山區(qū)高速公路隧道群運(yùn)營通風(fēng)設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

段寶文，田紅旗，劉金興，吳成朋

山區(qū)高速公路隧道群運(yùn)營通風(fēng)設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

段寶文，田紅旗，劉金興，吳成朋

（重慶鐵發(fā)建新高速公路有限公司，重慶 400700）

隧道群的通風(fēng)設(shè)計(jì)不同于普通直線隧道，單獨(dú)設(shè)計(jì)每條隧道的通風(fēng)方案和折算為一條隧道來設(shè)計(jì)都是不合理的。以某山區(qū)高速公路隧道群運(yùn)營通風(fēng)設(shè)計(jì)為依托，采用規(guī)范方案設(shè)計(jì)和FLUENT軟件數(shù)值模擬，分析了不同工況下各隧道需風(fēng)量大小、風(fēng)機(jī)臺數(shù)、風(fēng)機(jī)啟停數(shù)量。研究發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)設(shè)計(jì)每條隧道的通風(fēng)方案時(shí)，沒有考慮到污染物竄流影響，會造成下游隧道的需風(fēng)量與風(fēng)機(jī)量不匹配的情況。而折算為一條隧道來設(shè)計(jì)時(shí)，又忽略了橫向風(fēng)在連接段的作用，造成風(fēng)機(jī)數(shù)量過多、浪費(fèi)資源、增加造價(jià)的問題。在綜合所有因素后，最終得到了該隧道群合理有效的通風(fēng)方案和風(fēng)機(jī)數(shù)量。研究結(jié)果為隧道群運(yùn)營通風(fēng)設(shè)計(jì)提供了參考。

隧道群；運(yùn)營通風(fēng)；風(fēng)機(jī)數(shù)量；數(shù)值模擬

中國交通基礎(chǔ)建設(shè)逐漸趨于完善，國內(nèi)建設(shè)重心由發(fā)達(dá)地區(qū)至貧困地區(qū)轉(zhuǎn)移，在山區(qū)陸續(xù)有大量的隧道建成，與以往平原丘陵地區(qū)的隧道相比，這些隧道規(guī)模更大、技術(shù)要求更高，并且隧道之間間隔距離會因地形限制變得更短。

隧道通風(fēng)技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展，射流通風(fēng)技術(shù)在長隧道中有了越來越多的應(yīng)用。楊秀軍等[1]通過研究射流空氣流動、升壓規(guī)律，提出了直線公路隧道風(fēng)機(jī)最小間距；孫三祥等[2]通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬，提出了雙向行車隧道射流通風(fēng)的設(shè)計(jì)原則與方法；肖勇[3]基于白濤高速公路隧道群工程，提出了安全前提下運(yùn)營通風(fēng)節(jié)能減排技術(shù)；楊彥民等[4]針對秦嶺特長隧道群具體工程條件，設(shè)計(jì)了運(yùn)營通風(fēng)的相關(guān)參數(shù)。陳達(dá)章[5]在樂廣高速大瑤山隧道群研究中，闡述了隧道群污染物擴(kuò)散機(jī)理并提出了通風(fēng)控制方法。王峰[6]在曲線隧道運(yùn)營通風(fēng)研究中專門提出了針對海拔高度的氣壓修正公式，來進(jìn)行通風(fēng)設(shè)計(jì)。

對于隧道群洞口污染物擴(kuò)散規(guī)律，有較多的相關(guān)研究，但關(guān)于高速公路隧道運(yùn)營通風(fēng)的管理相關(guān)研究較少，針對山區(qū)高速公路隧道群風(fēng)機(jī)管理方案的文獻(xiàn)更少，有必要對此進(jìn)行研究。

1 工程概況

某隧道群為6座上、下行分離的兩車道高速公路隧道組合，具體隧道群長度及坡度參數(shù)如表1所示。其中，左線1#、2#隧道間距80 m，2#、3#隧道間距95 m；右線1#、2#隧道間距60 m，2#、3#隧道間距90 m。

隧道當(dāng)量直徑為5.61 m，其運(yùn)營通風(fēng)設(shè)計(jì)初步選定風(fēng)機(jī)為NO1120型射流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速為33.4 m/s，隧道斷面如圖1所示。

表1 隧道群長度及坡度參數(shù)表

隧道編號長度/m坡度 左線1#1 026單向坡2.55% 2#1 000單向坡2.35% 3#600單向坡2.55% 右線1#1 055單向坡2.52% 2#1 050單向坡2.33% 3#500單向坡2.52%

圖1 隧道橫斷面示意圖

2 隧道群相關(guān)空氣指標(biāo)

2.1 氣象概況

該地具有亞熱帶季風(fēng)氣候的特點(diǎn)，四季分明，全年年均氣溫在17.7 ℃，年均降雨量為1 243 mm，雨量充沛，無霜期長，霜雪稀少。

2.2 空氣指標(biāo)

2.2.1 氣壓

該隧道群各隧道入口處氣壓平均值約為100.667 kPa，各隧道出口處的氣壓平均值約為101.1 kPa，進(jìn)出口存在壓差。洞外常年存在自然風(fēng)，風(fēng)速在0～1.5 m/s之間。

2.2.2 氣溫

該工程所處位置初冬時(shí)節(jié)某天氣溫變化如圖2所示。

圖2 初冬季節(jié)隧道入口氣溫變化

由圖2可見，隧道入口洞外白天溫度可達(dá)11 ℃，夜間最低溫度僅有7 ℃，最大溫差達(dá)4 ℃，晝夜溫差較小。

2.2.3 空氣密度

通過對該地海拔、溫度及密度測量可知，該地空氣密度為1.1 kg/m3。

3 計(jì)算理論及參數(shù)

3.1 規(guī)范理論

一般公路隧道在運(yùn)營通風(fēng)設(shè)計(jì)中，按照J(rèn)TG/T D70/2-02—2014《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》[7]中的詳細(xì)規(guī)定，分為稀釋CO、稀釋煙塵以及隧道換氣需風(fēng)量，三者取最大值作為隧道運(yùn)營通風(fēng)需風(fēng)量，從而進(jìn)行通風(fēng)設(shè)計(jì)。2012R05EN《公路隧道：車輛排放和通風(fēng)需風(fēng)量》（世界道路協(xié)會（World Road Association）標(biāo)準(zhǔn) PIARC2012）[8]也規(guī)定了根據(jù)CO、NO排放量來進(jìn)行通風(fēng)量計(jì)算的方法。但根據(jù)工程實(shí)際，目前需要進(jìn)行機(jī)械通風(fēng)的公路隧道大都采用稀釋CO需風(fēng)量作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。細(xì)則里的計(jì)算公式為：

3.2 計(jì)算參數(shù)

隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)需要考慮的因素很多，但其中最重要的是以下參數(shù)：①隧道的長度及坡度。長度越長，內(nèi)部空氣就會越渾濁，需風(fēng)量也會隨之增加，而坡度越大，汽車產(chǎn)生的污染物量也會增加，從而影響隧道內(nèi)通風(fēng)要求。②通過隧道的交通量。交通量包括高峰小時(shí)通過的車輛總數(shù)，柴油、汽油車數(shù)量以及小中大型車的數(shù)量等，這些數(shù)據(jù)對CO排放、NO排放、煙塵量的影響甚大。③道路等級與防火要求。這決定了隧道內(nèi)的通風(fēng)方式與造價(jià)。

該隧道群汽車流量如表2所示。

表2 汽車流量

正常通行 車輛類型常規(guī)情況/輛柴油車/輛汽油車/輛 小型車1 4401441 296 中型車24019248 大型車7207200 阻滯情況 車輛類型阻滯情況/輛柴油車/輛汽油車/輛 小型車51051459 中型車856817 大型車2552550

同時(shí)根據(jù)式（2）進(jìn)行判定是否需要機(jī)械通風(fēng)：

·≥2×106（2）

式（2）中：為隧道長度，m；為設(shè)計(jì)小時(shí)交通量，veh/h。

將表1中數(shù)據(jù)代入式（2）可知左線1#隧道需要機(jī)械通風(fēng)，左線2#隧道需要機(jī)械通風(fēng)，左線3#隧道不需要機(jī)械通風(fēng)，右線1#隧道需要機(jī)械通風(fēng)，右線2#隧道需要機(jī)械通風(fēng)，右線3#隧道不需要機(jī)械通風(fēng)。

4 結(jié)果分析

4.1 獨(dú)立隧道設(shè)計(jì)

以左、右線6座隧道分開進(jìn)行初步計(jì)算，可以得到各隧道在不同工況下的需風(fēng)量，需風(fēng)量取稀釋煙塵、稀釋CO和換氣通風(fēng)量的最大值，得到的最大需風(fēng)量如表3所示。可以看出，在單獨(dú)考慮每座隧道的前提下，左線1#、2#隧道在交通流暢情況下，只需滿足換氣要求即可，右線1#、2#隧道以稀釋煙塵需風(fēng)量為主。這是因?yàn)樵诳v坡一致情況下，右線車輛行駛上坡，排出的尾氣煙塵量更大。當(dāng)隧道長度≤ 1 000 m時(shí)，可不考慮交通阻滯的情況，因此左線2#隧道無阻滯交通需風(fēng)量。

以NO1120型風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)設(shè)計(jì)，可以得到表4風(fēng)機(jī) 臺數(shù)。

射流通風(fēng)以升壓、排污為主要目的，從表4結(jié)果看來，由于單個(gè)隧道長度普遍為1 km左右，因此只需要滿足火災(zāi)和阻滯條件下的通風(fēng)需求即可，正常通行狀態(tài)下，交通風(fēng)足以將污染物帶出。由于單獨(dú)設(shè)計(jì)時(shí)，將隧道入口邊界條件考慮為新鮮無污染風(fēng)，但是該隧道群之間間距均小于100 m，在如此短的距離里，隧道之間的污染物竄流現(xiàn)象十分嚴(yán)重，如果不考慮這一現(xiàn)象，所設(shè)風(fēng)機(jī)組很可能不能滿足2#、3#隧道排污需求，因此要綜合考慮所有因素。

表3 各隧道最大需風(fēng)量

設(shè)計(jì)風(fēng)量 左線/（km/h）1#2#右線/（km/h）1#2# 正常交通8016516580230.207 7229.116 6 6016516560190.367 8186.465 6 4016516540170.938 5170.128 4 阻滯交通20165/20165165 10186.542/10186.542186.542

表4 各工況車速下隧道通風(fēng)所需1120型射流風(fēng)機(jī)（單位：臺）

工況車速/（km/h）1120型射流風(fēng)機(jī) 左1#右1#左2#右2#左3#右3# 正常交通80201000 60202000 40111100 阻滯交通20222200 10444400

4.2 整隧道設(shè)計(jì)

將左、右線三條隧道綜合考慮，可將其折算成一條特長隧道來進(jìn)行設(shè)計(jì)。計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 各工況車速左、右線隧道通風(fēng)所需1120型射流風(fēng)機(jī)（單位：臺）

工況工況車速/（km/h）1120型射流風(fēng)機(jī) 左線右線 正常交通80410 60612 40814 阻滯交通201218 101622

由以上計(jì)算結(jié)果可以得到，將幾組隧道不考慮中間連接段稀釋污染物作用下組合計(jì)算的風(fēng)機(jī)組與單一計(jì)算的幾乎不在同一數(shù)量級。這樣的設(shè)計(jì)會造成一定量的風(fēng)機(jī)組閑置，使造價(jià)提升，屬于過度保護(hù)設(shè)計(jì)。

4.3 綜合設(shè)計(jì)

合理進(jìn)行隧道群通風(fēng)設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)該考慮多個(gè)因素的影響：橫向自然風(fēng)、污染物竄流程度和隧道間縱向間距等。既不能過度設(shè)計(jì)浪費(fèi)資源，也不可以將風(fēng)機(jī)量設(shè)計(jì)太少，無法保證安全。由于橫向風(fēng)的存在，上下游隧道進(jìn)出口的污染物竄流會發(fā)生較大的變化。正常交通下，交通風(fēng)足夠?qū)⑽廴疚锱懦鏊淼劳狻８鶕?jù)FLUENT計(jì)算結(jié)果，如圖3、圖4所示，可以看出上游隧道出口風(fēng)速下降，下游隧道入口處污染物濃度會適度降低。因此將上游隧道出口風(fēng)機(jī)功率適當(dāng)降低，或減少上游隧道出口風(fēng)機(jī)數(shù)量，這樣可以降低下游隧道洞口污染物竄流比例。在設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)考慮火災(zāi)及交通阻滯情況下的通風(fēng)需求即可。

經(jīng)過綜合計(jì)算，該隧道群的風(fēng)機(jī)數(shù)量應(yīng)為表6所示。由計(jì)算結(jié)果可以看出，雖然按照規(guī)范計(jì)算，左、右線3#隧道均不需要采用機(jī)械通風(fēng)，但由于竄流現(xiàn)象的存在，加上一組2臺風(fēng)機(jī)后，可以解決在發(fā)生火災(zāi)或者前面隧道出現(xiàn)阻滯的特殊情況通風(fēng)需求，保證行車安全和通風(fēng)衛(wèi)生。且由于橫向風(fēng)的存在，右線3#隧道在任何情況下均不需要設(shè)置風(fēng)機(jī)。

圖3 左線下游隧道入口CO濃度

圖4 右線下游隧道入口CO濃度

表6 優(yōu)化后左、右線隧道通風(fēng)所需1120型射流風(fēng)機(jī)（單位：臺）

工況工況車速/（km/h）1120型射流風(fēng)機(jī)合計(jì) 左線1#右線1#左線2#右線2#左線3#右線3#左線右線 正常交通8022262068 6022462088 406466201410 阻滯交通2022220044 106466201410

經(jīng)過綜合設(shè)計(jì)分析后，該隧道群所取的風(fēng)機(jī)數(shù)量在單獨(dú)計(jì)算各隧道和折算成一條特長隧道的數(shù)據(jù)中間，這樣既保證了安全，又避免了閑置浪費(fèi)，起到了較好的設(shè)計(jì)效果。

5 結(jié)論

分析了隧道群常見的通風(fēng)設(shè)計(jì)方法與特點(diǎn)，指出現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法將隧道單獨(dú)考慮存在的不足，利用實(shí)際工程計(jì)算表明了其存在的問題。分析了將隧道群各隧道折算為一整條隧道進(jìn)行通風(fēng)設(shè)計(jì)的方法，發(fā)現(xiàn)這種方法存在過度保護(hù)的問題，風(fēng)機(jī)會閑置，浪費(fèi)資源。通過綜合考慮各因素對通風(fēng)的影響，利用FLUENT軟件計(jì)算了上下游隧道在風(fēng)機(jī)功率改變的情況下CO竄流情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，橫向風(fēng)、縱向間距和上下游隧道風(fēng)機(jī)功率都影響著污染物的竄流，而污染物的竄流程度決定了需風(fēng)量的大小。因此，在綜合這些因素的情況下，得到了實(shí)際工程中需要的風(fēng)機(jī)數(shù)量及各工況下的開啟方案。

［1］楊秀軍，王曉雯，陳建忠.公路隧道通風(fēng)中射流風(fēng)機(jī)縱向最小間距研究［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008（1）：40-43，164.

［2］孫三祥，高孟理，武金明，等.雙向行車公路隧道射流通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化分析［J］.公路交通科技，2006（12）：106-110.

［3］肖勇.白濤隧道群安全運(yùn)營通風(fēng)節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2017.

［4］楊彥民，曹振.秦嶺特長公路隧道群通風(fēng)設(shè)計(jì)［J］.公路，2005（4）：186-190.

［5］陳達(dá)章.公路隧道群污染物串流擴(kuò)散機(jī)理與通風(fēng)控制方法研究［J］.交通工程，2017，147（3）：266-269.

［6］王峰.曲線公路隧道營運(yùn)通風(fēng)關(guān)鍵參數(shù)研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2010.

［7］招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶交通大學(xué)，浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，等.JTG/T D70/2-02—2014公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則［S］.北京：人民交通出版社，2014.

［8］PIARC-World Road Association, PIARC Technical Committee on Road Tunnels Operation（C5）. Road tunnels: Vehicle Emissions and Air Demand for Ventilation［R］. France，2012.

U455.3

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.09.004

2095－6835（2020）09－0009－04

段寶文（1986—），男，研究方向?yàn)樗淼肋\(yùn)營通風(fēng)。

〔編輯：王霞〕