高速公路超长隧道纵向式通风设计计算

金立平

（中国上海外经（集团）有限公司，上海 200032）

0 前言

我国现行的公路隧道通风设计规范是由交通部于2000年1月7日发布的《公路隧道通风照明设计规范》（JTJ026.1）。该规范是根据我国的试验研究成果和隧道工程实践并考虑中国经济发展水平编制的；同时借鉴了其它国家或国际组织的规范，如挪威《公路隧道设计准则》(1990版)、日本《公路隧道通风技术基准》(1985版)、PIARC(1995、1983、2003、1975、1979、1987、1991)报告等。根据我国规范在国内的高速公路设计时4.5 km长的隧道往往是纵向式通风方案的临界长度，即大于4.5 km长度的隧道在国内通常采用分段纵向式通风方式或半横向式通风方式，需要大大增加工程造价和运营成本。而建成后的一些长度为5 km左右的公路隧道在运营中却发现分段式通风或半横向式通风的设计偏于保守，安装的通风设备闲置着，浪费了建设资金。主要的原因在于设计，而设计的依据是规范。为此本文采用国际路协“PIARC（1995）报告”推荐的通风设计标准对德黑兰北部高速公路Taloon隧道进行了设计计算。“PIARC（1995）报告”是国际路协在1995年的第二十届大会上推荐的隧道通风设计标准，被世界各国所普遍接受。该计算的目的在于提供一个能被业主和欧洲监理所能接受的通风设计；同时针对上述我国通风设计所存在的问题寻找原因和解决方案。

1 项目简介和设计参数

德黑兰北部高速公路项目位于伊朗北部,连接伊朗首都德黑兰 (起点)和里海边城市恰卢斯（终点），全长121 km，双向4车道，坡度大的上坡路段增设爬坡车道，设计行车速度在洞外80 km/h，隧道内60 km/h。Taloon隧道位于距起点德黑兰约21 km的山区，是该项目全线范围内长度排第二的隧道,按照左右线分离设置。

经过了多方案的经济技术比选，并和业主协商后决定Taloon隧道通风方案采用全射流纵向通风，主通风方向与行车方向一致。当一隧道因故封闭，另一隧道双向行车时，则主通风方向一般与自然风主风向一致。基本设计参数如下:

（1）隧道长度:左线隧道长度4 847.76 m；右线隧道长度：4 892 m。

（2）隧道断面面积：75.1 m2。

（3）隧道当量直径：8.9 m。

（4）隧道纵坡:

左线：176.765 m，-0.6%；3 177.488 m，1.83%；1 230.747m，1.986%；262.76m，1.785%；

右线：223.544 m，0.6%；3 191.456 m，-1.83%；1 170m，-1.949%；307 m，-1.785%。

（5）隧道高程：约为2 287 m。

（6）高峰小时交通量：根据交通量预测，Taloon隧道远期2022年预测高峰小时交通量采用3 000 pcu/h（双向，60 km/h），1 400 pcu/h（双向，10 km/h）。其中上行占50%，下行占50%；轿车占85%（全部为汽油发动机），重型卡车和客车占15%（全部为柴油发动机）。

（7）设计正常行车速度为60 km/h，阻塞行车速度为10 km/h。

2 隧道设计卫生标准

CO设计允许浓度：正常交通100 ppm；交通阻塞150 ppm；交通管制250 ppm。

烟雾设计允许浓度：正常交通0.007 m-1；交通阻塞0.009 m-1；交通管制0.012 m-1。

3 隧道需风量计算

按照PIARC(1995)报告进行隧道通风计算，采用普通ECE15/04和EURO-1排放标准,隧道需风量计算过程如下。

3.1 交通量计算

考虑到受隧道内坡度的影响，大车与标准车（pcu）的换算关系取1∶3。行车速度为60 km/h时，隧道内通过的车辆数为 1 500/（0.85+3×0.15）=1 154（veh/h）；行车速度为 10 km/h时，隧道内通过的车辆数为 1 400/（0.85+3×0.15）=1 077（veh/h）。

3.2 废气排放量计算

3.2.1 汽油发动机轿车排放量计算

式中：Q——CO排放量，g/h；

q(v,i)——基本排放系数，取决于平均速度和道路坡度，查PIARC(1995)表2；

fh——高程系数，按照PIARC(1995)表17中的汽油机（带催化剂）按照高程内插取值2.68；

fcs——冷启动系数，查PIARC(1995)表16，按照冷启动后进入隧道前的车辆公里数为3km行驶距离，汽油发动机CO的冷启动系数取1.0；柴油发动机CO和烟雾的冷启动系数均取1.0；

fa——催化剂老化系数，无催化剂，取1；

nm——隧道内相应车型的车辆数，nm=Mm·L/V，辆；

Mm——相应车型交通量，veh/h；

V——车辆速度，km/h；

L——隧道长度，km。

3.2.2 柴油发动机卡车和客车排放量计算

式中：Q——CO排放量，g/h和颗粒物排放量，m2/h；

q(v,i)——基本排放系数，取决于平均速度和道路坡度，CO查PIARC(1995)表 19；烟雾查 PIARC(1995)表 21；

fh——高程系数，查PIARC(1995)表24得，柴油发动机CO的高程系数为3.11，柴油发动机的烟雾高程系数为1.85；

fm——质量系数，该设计公路隧道为正常的国家公路网，查PIARC(1995)表22，按照 m=20 t/10 t，在 60 km/h时 fm取1.6；在10 km/h时fm取1.8；

fe——相对于“EURO前”的废气排放标准系数，按照EURO 1排放标准查PIARC(1995)表23得，CO排放标准系数取0.4，烟雾排放标准系数取0.55。

将隧道按照不同的坡度根据上述计算方法分段计算，将分段计算结果分别按照CO和烟雾进行累加，即可得到整条隧道的CO排放量QCO和烟雾排放量QVI。

3.3 隧道需风量计算

3.3.1 稀释CO的隧道需风量

式中：Qreq(co)——稀释CO的隧道需风量，m3/h；

QCO——隧道的CO排放量，g/h；

δadm——CO设计允许浓度，ppm；

δamb——CO本底浓度，ppm，该隧道位于郊区，取 0。

3.3.2 稀释烟雾的隧道需风量

式中：Qreq(VI)——稀释烟雾的隧道需风量，m3/h；

QVI——隧道的烟雾排放量，m2/h；

Kadm——烟雾设计允许浓度，m-1；

Kamb——烟雾本底浓度，m-1，该隧道位于郊区，取 0。

按照PIARC（1995）报告的要求，对动态交通60 km/h、拥挤交通10 km/h和交通阻滞0 km/h三种工况，按照稀释CO和稀释烟雾两种条件，采用上述方法进行计算。计算结果显示左线最大的需风量是在拥挤交通10 km/h工况时受稀释烟雾控制，最大需风量为Qreq(VI)=437.11(m3/s)，风速为5.82m/s。右线最大的需风量是在拥挤交通10 km/h工况时受稀释CO控制，最大需风量为Qreq(co)=356.50(m3/s)，风速为4.75 m/s。

4 通风计算

4.1 风机选型

设计选用Φ1250双向可逆射流风机，技术参数为：叶轮直径为1 250mm，出口风量40.4m3/s，出口风速为32.9 m/s，电机功率为42.5kW，反风风量不小于正向风量的95%。风机应满足在250℃高温下正常可靠运转60 min，电机防护等级不低于IP55。风机应在30 s内正反转切换到风机额定转速。

4.2 射流风机推力

式中：Δpj——射流风机推力，Pa；

ρ——空气密度，kg/m3；

Qj——射流风机风量，m3/s；

uj——射流风机出口风速，m/s；

u——隧道内纵向风速，m/s；

η1——射流风机性能系数，取0.9；

η2——边墙影响系数，取0.8；

η3——纵向安装距离影响系数，取1.0；

AT——隧道断面面积，m2。

4.3 隧道交通通风力

式中：Δpveh——隧道交通风力，Pa；

M——隧道交通量，veh/h；

L——隧道长度，km；

v——车辆速度，km/h；

cw——车辆阻力系数，小车取0.35（堵塞影响时取0.4），大车取0.8（堵塞影响时取1.0）；

A——车辆断面面积，m2，小车取2.0，大车取5.0。

4.4 隧道阻力

式中：Δptu——隧道阻力，Pa；

ζ——隧道入口局部阻力系数，取0.5；

λ——隧道摩擦阻力系数，取0.020；

D——隧道当量直径，m。

4.5 自然风阻力

式中：ΔpMT——隧道自然风阻力，Pa；

un——隧道内自然风风速，m/s，取2.5 m/s；

4.6 射流风机台数

根据推力和阻力平衡，即隧道内压力平衡：

得到风机台数量：

经以上计算，左线隧道需配置射流风机26台，右线隧道需配置射流风机18台。

5 火灾工况验算

考虑到工程的经济性，按照隧道内发生火灾的规模为20 MW热量（一辆公共汽车或卡车发生火灾）进行排烟设计。

火灾的临界风速计算公式如下：

式中：Vc——临界速度，m/s；

Kg——临界理查德森数（Richardson Nunrber）的1/3次幂，取0.61；

K——坡度修正系数,查得1.09；

g——重力加速度，m/s2,取9.8 m/s2；

H——隧道净高，m,取7.66 m；

Qf——火源的热释放率，W，取20 MW；

ρa——周围空气的密度，kg/m3，取1.2 kg/m3；

Cp——恒压时空气的比热，J/kg·K），取1005 J/kg·K；

A——隧道横断面面积，m2，取75.1；

Tf——火源处气体的温度，K；

Ta——周围空气的温度，K；

i——隧道纵坡，%,取最大纵坡3%。

计算得出控制烟和热气流动的风速约为2.32 m/s。隧道内纵向风速采用2.32 m/s对隧道火灾工况所需要的射流风机进行验算，其计算方法与上述阻力计算相同。经计算，火灾工况左、右线隧道各需要运行射流风机8台。

6 结语

（1）按照上述计算成果完成的设计文件经业主委托的伊朗咨询公司和欧洲的咨询公司审核获得了批准，目前项目正在实施中。

（2）上述计算结果表明对于长度为4 892m的长隧道采用全射流纵向通风能满足国际卫生标准，全射流纵向通风方案是可行的。

（3）上述计算显示隧道内的最大风速是5.82 m/s，而 PIARC（1995）允 许 的 最 大 风 速 是10m/s。因此在类似设计交通量的情况下，纵向式通风方式的临界长度将远远大于5 km。

（4）比较我国的通风设计规范和PIARC（1995）可以发现，两者对车辆有害气体的排放量的计算方法和参数取值存在较大的差别，因而对于隧道需风量的要求差别较大。上述计算成果可以为我国通风设计规范的完善修订提供工程案例依据。

[1]PIARC Committee on Road Tunnels,"Vehicle Emissions/Air Demand/Environment/Longitudinal Ventilation",report to 20th Word Road Congress in Montreal,1995.

[2]JTJ 026.1-1999,公路隧道通风照明设计规范[S].