高速公路特长隧道通风系统设计相关问题探讨

广东飞达交通工程有限公司 / 曾广财

引言

通风系统设计是高速公路特长隧道运行管理中的重点内容，对于隧道内的能见度、卫生情况、安全性等产生直接影响；尤其是长度超过6km的隧道，通风更是成为其中的关键。因此，为了能够适应复杂条件下特长高速公路隧道的运行要求，需要掌握隧道通风系统设计的要点。这也是本文研究的重点内容。

一、高速公路特长隧道通风系统设计的要点

（一）需风量计算分析

在高速公路特长隧道正常运行期间，通风系统有助于保证隧道内的空气流动，而为了满足正常的运行要求，则需要按照公式（1）展开运算。

根据公式（1）所介绍的内容，以一个长度为10km的高速公路隧道，假设隧道的上下坡度均为4%，设计的隧道混合车流达到了3000，同时根据国内技术标准来计算各种污染物的变化，可按照不同车辆的占比来进行划分。具体为：（1）客车占比超过50%时隧道的需风量约为730；（2）当小型车辆的占比超过50%时，则隧道的需风量约为240。

（二）风阻计算

隧道条件下，风阻成为车辆运行的重要影响因素，其阻力包括沿程阻力以及局部阻力等。一般高速公路的隧道为直线模式，其沿程阻力计算方法如公式（2）所示。

而在部分特殊情况下，高速公路的隧道无法保证百分百竖直；而当隧道属于曲线状态下，则风阻产生变化，其计算公式如公式（3）所示。

二、隧道的通风系统设计方法

（一）工程项目简介

某高速公路的全长约为156km，其隧道按照山岭高速公路标准设计，采用了4车道平行的模式，其设计车速为80km/h，全长度达到了7.02km。该隧道的左线为长上坡隧道，坡度约为3.09%；右线为长下坡隧道，坡度约为-1.52%。

（二）需风量的分析

根据该高速公路的功能定位以及周围城市发展情况，预测该隧道未来的交通量较大，可能出现严重的隧道内污染问题。为了能够有效解决这一问题，则需要在满足隧道安全运营的基础上，控制隧道通风系统规模，提高经济效益。同时根据现场的调查结果可知，隧道内的污染物（如CO）等浓度的升高会影响交通正常运行，并且高速公路也可能因为其他因素影响而出现交通堵塞等问题，在隧道内堵塞的车辆可能排放更多的污染气体。所以针对这一实际情况，结合上文公式所介绍的内容展开验算后，所结算的结果如表1所示。

表1 隧道需风量计算（）

表1 隧道需风量计算（）

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同时考虑到案例隧道的特殊结构，其不同纵坡对上坡隧道的需风量有直接影响，在分别按照0.5%、1.0%、1.5%、2.0%以及2.5%的坡度来计算需风量后，计算出隧道不同坡度的需风量变化处于989.67-1966.72的区间内。从研究结果可知，随着上坡道坡度增加，对应的需风量也有显著提升。其原因可能为：随着纵坡的增加，汽车发动机在运行过程中所需要的燃油量也有明显提升；加之发动机燃烧效率下降，这些现象最终会造成尾气排放量明显升高。所以针对这一结果可以认为，在高速公路特征隧道设计中，关于纵坡的优化与控制成为提高通风系统运行质量的重要影响因素。因此在通风系统设计过程中，需要结合风阻等内容展开进一步判断，所以在设计中需要关注的内容包括：（1）作为长上坡隧道，为了稀释有害气体，因而需风量更大，并且随着时间的推移，根据表1的资料可知，远期2030年隧道的需风量有进一步上升，所以应按照远期需风量的标准来优化通风系统结构。（2）在隧道的下坡地段，结合近期与远期的各种交通工具排放情况，其稀释烟雾以及满足人体安全的需风量明显小于上坡段隧道，所以在设计中应严格按照隧道的需风量为标准值进行设计。

（三）影响因素分析

针对需风量不平衡的情况，在设计期间必须要对下坡段以及上坡段的通风方式做差异化分析。其中的重点内容包括：（1）上坡隧道的最大需风量对应隧道内的风速为15.3m/s，在未达到该标准的情况下应采用纵向通风的方法，保证行车安全并提升通风的经济效益。（2）下坡隧道的最大需风量对应隧道内的风速为7.5m/s，在未达到标准值的情况下可通过纯射流风速机做纵向通风。（3）针对高速通路的特殊情况（如隧道内的车祸、火灾等），单向大长纵坡会造成火灾产生烟雾的“烟囱效应”，这一现象会进一步提高烟雾排放难度，所以在设计中应严格控制排烟距离。

（四）通风方案的设计

针对案例特长高速公路隧道的实际情况，提出两种通风系统方案。具体内容为：

方案一，采用单斜井送排风纵向通风系统。该设计方案在左线隧道外增设通风斜井以及地下机房，在位置选择上考虑以下问题：（1）应尽量贴近单向坡隧道的中心点位置，确保能够向两侧输送均衡的风量；（2）在满足任何车辆爬行能力的基础上，应进一步控制斜井的长度。

在设计中考虑到斜井送排风轴流风机与调压射流风机之间存在匹配关系，并且通过提高排风量可以进一步改善隧道内的风量与风速情况，这种设计方法有助于进一步优化隧道内调压射流风机的数量，但是需要注意的是，斜井通风断面面积的提升必然会增加工程量，所以在考虑经济性原则的基础上，设定中排风量为620m3/s。

方案二，为双竖井送排纵向通风方法。该设计方案是分别设置一个通风竖井，其中左洞在正常运营期间需通过双竖井送排的纵向通风方法，同时排风风排与风机兼做火灾发生时的排烟装置，在排烟口并联后即可满足隧道的排烟需求。在该设计方案中，射流风机的台数分别为：出洞口至1号竖井有40台，竖井之间有射流风机32台，2号竖井直至进洞口有34台。

（五）对排烟方案的比较

为了进一步评估两种设计方法合理性，本文通过选择相关项目展开对比分析。详细的对比结果为：

1.从通风机电系统的建设规模来看，方案一中射流风机台数共有78台，单台通风机的运行功率为45kW-1，通风系统的总装机功率为7110kW。而在方案二中，射流风机台数共有106台，单台通风机的运行功率为45kW-1，通风系统的总装机功率为7450kW。

2.从施工影响来看，方案一采用的斜井施工方法较为常见，整体施工难度低，并且能够承担起主洞出渣的要求，有助于缩短施工工期，在采用方案一时预计总施工周期约为7个月。在采用方案二时，竖井施工难度高，并且该方法对主洞工期无影响。

3.两种通风设计方案的经济指标比较，方案一的土建费用＋设备费用＝4640＋1640＝6280（万元），后期运营费用约为830万元。而在方案二中，土建费用＋设备费用＝3187＋1730＝4917（万元），后期的运营管理费用约为870万元。

4.防火防灾对比来看，方案一中采用了两个火灾分区，因此组织控制的难度较低；在方案二中共设置了三个火灾分区，具体布局为二主一备，排烟效果好，但是后期的控制更加复杂。

在综合上述四个指标展开对比后，其中可以发现两个通风设计方案各有优势，但是综合对比来看，方案一虽然早期的成本投入更多，但是后期的运营管理费用少，再加之管理难度大，施工过程对于主洞也有积极影响，所以在最终设计方案中，选择了单斜井送排风纵向通风系统。

（六）特长高速公路隧道通风系统设计的反思

对案例高速公路隧道项目的经验进行研究，我们会发现隧道两端的需风量在数据上存在明显的差异。其中上坡隧道明显大于下坡隧道，这是设计中需要重点考虑的问题。同时从运营通风方式来看，单斜井送排风纵向通风系统的出现具有可行性。很显然，该方法进一步改善隧道主风道内的风速至经济风速区间，提高通风效果。而就火灾通风来看，可考虑将上坡隧道的排风风道做进一步的延伸，并且对通风系统中的排风风机也给予特殊情况下排烟要求的充分考虑，有助于缩短排烟距离，保证通风效果。

三、结语

在高速公路特长隧道通风系统设计中，设计人员应严格按照隧道的实际情况优化通风系统结构。结合本文的研究可知，案例项目在采用单斜井送排风纵向通风系统方面会具有更高的经济效益，并且系统结构简单，所需要的设备数量更少，而且工程项目的施工难度也更低，且辅之以更简单、多火灾分区控制方案，避免因某分区受损而无法达到排烟效果，有助于烟气以及其他污染物的排放，是一种科学的通风系统设计方案，值得推广。