雙向行車特長隧道運營通風風機控制策略研究

邵 林 白 赟

(四川省交通勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610017)

人類對公路隧道的建設發展已經經歷了上百年，從最初的單一短小隧道到如今的復雜特長隧道，公路隧道的設計理念取得了長足進步。近年來，隨著我國脫貧攻堅戰的不斷進行，越來越多的低等級特長公路隧道出現在了云貴川等地。隧道長度增加的同時，隧道內因車輛行駛產生的一氧化碳、煙塵、氮氧化物等汽車尾氣也在累積增多，此時需要借助風機等機械設備對隧道進行通風，在滿足汽車發動機燃燒和司乘人員需氧舒適度的同時，降低隧道內汽車排放污染物的濃度。

目前對于公路隧道通風問題，國內外學者已做了大量研究。JTG/T D70/2—02—2014公路隧道通風設計細則對公路隧道需風量和風機計算都作了詳細闡述[1]；曾柯皓以城開路滿月隧道為依托工程，對特長公路隧道的通風方案及自然風的利用進行研究，提出了合理的通風方案和機電配置[2]；付朝輝等以南大梁高速華鎣山隧道為工程依托，對8 km特長公路隧道通風系統配置進行了優化研究[3]；郭志杰等以金門特長公路隧道為例，對通風井送排式、單通道互補式、雙通道互補式和吸塵式4種通風方案進行了比選研究[4]；姜同虎等針對新場隧道右線通風負荷過大的情況，提出了雙洞互補式的通風方案[5]；白赟等采用FDS火災動力學軟件，對雀兒山隧道進行了火災三維數值模擬，研究了高海拔雙向行車公路隧道火災時的煙氣流動規律和能見度分布規律[6]，并針對活塞風作了相關研究[7，8]。通過查閱文獻可以發現，國內學者對于公路隧道的通風問題研究較多，但多是從優化設計、方案比選和火災通風控制等方面研究，對于通風風機的配置也僅僅是計算得到所需風機臺數的最大值，而對不同自然風風速工況下雙向行車特長隧道運營通風風機的控制策略則幾無文獻報道。

本文采用網絡通風的計算方法，對不同自然風風速工況下，雙向行車特長隧道平導壓入式通風進行計算，得到具體的風機控制方案。

1 工程背景

雀兒山隧道地處青藏高原東部邊緣沙魯里山脈，位于四川省西部甘孜藏族自治州德格縣境內。隧址處于高海拔地區，其中隧道洞口平均設計高程在4 300 m左右，屬于高海拔雙向行車特長公路隧道。該隧道全長7 079 m，隧道建筑限界為9.0 m ×5.0 m，隧道縱向坡度呈“人”字形，最大縱坡2.6%。主隧道和貫通平導間設置7條車型橫通道，隧道運營通風時開啟4號車型橫通道，采用平導壓入式通風。

2 運營通風需風量計算

根據工可報告，雀兒山隧道預測交通量和預測交通組成分別見表1，表2。

表1 交通量預測表

表2 各年限高峰小時絕對交通量 輛/h

根據隧道的縱坡、海拔高度及交通構成情況，按JTG/T D70/2—02—2014公路隧道通風設計細則的需風量計算方法，計算隧道各設計年限的左右線隧道正常運營條件下稀釋洞內CO和煙霧(VI)、換氣除異味隧道全長的需風量，綜合確定了正常運營全長最大計算風量及隧道內風速，其中稀釋異味按3次取值，計算結果見表3。

表3 雀兒山隧道全長設計風量與設計風速

由表3可知，隧道全長需風量近期由交通阻滯工況控制，為390.01 m3/s，對應設計風速為6.71 m/s；中期由稀釋CO控制，為437.15 m3/s，對應設計風速為7.52 m/s；遠期由稀釋CO控制，為545.89 m3/s，對應設計風速為9.39 m/s。其中遠期隧道內設計風速不滿足8 m/s的限值，故近期和中期可采用全射流縱向通風，遠期需采用平導壓入式通風，縮短通風區段長度。

3 平導壓入式通風風機控制方案

雀兒山隧道遠期正常運營采用平導壓入式通風，打開4號車型橫通道門，新鮮風由平導兩洞口軸流風機沿平導經4號車型橫通道壓入主隧道，污濁風由主隧道兩洞口排出，通風示意圖如圖1所示。

3.1 計算工況

開啟平導軸流風機的前提下，分別計算不同自然風速下不開和開啟主隧道射流風機的工況，計算工況如表4所示，其中自然風速“+”表示自然風方向從甘孜吹向德格，“-”表示自然風從德格吹向甘孜。

表4 計算工況表

3.2 不開啟主隧道射流風機

根據隧道遠期需風量及阻力損失，平導兩端各設置軸流風機工作，通過固定軸流邊風量來模擬計算隧道中風流分配。當自然風壓為0時，滿足隧道內各段需風量要求的風量分配如圖2所示。

由圖2可以看出，在自然風壓為0時，由于4號橫通道兩端平導和主隧道基本對稱，在兩端安設軸流風機一致的情況下，隧道及平導的風流分配基本對稱。

當取3 m/s(甘孜→德格)和-3 m/s(德格→甘孜)的自然風速時，在只安設軸流風機的情況下，遠期隧道內的風流分配如圖3，圖4所示。

由以上計算結果可知，當存在從甘孜端吹向德格端風速為3 m/s的自然風壓時，對甘孜端主隧道風流流出起阻礙作用，從該端流出的風流減少，僅246.65 m3/s，少于需風量30 m3/s左右；而對德格端主隧道風流的流出起促進作用，從該端流出的風流急速增加，達305.43 m3/s，超過需風量30 m3/s。當存在從德格端吹向甘孜端風速為3 m/s的自然風壓時，情況則相反。因此，對于該隧道的通風系統而言，自然風壓的存在，對于兩端風流的流動的作用是不同的，為使隧道內的風流按需分配，需在主隧道中設置射流風機。

3.3 不同自然風速下風機控制方案

為滿足不同自然風壓下的分風要求，應設置雙向射流風機。結合隧道的建筑限界，在主隧道中設置φ1 120的雙向射流風機，研究中射流風機參數如表5所示。根據計算，遠期，取不同的自然風速下，主隧道兩端應設置射流風機臺數如表6所示。

表5 射流風機參數表

表6 不同自然風速下射流風機控制方案

由表6計算結果可知，不同的自然風方向，主隧道內射流風機的工作方向不同，為了合理分配風量，主隧道內射流風機的工作方向與自然風方向相反。自然風速越大，主隧道內需要開啟的射流風機臺數越多，自然風速為0時，主隧道內不需開啟射流風機；自然風速為±4 m/s時，主隧道內需開啟8臺射流風機。

4 結論

本文采用網絡通風的計算方法，對不同自然風風速工況下，雙向行車特長隧道平導壓入式通風進行計算，得到具體的風機控制方案，并得到如下結論：

1)雀兒山隧道近中期可采用全射流縱向通風，遠期推薦采用開啟4號車型橫通道的平導壓入式通風。

2)當無自然風時，僅需開啟平導兩端洞口的軸流風機，此時風量在主隧道內基本呈對稱分布，滿足通風要求。

3)對于雀兒山隧道的通風系統而言，自然風壓的存在，對于兩端風流的流動的作用是不同的，為使隧道內的風流按需分配，還需在主隧道中設置射流風機。不同的自然風方向，主隧道內射流風機的工作方向不同，為了合理分配風量，主隧道內射流風機的工作方向與自然風方向相反。

4)自然風速越大，主隧道內需要開啟的射流風機臺數越多，自然風速為±1 m/s時，主隧道內僅需開啟1臺射流風機；自然風速為±4 m/s時，主隧道內需開啟8臺射流風機。