云南某公路隧道需風量預測及其射流風機設置研究

董震，羅勝軍，徐尚友，楊勇，張云安

（云南交投集團公路建設有限公司，云南 昆明 650100）

1 前言

近年來，隧道及地下工程建設得到了飛速發展，隨著隧道跨度的增大，隧道通風成為一個研究重點。隧道通風影響隧道施工及運營過程，且隨著隧道長度的增加，隧道通風設計運營維護成本增大。因此，長大隧道通風方案的優化研究成為工程中亟待解決的問題。

國內外學者在特長隧道的施工通風優化方面已展開了一些研究，羅燕平等針對金家莊特長螺旋隧道施工方案中存在的工作面通風效果差的問題，提出了風倉式通風方案；張云龍等提出了瓦斯特長隧道的風管最佳布置方案；張恒等通過現場監測和數值模擬方法，研究了射流風機設置高度、風管放置高度等對隧道通風的影響；雷帥等通過分析南大梁高速公路華鎣山隧道內的通風流場及有害氣體分布，對隧道施工的通風方案進行了優化研究；譚信榮等基于洞內空氣質量的現場測試數據，提出了相關降低隧道內粉塵含量的通風措施；李勇等以金瓜山隧道為背景，對長距離獨頭通風和多工作面通風的隧道通風提出了優化措施。古尊勇等以高原雪山隧道為研究背景，將隧道內粉塵濃度及氣體流程的監測數據與數值模擬相比較，對通風方案進行優化；王應權對隧道橫通道形狀和夾角進行分析，選擇及優化了長大鐵路隧道施工的通風方案；劉威通過對某公路隧道的模擬，進行了通風方案的優化與火災模擬研究。

本文主要基于云南某公路隧道的遠期及近期交通量預測，對隧道中一氧化碳（CO）及煙塵（VI）排放量進行理論分析，對稀釋有害氣體的需風量和隧道換氣需風量進行了計算。通過理論計算結果對比，合理選取射流風機數量及布置形式，并分析自然風速對射流風機設置的影響。

2 云南某公路隧道交通量預測及需風量計算

隧道通風既要考慮投資建設成本，又要考慮運營維護費用。因此，隧道通風設計方案應考慮近期與遠期相結合原則。隧道通風設計應根據公路等級、隧道長度、設計速度、設計交通量、地質地形等因素，進行綜合技術比較，確定合理的通風方案。

圖1 隧道主洞建筑界限及凈空斷面圖

據云南某公路隧道的環境報告書，預測特征年為近期的2027 年和遠期的2035 年。根據隧道所在路段項目可行性研究報告提出的預測年平均日交通量進行換算，其中山嶺重丘區隧道設計小時交通量系數取12%；單向交通隧道的方向分布系數取55%。交通量預測結果見表1。

表1 隧道交通量

根據交通量的結果，可計算有害氣體排放量及需風量，有害氣體排放量計算中CO 排放量計算公式為：， 其中fh為考慮CO 的海拔高度系數，按規范取值（平均海拔高度1600m，）；VI 排放量計算公式為：

根據有害氣體的排放量，可進一步計算稀釋CO 及煙塵的需風量。其中稀釋CO 的需風量為其中δ為CO 設計濃度p 為隧址設計氣壓（取84.349kN/m2）。稀釋煙塵的需風量為，其中為隧道全長稀釋煙霧的需風量（m3/s）；K 為煙霧設計濃度，（按設計行車速度取0.007m-1）。

同時，采用縱向式通風的隧道，其換氣需風量為按以下兩公式計算結果的大值。即或，其中為隧道換氣需風量（m3/s）；為隧道凈空斷面面積（m2）；為隧道最小換氣頻率；為隧道換氣風速。

機動車有害氣體基準排放量按每年2%的遞減率計算設計目標年份獲得的排放量，為隧道通風設計目標年份的基準排放量，最大折減年限不超過30 年。2000年，CO 的排放量為0.015m3/s，VI 的排放量為2m3/s，則可得2027 年CO 和VI 的基準排放量分別為0.0041m3/s和1.159m3/s，2035 年的CO 和VI 的基準排放量為0.0038m3/s 和1.091m3/s。根據通風相關規范，取隧道換氣頻率為3 次/h，換氣風速為2.5m/s。

得到隧道左、右線不同設計年限下稀釋CO、稀釋VI 及換氣的需風量結果如表2 所示。

表2 云南某公路隧道左右線需風量計算結果（單位：m3/s）

根據需風量計算結果，按稀釋CO 需風量、稀釋VI需風量以及換氣需風量三者取最大值。隧道左線近、遠期控制需風量均取隧道換氣需風量162.825m3/s；隧道右線近、遠期控制需風量均為稀釋VI 需風量，取值分別為181.71m3/s 和185.98m3/s；兩線最大設計風速4.20m/s，滿足規范中小于10m/s 設計風速的要求。

現今，全球水資源緊張，科學合理利用水資源，實現水利自動化的信息處理與決策是解決水資源緊缺的有效手段。我國水利自動化基礎技術處于世界領先水平，但水資源分布嚴重不均衡，如何實現長期水利自動化及水資源調配是亟需攻克的難題，因此，需加大資金和研究投入，不斷更新水利信息化的技術水平，將理論與實踐有效結合，為水資源的開發利用、配置和使用、保護與治理等提供科學決策，進一步提高我國水利行業的科學管理水平。

3 云南某公路隧道通風的射流風機設置研究

本文研究隧道為約3.1km 的長大隧道，根據設計風速角度出發，滿足全射流縱向通風方式。在進行全射流縱向通風時，隧道內氣流穩定后，壓力平衡應滿足：

該隧道所選風機類型為?1120 的射流式通風機，出口風速≥31m/s,流量≥35.5m3/s，風機功率37W。經以上計算可得，考慮自然風風速為3m/s，以兩臺風機為一組，根據近期的通風需要，隧道左、右線各需配置風機17 組；根據遠期的通風計算，左、右線需各增加風機13 組，即30 組。兩風機之間的橫向凈距為1 倍風機葉輪直徑，縱向間距按風機數量等距離布置。

進一步根據上述隧道左線近期相關設計參數，分析自然風速對射流風機的影響，計算射流風機數量，其中射流風機出口風速為31m/s，風向與自然風方向相同。計算得到所需的風機數隨自然風速的影響如圖2 所示。

圖2 所需的風機數隨自然風速的影響

由云南某公路隧道的通風計算結果可見，射流風機數量與自然風力有關。由于射流風機的升壓作用，風機入口處的風速較自然風速發生變化。風機上方氣體被卷入風機內，從風機出口釋放出，在一定距離內，風流將以風機間距離保持單獨射流，由于隧道壁面的限制和風流橫向擴散，兩股氣流匯聚成一股，最終由于沿程摩阻力，風速逐漸減小。

當自然風風速與隧道車輛行駛方向相同時，對隧道內的通風換氣起到了促進作用，可在滿足通風換氣需求的條件下，適當減少射流風機的開啟數量；當自然風風速與隧道車輛行駛方向相反時，自然風流加速了射流風機風流的擴散作用，自然風起到了阻礙作用，為了滿足隧道內通風換氣的需求，這時應相對增加射流風機開啟的數量。

通過上述自然風速對射流風機的影響分析，自然通風力隨自然風速的增加而增大，所需風機數量也相應減小。

4 結語

基于云南某公路隧道的遠期及近期交通量預測，對隧道中有害氣體排放量進行理論分析，得到稀釋有害氣體及換氣的最大需風量。通過隧道內氣流的壓力平衡，得到射流風機數量及布置形式，并分析了自然風速對射流風機設置的影響。

（1）根據對云南某隧道的需風量計算結果，其左線的近期及遠期最大需風量為換氣需風量162.825m3/s；右線的近、遠期控制需風量均為稀釋VI 需風量，分別為181.71m3/s 和185.98m3/s；在隧道通風設計中，隧道換氣需風量不可忽視。

（2）射流風機的射流升壓受自然風的大小和方向的影響，因此，合理利用自然風速，并相應調整射流風機數量，能達到有效的通風換氣效果，同時，可以減少通風費用，有利于通風節能。

（3）公路隧道通風設計中涉及多方面的因素，要考慮相關參數和車型變化對現行規范的影響。在滿足合理通風的基礎上進行優化設計，對節約資源、減少有害氣體排放有重要意義。