高速公路隧道通風設計的分析研究

黃志偉 彭曉春

摘要：隧道通風系統為隧道運營安全和行車舒適提供有效保障。文章分析了隧道通風計算過程，梳理了隧道通風節能計算的相關思路，采用模糊控制的隧道通風控制策略，提高隧道行車環境的安全性和舒適性，降低隧道通風系統的運營成本，從而起到節能減排的效果。

關鍵詞：隧道通風;模糊控制;節能減排

0 引言

隨著《廣西高速公路網規劃（2018—2030年）》的正式發布，到2030年，廣西高速公路總里程將達到15200km，形成“1環12橫13縱25聯”的高速公路網。

越來越多的高速公路向山區延伸，意味著高速公路橋隧比越來越高，隧道越來越長，由此帶來的高速公路隧道運營成本勢必增加。如何在確保隧道運營安全的基礎上按需通風、有效節能，成為了迫在眉睫的研究課題。隧道通風系統旨在把隧道內的煙塵和CO、NO2等汽車排放有害氣體排除到隧道外，提供一個有利于行車安全和舒適的環境。而且，在火災情況下，隧道通風系統會形成定向的空氣流動，壓制火災煙霧避免形成回流，為隧道應急疏散、救援提供有利條件。但隧道通風系統的運行產生了巨大的能耗，如何確保通風計算過程的精確性和通風控制方案的合理性，對降低隧道通風系統的初期投資和運營成本顯得尤為重要。

1 隧道通風設計過程

本文的高速公路隧道通風系統設計參照《隧道通風設計細則》的相關規定及計算過程。

1.1 初步判定

根據隧道《公路隧道通風設計細則》的規定：單向交通隧道，當符合式L·N≥2×106時，可設置機械通風;雙向交通隧道，當符合式L·N≥6×105時，可設置機械通風。

制定隧道火災防煙和排煙的設計原則：不同隧道長度（如：L≤1000m、1000m5000m）的高速公路隧道分別采用火災防煙和排煙方式。

1.2 計算特征年的設計交通量

根據預測年度交通量，設計小時交通量系數和方向不均勻系數等參數，計算項目所處路段的設計特征年高峰小時交通量。

1.3 確定設計標準

計算或設定在設計時速下每10km/h一檔的參數，主要包括隧道內CO允許濃度、隧道煙霧允許濃度、隧道空間不間斷換氣頻率或換氣風速，以及隧道火災熱釋放率和火災臨界風速。

1.4 計算需風量

計算設計時速下每10km/h一檔的稀釋煙塵、CO、換氣的需風量，取其較大者作為設計需風量，另根據火災臨界風速確定火災排煙需風量。

1.5 計算通風力及風機數量

計算隧道內沿程阻力、局部阻力、自然通風力、交通通風力等，根據風力平衡式：△Pr+△Pm=△Pt+∑△Pj，確定射流風機總升壓力和射流風機數量。

2 廣西區內隧道通風系統現狀分析

目前廣西區內的隧道通風控制系統主要采用的控制方法有反饋控制法、程序控制法。

2.1 反饋控制法

反饋控制法如圖1所示，隧道現場PLC采集CO/NO2、方向風速值，通風系統自動控制程序判斷是否超出閾值，并根據結果自動控制風機的啟停。也可以由本地PLC輸出報警信號至路段監控分中心，由監控值班人員進行遠程確認后自動控制，或采取遠程手動控制方式。該方法以預先設定的閾值為判定依據，當檢測值超出閾值時，即控制風機運轉一定的時間，使隧道內CO/VI檢測值逐漸接近并低于設定值，改善隧道環境。

顯然，由于CO/NO2檢測器采用點式采集方式，無法全方位實時反映隧道內實際環境情況，使采用反饋控制法的隧道通風系統具有一定的延時性。

2.2 程序控制法

基于隧道長時間運營后，運營單位統計不同時段的交通量及隧道內環境情況，分析隧道內污染物變化規律后，制定出分時段開啟風機的通風控制策略，將控制策略轉化為通風自動控制程序。該方法靈活性較差，僅適用于污染物規律性變化的隧道環境。

3 改進型隧道通風系統研究

考慮隧道阻滯工況和火災工況發生的概率較低，本文僅對日常運營通風工況進行研究。日常運營隧道通風系統以滿足行車安全性及舒適性為基本準則，通風系統設計與縱坡、隧道長度、時速及交通量存在緊密聯系。其中，時速和交通量作為變量因子，對隧道通風設計的節能控制策略研究具有較高價值。

總結設計經驗，長度<4km的隧道憑借活塞風的作用即可滿足隧道日常運營的通風、除塵、換氣要求;長度>4km的隧道，在交通量達到一定數值時需要開啟一定數量的風機進行通風除塵、換氣，并且隨著隧道長度增加，通風除塵成為隧道通風系統的主要功能要求。來賓至都安高速公路的龍灣2號隧道長度約為5km，本文以此為研究對象，分析時速、交通量對于隧道通風系統的擾動關系。

3.1 通風系統-時速關系分析

圖2所示曲線基本規律包括以下兩點：

（1）近景年

當隧道行車時速>60km/h時，隧道所需風機升壓力<0，即不需要開啟風機;隧道行車時速<60km/h時，隧道行車時速越低，隧道所需風機升壓力越大，開啟的風機也越多。

（2）遠景年

當隧道行車時速處于90～120km/h之間時，行車時速越小，則隧道所需風機升壓力越大;當隧道行車時速處于70～90km/h之間時，行車時速越小，則隧道所需風機升壓力越小;當隧道行車時速處于10～70km/h之間時，行車時速越小，則隧道所需風機升壓力越大。

不同時速下對隧道通風系統的需求不同，基于時速的通風控制策略輸出，可避免通風不足或風能過剩的情況發生，對精細化控制具有積極意義。

3.2 通風系統-交通量關系分析

如圖3所示，說明交通量和隧道通風系統之間存在最佳平衡點，即當交通量為某個值時，對機械通風驅動力的額外需求最小，直接反映為需開啟的風機數量最少，當交通量高于或低于該交通量時，即表現為需開啟的通風換氣風機或通風除塵風機數量的直接增加。

3.3 基于模糊控制決策的通風控制方法

隧道通風需風量和所需射流風機升壓力的變化規律與隧道行車時速、交通量密切相關，根據二者的變化趨勢，采用模糊化的控制方法進行預測。如圖4所示，輸出最優化的通風控制策略，通過動態調整射流風機運行時間，可實現按需通風，確保隧道行車安全性和舒適性。

（1）實時檢測隧道內行車平均車速，模糊化其變化規律，作為通風控制系統的輸入因子。

（2）實時檢測隧道內交通量，模糊化其變化規律，作為通風控制系統的輸入因子。

（3）根據平均車速，動態調整CO、VI設定值，采用模糊控制策略控制射流風機的運行。

4 結語

本文指出當前隧道通風系統設計存在的不足之處，基于通風設計過程中的數據分析，提出更為完善的控制設計方案。利用模糊控制決策方法，消除隧道通風不足和能耗過剩的現象，為精細化的運營管理提供可靠的理論基礎和科學技術手段，對不斷完善的智能化運維管理和智慧高速發展具有積極推進作用。

本文研究的重點在于隧道內行車環境對通風設計算法的影響，對于隧道外場的環境變化會給隧道通風系統設計帶來多大影響，目前尚未做深入研究。下一步研究的重點將在以下幾個方面：

（1）隧道洞內外溫度場變化對隧道通風系統的影響。

（2）隧道洞外自然風與隧道通風節能的關系研究。

（3）隧道照明燈具技術發展對煙塵設計濃度的取值影響。

參考文獻：

[1]劉 忠，孟凡興，解文亭，等.基于物聯網和模糊控制的管理隧道通風系統研究與設計[J].交通世界，2018（24）：110-111.

[2]何 川，李祖偉，方 勇，等.公路隧道通風系統的前饋式智能模糊控制[J].西南交通大學學報，2005，40（5）：576-579.

[3]張曉松，金 濤，林 東.高速公路隧道通風系統的多參量模糊控制研究[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2016，35（4）：20-24.

[4]JTG/TD70/2-01-2014，公路隧道通風設計細則[S].