縱向全射流通風(fēng)在公路隧道中的應(yīng)用

盧銀盛

(中鐵隧道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州511400)

公路隧道的通風(fēng)方式大體分三種：縱向通風(fēng)、半橫向通風(fēng)和全橫向通風(fēng)。其中縱向通風(fēng)又分為全射流、洞口集中送入式、通風(fēng)井排出式。縱向全射流通風(fēng)方式就是在隧道頂部、側(cè)壁或底部安裝若干組射流風(fēng)機(jī)，通過(guò)射流風(fēng)機(jī)的射流作用在隧道內(nèi)形成穩(wěn)定的風(fēng)速，使得新鮮空氣從隧道入口進(jìn)入、從隧道出口排出，從而降低隧道內(nèi)污染物濃度，火災(zāi)時(shí)為人員疏散提供有利條件及排除煙氣的一種通風(fēng)方式。

圖1 縱向全射流通風(fēng)射流風(fēng)機(jī)

一般認(rèn)為縱向通風(fēng)尤其是全射流縱向通風(fēng)的前期，投資費(fèi)用及后期運(yùn)營(yíng)管理費(fèi)用最低，是最經(jīng)濟(jì)的通風(fēng)方式。尤其是在單向交通的隧道中，能合理有效地利用交通活塞風(fēng)力，根據(jù)需要控制風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)大大降低運(yùn)行能耗。縱向全射流通風(fēng)只需要安裝射流風(fēng)機(jī)，不需要土建風(fēng)道、豎井、通風(fēng)機(jī)房、風(fēng)管、軸流風(fēng)機(jī)等設(shè)施，系統(tǒng)簡(jiǎn)單、安裝方便、維護(hù)簡(jiǎn)易。因此，自20 世紀(jì)80年代以來(lái)，全射流縱向通風(fēng)逐漸取代橫向及半橫向的主導(dǎo)地位，應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則[1]（以下簡(jiǎn)稱細(xì)則）中規(guī)定縱向全射流通風(fēng)方式的適用長(zhǎng)度：?jiǎn)蜗蚪煌?000m 以內(nèi)；雙向交通為1500～3000m，同時(shí)指出此適用長(zhǎng)度是一般情況下的參考值，并非強(qiáng)制要求。因此在判定可否采用縱向全射流通風(fēng)不僅要考慮隧道長(zhǎng)度，還要分析其他影響因素。全射流通風(fēng)方式具有發(fā)展?jié)摿把芯康膬r(jià)值。

1 縱向全射流通風(fēng)設(shè)計(jì)

縱向全射流通風(fēng)設(shè)計(jì)計(jì)算在細(xì)則里有詳盡的介紹，本文不再側(cè)重于整個(gè)設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程的呈現(xiàn)，而是側(cè)重于對(duì)計(jì)算過(guò)程總體的概述及其影響因素的分析，有利于讀者更好理解。

1.1 隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)的目的

公路隧道是一個(gè)相對(duì)封閉的空間，斷面越小長(zhǎng)度越長(zhǎng)我們認(rèn)為其越封閉。車(chē)輛從隧道中經(jīng)過(guò)，或者堵塞工況時(shí)暫時(shí)停留在隧道內(nèi)，會(huì)產(chǎn)生污染物。更為嚴(yán)重的情況是隧道內(nèi)車(chē)輛起火或者是隧道本身設(shè)備的電氣火災(zāi)會(huì)產(chǎn)生大量的濃煙，威脅到人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全。隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)的目的就是基于此保證隧道內(nèi)的能見(jiàn)度和污染物含量符合衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，火災(zāi)時(shí)能引導(dǎo)煙氣流動(dòng)為人員獲得疏散時(shí)間并為火災(zāi)救援提供有利條件。要達(dá)到以上目的，射流風(fēng)機(jī)群要提供足夠的風(fēng)量（風(fēng)速）及風(fēng)壓。

1.2 隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.2.1 風(fēng)量

對(duì)射流風(fēng)機(jī)提供的風(fēng)量影響因素有以下幾個(gè)：（1）CO 稀釋需風(fēng)量；（2）煙塵稀釋需風(fēng)量；（3）隧道換氣需風(fēng)量；（4）排煙需風(fēng)量；（5）隧道風(fēng)速要求。

以上的需風(fēng)量計(jì)算公式在細(xì)則中有詳細(xì)介紹，本文不再贅述，本文根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)給出如下分析。

一般來(lái)說(shuō)排煙需風(fēng)量是決定需風(fēng)量下限的決定性因素，隧道風(fēng)速要求是決定風(fēng)量上限的決定性因素。因此對(duì)風(fēng)量的計(jì)算可以采取先確定上下限，然后校核其他因素的方法。下面對(duì)決定下、上限的因素需風(fēng)量進(jìn)行分析：

Qreq(f)=Ar·vc

Qreq(f)——隧道火災(zāi)排煙需風(fēng)量；Ar——隧道凈空斷面；

vc——隧道火災(zāi)臨界風(fēng)速；

臨界風(fēng)速是個(gè)關(guān)鍵因素。隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，能阻止煙霧發(fā)生逆流的最小風(fēng)速稱為臨界風(fēng)速。采用縱向排煙的公路隧道，臨界風(fēng)速可按表1 取值。

表1 火災(zāi)臨界速度取值

細(xì)則中規(guī)定單向交通隧道的設(shè)計(jì)風(fēng)速不宜大于10m/s，特殊情況不應(yīng)大于12m/s；雙向交通的設(shè)計(jì)風(fēng)速不應(yīng)大于8m/s；設(shè)有專用人行道的隧道設(shè)計(jì)風(fēng)速不應(yīng)大于7m/s。

綜上所述，所有風(fēng)機(jī)開(kāi)啟給隧道帶來(lái)的風(fēng)速應(yīng)該在臨界風(fēng)速和最高風(fēng)速之間。一般情況下單向交通風(fēng)速選取較大值，雙向交通選取較小值。

1.2.2 風(fēng)壓

隧道通風(fēng)系統(tǒng)中，風(fēng)機(jī)及交通通風(fēng)力提供的風(fēng)量和風(fēng)壓除了滿足風(fēng)量要求外，還需要克服通風(fēng)阻力的要求。公式如下：

Δpr+Δpm±Δpt= ∑Δpj

Δpr——隧道內(nèi)通風(fēng)阻力（N/m2）；

Δpm——隧道內(nèi)自然通風(fēng)力（N/m2）；

Δpt——交通通風(fēng)力（N/m2）；

∑Δpj——射流風(fēng)機(jī)群總升壓力（N/m2）。

進(jìn)行風(fēng)壓計(jì)算時(shí)需要注意以下問(wèn)題：

（1）單向交通當(dāng)車(chē)速大于設(shè)計(jì)風(fēng)速時(shí)，交通通風(fēng)力作為動(dòng)力，否則作為阻力；雙向交通時(shí)交通通風(fēng)力作為阻力。

（2）實(shí)際隧道中，自然通風(fēng)力的大小和方向會(huì)經(jīng)常變動(dòng)，所以從安全的角度考慮，在通風(fēng)計(jì)算中把自然通風(fēng)力作為阻力。根據(jù)某工程數(shù)據(jù)繪制出自然通風(fēng)力Δpm與隧道長(zhǎng)度L 及自然風(fēng)引起的風(fēng)速如圖2。

圖2 自然通風(fēng)力與隧道長(zhǎng)度及洞內(nèi)風(fēng)速的關(guān)系

圖中實(shí)線為實(shí)際洞內(nèi)風(fēng)速，為便于比較，增加兩個(gè)假設(shè)洞內(nèi)風(fēng)速，如圖中虛線及雙點(diǎn)劃線。自然通風(fēng)力與隧道長(zhǎng)度成正比。

（3）計(jì)算出通風(fēng)所需的總升力后在選擇風(fēng)機(jī)型號(hào)時(shí)可根據(jù)工程實(shí)際情況選擇合適的風(fēng)機(jī)型號(hào)，而后算出風(fēng)機(jī)總臺(tái)數(shù)。

（4）隧道火災(zāi)時(shí)會(huì)出現(xiàn)附加的熱風(fēng)壓，稱為火風(fēng)壓或浮力效應(yīng)煙流阻力。火風(fēng)壓的作用方向沿隧道上坡方向?yàn)檎缕路较驗(yàn)樨?fù)。火風(fēng)壓隨高溫?zé)熈鲾U(kuò)散不斷變化，細(xì)則中給出火風(fēng)壓的計(jì)算公式，但此公式影響因素很多，計(jì)算非常復(fù)雜，在工程應(yīng)用中往往缺少相關(guān)參數(shù)無(wú)法精準(zhǔn)計(jì)算。張廷彪，張祉道[3]提出一種可供工程應(yīng)用的新算法：

式中i——隧道坡度（以小數(shù)表示），下坡通風(fēng)為正，上坡通風(fēng)為負(fù)。

經(jīng)驗(yàn)證此計(jì)算方法可以用于工程計(jì)算。

1.2.3 火災(zāi)工況疏散救援

火災(zāi)工況下疏散救援要合理利用射流風(fēng)機(jī)，重點(diǎn)在于控制，包括消防控制室的自動(dòng)控制及現(xiàn)場(chǎng)的手動(dòng)控制。一般而言，隧道發(fā)生火災(zāi)后要立即組織人員疏散，疏散完畢后進(jìn)行火災(zāi)救援，火災(zāi)撲滅后排除污染物，最后車(chē)輛駛出隧道，恢復(fù)設(shè)備恢復(fù)交通。某單向行車(chē)隧道火災(zāi)工況人員疏散階段如圖3。一般而言以火災(zāi)點(diǎn)為分界點(diǎn)，前方車(chē)輛快速駛出隧道，后方車(chē)輛停車(chē)，人員棄車(chē)往車(chē)輛入口方向從最近安全通道或者隧道入口逃生。對(duì)射流風(fēng)機(jī)的控制關(guān)鍵在于人員疏散階段要控制隧道內(nèi)風(fēng)速不能大于0.5m/s，如果風(fēng)速過(guò)大會(huì)引起煙氣紊亂，從而擴(kuò)散到人員撤離區(qū)域。

1.2.4 射流風(fēng)機(jī)選型及布置

在相同條件下，單向風(fēng)機(jī)比雙向風(fēng)機(jī)具有更高的通風(fēng)效率。對(duì)于單向交通隧道，無(wú)論是日常運(yùn)營(yíng)還是火災(zāi)工況的防災(zāi)排煙，一般均要求風(fēng)機(jī)運(yùn)行方向與交通方向一致，因此單向交通宜選擇單向風(fēng)機(jī)。對(duì)于雙向交通隧道，洞內(nèi)通風(fēng)方向可能會(huì)隨交通狀態(tài)變化而調(diào)整，因此雙向交通隧道宜選擇雙向風(fēng)機(jī)。為便于工程建設(shè)和長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)管理，一般情況下同一隧道宜選擇同一型號(hào)的射流風(fēng)機(jī)。

射流風(fēng)機(jī)布置應(yīng)不侵入隧道建筑界限并留有15cm 的凈距。同一斷面布置2 臺(tái)及以上射流風(fēng)機(jī)時(shí)，相鄰兩臺(tái)風(fēng)機(jī)凈距不宜小于1 倍風(fēng)機(jī)葉輪直徑，該斷面的各風(fēng)機(jī)型號(hào)應(yīng)完全相同。長(zhǎng)度不大于3000m 的直線隧道，射流風(fēng)機(jī)可布置在兩端洞口段；特長(zhǎng)隧道的射流風(fēng)機(jī)宜在兩端洞口段、洞內(nèi)中部等位置不少于3段分布；長(zhǎng)度大于2000m 的曲線隧道，曲線段宜布置射流風(fēng)機(jī)，曲線段內(nèi)縱向布置距離不宜大于100m。

圖3 某典型單向行車(chē)隧道火災(zāi)工況疏散示意圖

2 縱向全射流通風(fēng)適用范圍

細(xì)則中規(guī)定：采用縱向通風(fēng)方式時(shí)，單向交通且長(zhǎng)度L≤5000m 和雙向交通且長(zhǎng)度L≤3000m 的隧道可采用全射流縱向通風(fēng)方案。通過(guò)對(duì)全國(guó)已建和在建的200 余座各類特長(zhǎng)隧道通風(fēng)方案統(tǒng)計(jì)，長(zhǎng)度大于5000m 的隧道（共48 座）一般采用通風(fēng)井送排式縱向通風(fēng)方式，長(zhǎng)度小于等于5000m 的特長(zhǎng)隧道一般采用全射流縱向通風(fēng)方式。下面對(duì)長(zhǎng)度大于5000m 的特長(zhǎng)隧道采用全射流縱向通風(fēng)可能性進(jìn)行探究。

隧道內(nèi)所需要的風(fēng)量由交通量、隧道長(zhǎng)度、每輛車(chē)需要的風(fēng)量三個(gè)因素決定，同時(shí)隧道最大風(fēng)速的限制及風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)的限制又決定了風(fēng)量的上限，因此縱向全射流通風(fēng)不適用于特長(zhǎng)隧道。根據(jù)工程實(shí)際可以計(jì)算出該隧道采用縱向全射流通風(fēng)的極限長(zhǎng)度。公式如下：

Q=qNL/100=Av

Q——隧道所需風(fēng)量（m2/s）；

q——1 小時(shí)內(nèi)每輛車(chē)每米隧道所需風(fēng)量；

N——交通量；

L——隧道極限長(zhǎng)度（m）；

A——隧道橫斷面積（m2）；

v——隧道極限風(fēng)速（m/s）。

極限風(fēng)速取8m/s，可得：

NL=800A/q

某隧道A=52m2，實(shí)測(cè)下坡q=0.01m3/h/m，上坡q=0.014 m3/h/m。下坡N 與L 函數(shù)為：

NL=4160000

上坡N 與L 函數(shù)為：

NL=2971430

關(guān)系曲線如圖4。

此隧道可根據(jù)上圖曲線由遠(yuǎn)期交通量得出縱向全射流通風(fēng)的極限隧道長(zhǎng)度。如交通量為600 輛/h，得出的極限隧道長(zhǎng)度大約為5000m。值得注意的是q 值與縱坡系數(shù)有關(guān)，上坡比下坡時(shí)大，每座隧道不盡相同。

3 結(jié)論

本文全面闡述了公路隧道縱向全射流通風(fēng)的計(jì)算方法及適用條件, 并結(jié)合工程實(shí)際論證判斷是否可采用該通風(fēng)方式的方法,得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí):

3.1 公路隧道縱向全射流通風(fēng)方式是一種簡(jiǎn)單實(shí)用的通風(fēng)方式，在越來(lái)越多的工程中得到合理應(yīng)用，工程技術(shù)人員在選擇公路隧道通風(fēng)方式時(shí)可優(yōu)先選擇該通風(fēng)方案。

3.2 該通風(fēng)方式主要應(yīng)用于較短的公路隧道，尤其適用于單向行車(chē)隧道。當(dāng)隧道長(zhǎng)度達(dá)到3000 米以上時(shí)需論證該通風(fēng)方式的可行性。

3.3 公路隧道縱向全射流方式具有廣闊的發(fā)展前景。理論上論證后隧道長(zhǎng)度不超過(guò)極限長(zhǎng)度的情況下都可以采取此通風(fēng)方式，但超長(zhǎng)隧道需謹(jǐn)慎考慮，綜合比選。