超長隧道換氣工況取值合理性的研究

趙彬彬，張凱，付瑋，高麗萍

（中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100195）

1 問題的提出

十三五期間，我國在西部云、貴、川、甘等多山省份建設的高速公路，有很多長度在6km以上的隧道，甚至不少隧道長度都超過了10km。這些地區的高速公路隧道有以下幾個特點：（1）縱坡大（縱坡 2%左右，且多為單坡）；（2）海拔高（海拔1 500m以上）；（3）交通量近、遠期都不是很高（通車30a后交通量35 000pcu/d左右）。由于我國東西部經濟發展不平衡。這些地區的高速公路隧道的通風系統絕大多數是以換氣工況、火災工況作為控制工況配置風機。

JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通風設計細則》（簡稱《細則》）中對于換氣工況的需風量計算要求如下：

1）隧道空間最小換氣頻率應不低于每小時3次；

2）采用縱向通風的隧道，換氣風速應不低于1.5m/s。

當通風方式為縱向通風的公路隧道，換氣工況下的需風量計算應根據《細則》中以上2條要求，取較大作為換氣工況的需風量。當隧道長度大于1 800m時，換氣工況的需風量按要求1來計算，公式如下：

式中，Qreq為換氣工況的需風量；Ar為隧道斷面積；L為隧道長度；ns為換氣次數。

該工況下的需風量及對應的設計風速與隧道長度有關，并成線性正比例關系。如圖1所示。

圖1 隧道長度與換氣工況設計風速的關系圖

在換氣工況下，風機規模計算不考慮車輛交通風所提供的升壓力，所以，在相同需風量的情況下，換氣工況所需要的風機數量大于稀釋CO和煙塵的風機數量，換氣風速與風機數量關系如圖2所示。

圖2 換氣工況設計風速與射流風機數量的關系圖

從圖2可以看出風機數量與換氣工況設計風速的平方成正比例關系。

假設1座2車道隧道凈空面積為68m2。當隧道長度到9 500m時，隧道內換氣工況的設計風速可達8m/s，提供這一風速所需115臺30kW的射流風機。雖未達到規范要求設計風速10m/s以上需要考慮送排式通風的要求，但在隧道內需要按150m間距通布射流風機，顯然不合理。這時就需要在隧道內設置1～2處的斜井，來降低隧道內的設計風速，提高射流風機的升壓效率。如果不考慮舒適性標準，僅考慮火災工況，那么9 500m的隧道可能僅需要在左右洞共用1～2個排煙井，來滿足排煙的相關要求。那么問題就是，為滿足規范內的舒適性標準，需要配置大功率的軸流風機、風機房以及送排風井，增加的建設成本可達上億元。而在后期運營期間這些軸流風機僅在日常檢測時開啟，造成了極大的浪費，顯然違背了隧道通風系統設置的初衷，與公路橋隧道全壽命周期的設計理念相悖。

2 國內外公路行業對換氣工況的理解

公路隧道通風系統最主要目的是稀釋車輛在隧道行駛過程中產生的CO、煙塵、氮氧化物等污染物。CO對于人體屬于有毒氣體，如果不及時排出，達到一定濃度會造成司乘人員窒息；由于隧道空間封閉，灰塵會降低隧道內的能見度，增加車輛行駛的危險性，衛生指標是通風系統的根本目的。對于火災工況，超長隧道（長度＞5km）風機設置滿足排煙臨界風速不低于3m/s的要求，火災排煙風機作為消防設施屬于必須設置的功能性設施。《細則》在制訂換氣工況時參考PIARC所給不低于3次的換氣頻率，以及最低不小于1.5m/s的換氣風速。

換氣工況的主要目的是：

1）使通風系統在某種偶然工況下能夠提供足夠的新鮮空氣；

2）稀釋空氣中的異味；

3）排出隧道中的有害熱量；

4）稀釋隧道內汽車尾排中的除CO、煙塵以外的有害物質，使空氣中的CO、煙塵的濃度降到更低的值。

2.1 PIARC技術報告

1）1995年的技術報告指出：為了滿足隧道對新鮮空氣的要求，部分國家建議每小時換氣頻率為5次。

2）2004年的技術報告指出：為了使通風系統在意想不到的工況下能夠提供足夠的新鮮空氣，一些國家推薦每小時至少3次的換氣設計標準。或洞內的縱向風速不低于1.5m/s。

3）2011年的技術報告指出：在采用機械通風的公路隧道中，最小換氣頻率取決于所采用的交通流量。當交通流量處于低水平時時，所需的最小新鮮空氣量可能比較小。但在通風系統設計時，應考慮到能提供突然增加的通風需求，如大貨車、拖掛車的高排放。

2.2 挪威

《挪威道路隧道設計準則》雖未要求將換氣次數作為風機規模計算的依據，但以隧道內空氣中的CO、煙塵、二氧化氮作為通風系統的稀釋對象。

2.3 日本

《公路隧道通風設計標準（通風換氣篇）及解說》2001年版，尚未提出采用換氣次數進行通風工況的設計要求，提出以CO、煙塵作為通風的主要稀釋對象，則其他的有害成分都會降到安全濃度[1]。

綜上，換氣工況所要解決空氣中的異味、有害熱量以及除CO、煙塵以外的有害物質均是由于車輛在行駛過程中產生的，在稀釋CO、煙塵的過程中也可將其他的有害氣體、物質、熱量排出。所以，換氣工況的主要目的是在某種偶然的工況下提供足夠的新鮮空氣，但規范未對這種偶然工況做進一步說明。

3 其他類似地下建筑通風換氣標準

3.1 鐵路隧道

TB 10003—2005《鐵路隧道設計規范》、TB 10068—2010《鐵路隧道運營通風設計規范》2項規范中均未對運營過程中通風舒適性標準予以要求。規范中提到機械風機供給的隧道風速≤8m/s，主要根據人體感覺和適應能力而定[2]。

3.2 城市地鐵

GB 50157—2013《地鐵設計規范》中規定，區間隧道內單個乘客1h所需供應的新鮮空氣數量不少于12.6m3[3]。

3.3 人防工程

GB 50038—2005《人民防空地下室設計規范》中要求，戰時二等人員掩蔽所新風量最低不小于5m3/（P·h）[4]。

綜上，鐵路隧道與公路隧道有很大的相似之處。都是乘坐某種運載工具在地下空間內。可能鐵路隧道的突發工況以及發生事故的概率很低，所以，沒有考慮換氣作為一種工況。但考慮到人體的舒適性做出了風速不超過8m/s的規定。相比較鐵路隧道，人在公路隧道內的行為更靈活，當出現隧道內大面積阻塞的情況，需要人員在車輛外。這時如果太高的設計風速，會使人覺得不舒服。

地鐵隧道由于長度較短，且容易與室外空氣進行交換，所以換氣標準較高。

人防工程的戰時二等人員掩蔽所，為戰時留城的居民提供掩蔽場所。一般人防工程大多涉及到的是二等。對于超長隧道如果有特殊工況需要人員步行走出隧道，筆者覺得可以參考人防工程中所給的新風量標準。隧道內的人數可結合交通量以及車型進行推算[5]。

4 結語

換氣工況主要為應對隧道內的特殊工況而設定的通風標準，隨著隧道長度增加，風機規模增長速度變快，增加了大量的建設及運營成本。換氣工況下的風機規模是按隧道內沒有任何交通風時進行配置的，公路隧道完全脫離車輛的因素來配置風機規模顯然不夠合理。兼顧到人體舒適性，提出以下建議：

1）采用全射流縱向通風時該工況下風速應不超過8m/s。除了考慮人體舒適外，在保證射流風機效率的前提下，隧道不會因為換氣工況而增加斜豎井送排通風的費用。

2）通過隧道內的人數來計算所需的新風量。該條件結合了運營衛生標準，進一步精確地給出了換氣工況的需風量。

增加以上2個條件，既能保證隧道內所需要的新鮮空氣，又可滿足舒適性的要求，同時在解決了為滿足換氣工況在隧道逐漸增長的情況下，通風規模過大的問題。