特長公路隧道通風設計存在問題與對策分析

摘要 為了確保運營隧道內(nèi)的溫度和含塵濃度等達到要求，以及在阻塞與火災等工況下隧道的舒適安全，隧道通風具有非常重要的作用，而特長隧道內(nèi)通風困難，使得隧道通風問題成為特長公路隧道建設所面臨的主要問題之一。目前國內(nèi)特長公路隧道通風設計仍存在不足。基于此，文章在概述國內(nèi)特長公路隧道通風設計的基礎上，依據(jù)國內(nèi)特長隧道通風設計規(guī)范，探究我國特長隧道通風設計存在的問題，并提出相應的解決措施。

關鍵詞 隧道通風；在線監(jiān)測；技術研究；解決措施

中圖分類號 U453.5 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）05-0138-03

0 引言

近年來，隨著我國公路交通事業(yè)的不斷發(fā)展和公路建設標準的提高，公路隧道數(shù)量急劇增加，特別是山區(qū)公路的建設，出現(xiàn)大量特長甚至超長隧道。特長隧道內(nèi)空氣稀釋困難，使得隧道通風設計成了特長隧道總體設計的重要組成部分，與路線、結(jié)構(gòu)和地質(zhì)等專業(yè)一起成為了確定隧道方案的主要因素[1]。隧道通風設計的優(yōu)劣事關隧道工程造價和運營效益，尤其是復雜的特長隧道，不僅工程造價極高，而且運營費用超高[2]。隧道通風系統(tǒng)所需的風道、通風井、通風塔、機房及通風設備，不但本身造價極高，而且通風設備功率大，造成通風運營費用高。在國家大力倡導建設資源節(jié)約型社會和提出“雙碳”目標的時代背景下，做好特長公路隧道通風設計，降低項目初始投資，減少運營費用意義重大。據(jù)此，該文對國內(nèi)特長隧道通風設計進行概述，并探究我國特長隧道通風設計存在的問題，提出相應的解決措施[3]。

1 特長公路隧道通風設計概述

1.1 特長隧道通風目的

特長公路隧道在運營過程中，車輛會排放大量的廢氣，其中有害物質(zhì)很多，包括CO、NO2、Pb、CO2、SO2、HCHO和煙塵等。車輛在運營過程中同時會散發(fā)大量的熱量[4]。而特長隧道由于長度長，與室外隔絕，無法形成有效的自然通風，隧道內(nèi)循環(huán)差，無法稀釋有害氣體，無法排除熱量，導致隧道內(nèi)存在的有害氣體降低了隧道舒適性，甚至給人們的生命安全造成嚴重威脅，無法滿足人民對美好出行的向往。為此，通過設置隧道通風系統(tǒng)，對隧道內(nèi)有害氣體進行稀釋，排除余熱，確保在正常交通、交通阻滯和運營養(yǎng)護維修等各種工況下隧道內(nèi)潔凈度和溫度都能達到衛(wèi)生標準，為司乘人員、工作人員提供一個較為舒適的環(huán)境。同時，在特長隧道發(fā)生火災時，還應及時地排出煙氣，創(chuàng)造一個安全的疏散環(huán)境，挽救人員生命。隧道通風系統(tǒng)一般還兼用作火災時的防排煙系統(tǒng)，具有火災排煙的功能。

1.2 通風設計與通風方法

1.2.1 通風設計標準

根據(jù)我國現(xiàn)行《公路隧道通風設計細則》，通風設計標準主要分為三個層面。一是安全標準，以稀釋機動車排放的煙塵為主，必要時可考慮隧道內(nèi)機動車帶來的粉塵污染。二是衛(wèi)生標準，以稀釋機動車排放的一氧化碳（CO）為主，必要時可考慮稀釋二氧化氮（NO2）。三是舒適性標準，以稀釋機動車帶來的異味為主，必要時可考慮稀釋富余熱量。該規(guī)范對煙塵設計濃度、一氧化碳（CO）和二氧化氮（NO2）設計濃度及換氣要求等作出了詳細規(guī)定。實際設計過程中一般均根據(jù)預測交通量按上述標準計算需風量[5]。

1.2.2 通風方案的確定

隧道通風一般應結(jié)合路線平面、縱斷面、隧道斷面形式、工程分期建設情況、防災救援與運營管理進行整體規(guī)劃。根據(jù)隧道所在路段的公路等級、路線平縱、隧道地形、隧道地質(zhì)、隧道斷面和交通量，以及所在區(qū)域的氣象環(huán)境與環(huán)境條件，進行隧道需風量的計算及通風方案的選擇。當因路線方案使各通風方案均不滿足運營安全、經(jīng)濟和環(huán)保要求時，則重新論證路線方案、隧道長度和路線平縱等。根據(jù)確定的通風方案詳細計算需風量，確定設計風量，并詳細計算系統(tǒng)阻力。根據(jù)通風系統(tǒng)設計風量、阻力等因素，計算通風設備的風壓、風量、功率等，并進行相關設備的配置。同時與隧道專業(yè)確定風道、通風井、通風塔、機房等的設置。

1.2.3 通風方式的選擇

隧道通風一般包括縱向通風方式、半橫向通風方式、全橫向通風方式和組合通風方式。縱向通風方式包括全射流、集中送入式、通風井送排式、通風井排出式、吸塵式等。半橫向通風包括送風式、排風式、平導壓入式等。全橫向通風包括頂送頂排式、底送頂排式、頂送底排式、側(cè)送側(cè)排式等。組合通風包括縱向組合式、縱向+半橫向組合式、縱向+集中排煙組合式等。每個隧道根據(jù)隧道長度、平縱指標、交通量、氣象條件、地質(zhì)條件、地貌、建設周期、經(jīng)濟性等進行選擇。

2 特長隧道通風設計存在的問題

2.1 隧道通風設計人員介入時機

隧道所在路段的道路等級、路線平面、縱斷面、隧道斷面形式、工程分期建設情況、隧道地形、隧道地質(zhì)等是隧道通風設計的關鍵影響因素，而實際過程中這些關鍵點均由土建人員確定。土建設計人員在設計過程中未考慮通風因素，當隧道通風設計人員介入時是在成型隧道的基礎上進行設計，導致了整個隧道設計得不合理。

2.2 交通量

交通量作為隧道通風的關鍵參數(shù)，會影響到整個系統(tǒng)的設計風量，但設計過程中均采用預測交通量。預測交通量都為遠期交通量，一方面，通風系統(tǒng)均按遠期最不利設置，這就存在著在近期交通量低的情況下通風系統(tǒng)不能很好匹配的問題，造成一定的浪費。另一方面，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，遠期交通量往往超過預測交通量，導致通風系統(tǒng)無法滿足使用要求。再一方面，作為控制公路規(guī)模等級的重要因素，交通量的確定是一個非常復雜的過程，但在實際工作過程中，由于受到各種主客觀因素的影響，導致交通量的預測不準確，導致了通風系統(tǒng)的設置不合理。

2.3 需風量與車型的關系

現(xiàn)行公路隧道通風設計的小時交通量采用的是混合車型設計高峰小時交通量，但該混合車型設計高峰小時交通量主要根據(jù)燃料分為汽油車、柴油車，根據(jù)發(fā)動機類型分為重型車、大型車和小型車。但隨著我國新能源車的迅猛發(fā)展，加之道路沿線配套的充換電站的持續(xù)建設，越來越多的新能源車加入道路運行。新能源車無尾氣排放，而混合車型設計高峰小時交通量未充分考慮新能源車的比例，導致以其為標準計算的排風量及需風量數(shù)據(jù)有誤，導致了隧道通風系統(tǒng)的錯配。

2.4 設計標準的不合理

目前，隧道通風設計標準主要以稀釋汽車所排放的煙塵、一氧化碳（CO）和二氧化氮（NO2）為主，而對汽車排出的熱量未進行考慮。隨著人民生活水平的不斷提高，汽車空調(diào)的使用越來越普遍，導致實際運行中隧道內(nèi)的余熱越來越大，讓隧道環(huán)境急劇惡化。因此，設計過程中應充分考慮隧道余熱的排除。

2.5 交通量與行車速度關系

按照規(guī)定，隧道通風設計的小時交通量采用的是混合車型設計高峰小時交通量，車速則為洞內(nèi)線形行車速度。但在實際中，很多隧道通風設計，都是直接按給出的交通量、行車速度取值的，這種做法是不恰當?shù)摹０凑战煌üこ虒W的相關知識，車流密度、交通量和實際行車速度是一一對應的關系。車流密度和交通量小時，所對應的車速比較；當車流密度和交通量逐漸增大時，車速隨之減小，直到達到合理車速，交通量最大；隨著車流密度的不斷增加，交通量反而降低，導致車速也降低，甚至形成堵車。而規(guī)范中的交通量是指混合車高峰小時交通量，為此，計算通風量時，也應該按照交通量科學地計算實際車速。

2.6 確定車輛汽油柴油比

計算隧道通風時，交通組成直接影響空氣需求，尤其是車輛汽油柴油比是重要指數(shù)。目前，流量的組成是在工程可行性研究報告中，但在工作中常常缺少發(fā)動機燃料和柴油比。在特定的計算中，普遍的做法是指目前市場上各種模型的近似發(fā)動機與柴油比。這樣的話，不考慮交通流量組成的特征和特定路線的長期發(fā)展趨勢，結(jié)果肯定與實際情況有所不同。因此，建議進行工程可行性研究前，我們應該研究，分析和預測各種模型的發(fā)動機與柴油機比。

2.7 煙霧縱坡——車速系數(shù)

按照規(guī)范，車速為80 km/h、縱坡1%以上及其車速在50～80 km/h、縱坡2%以上這個區(qū)間，對應的煙霧縱坡——車速系數(shù)缺失，但在實際情況中，此工況是非常常見的。遇到此種工況，一般采用外插法來推算車速系數(shù)，有人采用線性推導，有人采用多項式推算，有人按照拋物線推導，其計算的結(jié)果也相差甚遠，依據(jù)上述車速系數(shù)再來推算需風量，勢必會影響最終的需風量。

2.8 未充分考慮分期實施

隧道通風是根據(jù)預測遠期最不利的工況進行設計的，但實際運行過程中，近期、中期和遠期情況不同，前期交通量達不到預測情況，但隧道通風系統(tǒng)往往一次性安裝到位，造成了前期設備的閑置，增加了初投資。同時，設備長期閑置容易出現(xiàn)故障，缺少檢查，容易導致到使用時無法使用。因此，應根據(jù)近、中、遠期統(tǒng)一規(guī)劃分期實施，既減少了初投資，又保證了運行的可靠性。

3 特長公路隧道通風設計優(yōu)化措施

3.1 前期介入

如前所述，隧道所在路段的道路等級、路線平面、縱斷面、隧道斷面形式、工程分期建設情況、隧道地形、隧道地質(zhì)以及所在區(qū)域的氣象環(huán)境和環(huán)境條件，對隧道通風的設計是決定性因素。隧道通風設計人員應在項目前期參與總體設計，與相關專業(yè)人員對整個隧道的方案進行討論，而不是待前期路線和隧道專業(yè)將隧道定型后進行被動設計，導致整個隧道工程的設計不合理。

3.2 設計標準的確定

應充分考慮余熱的排除，隧道溫度上升，一方面，由于溫度過高降低了隧道的舒適性，另一方面，由于隧道溫度的升高導致煙塵、尾氣等加速流動，使煙塵中一氧化碳（CO）和二氧化氮（NO2）的濃度升高，導致隧道通風量不滿足原設計要求。再一方面，由于隧道溫度的升高導致了隧道周圍土壤溫度的升高，改變了環(huán)境。因此，設計過程中應充分考慮隧道排熱。

3.3 降溫系統(tǒng)的運用

如前所述，應充分考慮隧道的排熱。一是采用通風的方式降溫，二是制冷降溫，三是采用水噴霧系統(tǒng)進行降溫。采用制冷降溫比較常見，但由于特長隧道工程量大，制冷降溫投資巨大。同時，隧道通風量大，隧道內(nèi)潔凈度差，選擇合理的末端設備也是一個難題。因此，采用水噴霧降溫是比較可行的。水噴霧系統(tǒng)既可以降溫，同時可以降塵和吸收尾氣，減小通風系統(tǒng)的風量，減小風道、風井、機房等的配置，減小通風設備的配置，既節(jié)約初投資又節(jié)省運營費用。由于隧道內(nèi)干球溫度高、相對濕度低，具備良好的水噴霧降溫條件。水的汽化潛熱大，約2.40 kJ/g，在隧道內(nèi)進行水噴霧，在其完全蒸發(fā)后將帶走大量的熱，降溫效果將非常明顯。同時，采用水噴霧而不是灑水的方式，對車輛的通行無干擾。

3.4 增強通風系統(tǒng)的柔性

傳統(tǒng)的隧道通風系統(tǒng)設備均采用射流風機、軸流風機等大型設備，其風量、壓頭、功率、噪聲均較大，無法根據(jù)實際情況無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)通風量，且其風速較大對舒適性及行車均有一定影響。且其安裝占用的空間也很大，增大了隧道、風道等的尺寸。可考慮采用小型誘導風機多點布置的方式來進行通風，可根據(jù)檢測的交通量、隧道內(nèi)溫度、煙塵濃度、一氧化碳（CO）和二氧化氮（NO2）濃度靈活調(diào)整誘導風機的運行，盡可能地根據(jù)實際需風量來調(diào)整設備投入，最大限度地節(jié)約運行費用，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保目的。

3.5 靜電除塵器的應用

傳統(tǒng)隧道除塵主要靠通風系統(tǒng)進行通風來稀釋，但隧道斷面尺寸大，隧道長度長，導致除塵需風量特別大。在通風方案設計過程中，可以綜合考慮靜電除塵器的應用，以此減小機械通風系統(tǒng)風量，減小風道、豎井、通風設備等，降低初投資及運行費用。

3.6 隧道尺寸的節(jié)約

傳統(tǒng)的隧道斷面形狀、尺寸全隧道一致，射流風機一般直接吊裝于隧道上部或側(cè)面。在考慮隧道尺寸的時候要考慮射流風機所占用的空間，導致整個隧道尺寸擴大。實際設計過程中可與隧道相關專業(yè)進行密切配合，將隧道形狀設置成漸變型，在需要安裝射流風機的位置局部擴大，在常規(guī)隧道區(qū)域與射流風機安裝區(qū)域之間流線過渡，保證氣流的順暢，這樣既減小了隧道尺寸，又滿足了通風需求，大大降低工程投資。

3.7 檢測控制系統(tǒng)的完善

如前所述，隧道運行情況根據(jù)近遠期、季節(jié)、時段、節(jié)假日的不同，工況有正常工況、阻滯工況、運營檢修等多種工況，氣象參數(shù)隨季節(jié)和時段不停變換。這就導致了運行狀況千差萬別，如果通風系統(tǒng)沒有完善的檢測、控制系統(tǒng)，系統(tǒng)就無法根據(jù)實際情況進行調(diào)整運營。而且由于公路隧道的特點，運營管理人員無法隨時到現(xiàn)場進行調(diào)節(jié)，這也要求有完善的檢測控制系統(tǒng)，根據(jù)實際情況調(diào)整運行。

3.8 新技術的運用

隨著科學技術的突飛猛進，各種新設備新工藝層出不窮，隧道通風設計人員應緊跟時代步伐，積極采用新技術進行隧道內(nèi)環(huán)境控制，盡可能在滿足隧道使用功能及舒適性的前提下節(jié)約初投資及運行費用。

4 結(jié)語

隨著我國交通運輸業(yè)的不斷發(fā)展，公路建設不斷向山區(qū)道路延伸，橋隧比重加大，特長甚至超長公路隧道越來越多，如何以最小的代價使隧道內(nèi)環(huán)境舒適和安全，是隧道通風設計人員不懈追求的目標。為此，需要不斷進行隧道內(nèi)環(huán)境控制研究，提升隧道通風技術，不斷創(chuàng)新發(fā)展，注重相關人員的培養(yǎng)，對于新技術和新方法，要勇于挑戰(zhàn)。與此同時，要以安全為首，確保隧道建設的安全、經(jīng)濟和舒適。

參考文獻

[1]賈佳欣， 曾柯華. 某超特長公路隧道通風方案優(yōu)選設計探討[J]. 工程建設與設計， 2021（6）： 58-60.

[2]張華， 陳浩. 特長公路隧道施工過程通風設計、實施與檢測[J]. 筑路機械與施工機械化， 2019（12）： 96-101.

[3]王永東， 化思豪， 何志偉， 等. 特長公路隧道橫通道結(jié)合單風井混合式通風設計體系[J]. 交通運輸工程學報， 2020（6）： 161-170.

[4]張華， 陳浩. 特長公路隧道施工過程通風設計、實施與檢測[J]. 筑路機械與施工機械化， 2019（12）： 96-101.

[5]姜同虎， 沈洪波， 汪光裕. 新場特長公路隧道雙洞互補式通風方案設計[J]. 隧道建設（中英文）， 2019（S1）： 334-339.