次數(shù)

同時考慮華鎣山隧道可能存在H2S氣體，建議左線隧道射流風(fēng)機預(yù)留預(yù)埋按60臺設(shè)置。運營后，加強通風(fēng)監(jiān)測，在現(xiàn)有36臺射流風(fēng)機不能滿足通風(fēng)要求的情況下，根據(jù)實測增設(shè)射流風(fēng)機。若運營后測試現(xiàn)有風(fēng)機臺數(shù)能滿足要求，則不增設(shè)射流風(fēng)機。

而對于右線隧道，可階段性采用全射流通風(fēng)，當(dāng)全射流通風(fēng)達(dá)不到要求時，采用豎井送排與射流通風(fēng)組合的通風(fēng)方式。

3 右線豎井兼顧左線隧道運營通風(fēng)方案

當(dāng)隧道出現(xiàn)特殊情況導(dǎo)致左線交通量增大，而右線隧道交通量較小時，可將通風(fēng)豎井用于左線隧道通風(fēng)。對于左線隧道豎井通風(fēng)，提出兩種方案：①左線隧道送排式通風(fēng)方案，為左線隧道設(shè)送排風(fēng)道。②左線隧道豎井送風(fēng)方案，底部僅需為左線隧道設(shè)置送風(fēng)道，布置簡單。

根據(jù)華鎣山隧道的交通組成、豎井軸流風(fēng)機及左線隧道射流風(fēng)機配置，按稀釋污染物濃度，計算了兩種方案左線隧道的適應(yīng)交通量，如圖4所示。

從圖4可以看出，采用左線送排通風(fēng)方案，中、遠(yuǎn)期隧道內(nèi)適應(yīng)交通量比送風(fēng)方案僅增加180 veh/h和400 veh/h。但由于排風(fēng)道和送風(fēng)道分別位于豎井兩側(cè)，該方案導(dǎo)致左線底部送排風(fēng)道長度過長，布置復(fù)雜。而豎井送風(fēng)方案僅需設(shè)置左線送風(fēng)道，布置簡單，且適應(yīng)交通量減少幅度不大。因此，建議設(shè)置左線送風(fēng)道（如圖5），在左線隧道異常大交通流情況下，左線采用豎井送風(fēng)方案，增大隧道的通風(fēng)能力。

圖4 左線隧道豎井通風(fēng)適應(yīng)交通量

圖5 豎井送排風(fēng)示意圖

4 結(jié) 論

本文在8 km特長公路隧道通風(fēng)方案及土建工程優(yōu)化的基礎(chǔ)上，進行了通風(fēng)機電設(shè)備的優(yōu)化配置及運營節(jié)能分析，并提出了8 km特長公路隧道單豎井兼顧兩隧道的送風(fēng)通風(fēng)方案，得到如下結(jié)論：

（1）8 km華鎣山隧道左右線風(fēng)速遠(yuǎn)小于10 m/s，兼顧兩線隧道的防災(zāi)，將華鎣山隧道通風(fēng)方案優(yōu)化為：取消左線隧道通風(fēng)豎井及地下風(fēng)機房，左線隧道運營采用全射流通風(fēng)；右線豎井保留，直徑優(yōu)化為7 m，右線隧道采用豎井送排式與射流風(fēng)機組合的通風(fēng)方式；火災(zāi)時，右線豎井為兩隧道排煙。通過優(yōu)化，8 km華鎣山隧道僅需建設(shè)一座豎井及風(fēng)機房，可節(jié)約土建投資3000余萬元。

（2）綜合豎井工程地質(zhì)條件、施工難度、運營能耗等，建議豎井設(shè)置在K109+050里程，采用中分隔方案。

（3）資料調(diào)研表明，公路隧道將換氣通風(fēng)設(shè)計為舒適性標(biāo)準(zhǔn)是偏高的。按稀釋污染濃度控制，左線隧道內(nèi)通風(fēng)設(shè)備配置將大大減少，右線隧道運營通風(fēng)可階段性采用全射流方案，實現(xiàn)節(jié)能目的。

（4）為兼顧左線隧道交通異常情況下，采用豎井通風(fēng)，建議增加左線隧道送風(fēng)道，增大左線隧道應(yīng)對異常交通情況的通風(fēng)能力。

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[20] 中國建筑科學(xué)研究院. 工業(yè)建筑采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范(GB50019—2015)[S]. 北京: 中國計劃出版社, 2012年.

Optimized Ventilation System for an Extra-long Highway Tunnel

FU Zhao-hui1,2，ZENG Yan-hua1,2，HE Tao3

(1. Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Ministry of Education, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 3. Nanyu Highway Limited Company, Nanchong 637000, China)

Vertical/inclined ventilation systems with intake and exhaust shafts have become the main form of ventilation in extra-long highway tunnels. However, there are several problems with these systems, such as requirement of large volumes of civil engineering work and long periods of idle operation of the ventilation equipment. Considering the Huayingshan tunnel in Nandaliang expressway as the reference, the optimization of the[A1] [A2] for an 8km long highway tunnel was studied. Based on the optimized ventilation scheme and civil engineering configuration, the staged configuration of the electromechanical ventilation equipment and the energy-saving operations were analyzed, and a ventilation scheme was proposed for the 8km long highway tunnel with a single vertical shaft, to manage abnormal traffic conditions. The results show the following.(1)The left tunnel can adopt full-jet ventilation by removing the original vertical shaft and the underground fan room; the right tunnel can adopt vertical ventilation with intake and exhaust by an optimized shaft diameter of 7 m; in this arrangement, the shaft is used to remove the smoke from the two tunnels when a fire occurs.(2)To avoid an increase in mechanical investment and to decrease the operational energy consumption, the ventilation during the normal traffic of the Huayingshan tunnel is determined by the pollutant concentration. The number of the ventilation equipment in the left tunnel will be significantly reduced, and the full-jet scheme can be used in the right tunnel in stages.(3)Installing an air supply outlet in the left tunnel is an effective way to improve the ventilation capacity during abnormal traffic flows.

8km extra-long highway tunnel; ventilation civil engineering; electromechanical equipment; optimizing configuration

1672-4747（2020）02-0010-08

U453.5

A

10.3969/j.issn.1672-4747.2020.02.002

2019-08-09

國家重點研發(fā)計劃課題（2016YFC0802201）

付朝輝（1993—），男，碩士研究生，研究方向：地下工程的通風(fēng)與防災(zāi)技術(shù)，E-mail：1808702941@qq.com

曾艷華（1968—），女，四川彭山人，西南交通大學(xué)博士生導(dǎo)師，科研方向：地下工程的通風(fēng)與防災(zāi)救援技術(shù)，E-mail：zengyhua@163.com

付朝輝，曾艷華，何濤. 8km特長公路隧道通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化配置[J]. 交通運輸工程與信息學(xué)報, 2020, 18（2）：10-17.

（責(zé)任編輯：劉娉婷）