李伟平 吕俊平 冯 劲 郭 霄 郑国平

(浙江省交通规划设计研究院有限公司1) 杭州 31006) (浙江临金高速公路有限公司2) 杭州 310024) (浙江工业大学建筑工程学院3) 杭州 310014)

0 引 言

隧道作为相对封闭的人造空间，车辆行驶过程中将排放大量的污染物，包括颗粒物(尤其是小粒子PM10，PM2.5)、气态一次污染物(CO，NOx，SO2，THC等)及气态二次污染物(O3等).这些污染物不仅影响司乘人员健康及行车视线，而且对隧道洞口居住区的空气质量产生负面作用.为此，常常需要设置庞大的机械通风系统来加大换气量并降低上述污染物浓度，比如，18.02 km长的秦岭终南山通风系统规模达11 274 kW，10 km长的泥巴山隧道通风系统规模达6 500 kW.浙江省运营中的几座特长隧道通风设施规模同样庞大(苍岭隧道7.6 km，4 580 kW；双峰隧道6.2 km，3 510 kW；括苍山隧道7.9 km，5 095 kW；西周岭隧道6.8 km，4 040 kW).

然而，通风系统的实际使用率却很低.根据欧盟国家的统计，通风系统占隧道总安装功率的44%，但实际营运功率仅占16%；而照明系统占隧道总安装功率的15%，但实际营运功率超过50%[1-2].国内的情况类似，西南交通大学对四川雅西高速泥巴山隧道、重庆水武路隧道群、陕西包茂高速秦岭终南山隧道和包家山隧道、山西太古高速西山隧道和上平高速虹梯关隧道的机电设施运营情况进行过调研.这些隧道均采用了竖(斜)井分段纵向通风模式，除包家山隧道外，其余隧道一期工程均设置了轴流风机.其中泥巴山和终南山隧道每天定时开启射流及轴流风机，其余隧道视环境情况，由人工判断开启，开启时间并不多，而且有限次数的定时开启主要是为了检测其运行状况.

另一方面，与文献[3]相比，文献[4]降低了汽车尾气基准排放量，提高了隧道内通风卫生标准和拖挂车的“考虑烟尘的柴油车车型系数”，明确了各类车辆的柴油发动机比例.这些调整导致了按稀释烟尘浓度的需风量较老规范提高约30%，通风系统设施规模随之增大，因此，如何降低通风系统设施规模，减少设备闲置是降低工程全寿命成本的源头因素.Shou[5]针对台湾某长大隧道进行分析，提出利用自然通风可提供至少10%之通风需求，但这一结论因隧道而异，有一定的局限性；互补式通风对单向坡隧道有较好的适用性，王亚琼等[6-7]研究了互补式通风模式的设计方法；湖北省沪蓉高速公路上长5.9 km的大别山隧道已尝试采用该通风模式[8]；另外，从设备选型角度，采用新型的香蕉形射流风机[9]、变频调速器、动叶可调轴流风机[10]及自动捕风排风装置等[11-12]也是提高通风系统集约化水平的有效手段.建设中的杭州-绍兴-台州高速公路(简称杭绍台高速公路)特长隧道众多，工程造价高、通风系统设计难度大，以此为依托介绍特长隧道通风系统集约化设计的理念和措施.

1 工程概况

杭绍台高速公路是浙江公路交通“十二五”规划中新建和预备建设高速公路中里程最长的高速公路，工程路线全长170.18 km，起点绍兴齐贤，终点临海括苍，总投资约360亿元.全线长度超过5 km的隧道有3座：陈家山隧道(5 954 m)、镜岭隧道(5 527 m)和大盘山隧道(8 695 m).这些隧道在初步设计阶段均推荐采用竖井分段送排式通风模式，设置地面或地下风机房用于安装大型轴流风机.施工图设计阶段开展了节能专项设计工作以优化通风系统设计.

2 通风系统设施规模集约化的措施

2.1 利用交通活塞风量

汽车在管状隧道中行驶形成的活塞效应带动空气随着汽车行车方向流动而产生的风量称之为“交通活塞风”.按照流体力学能量守恒定理，通过求解隧道内交通通风力=通风阻抗力时所对应的风量即可以求得交通活塞风量.文献[13-14]对影响交通活塞风的因素开展过敏感性分析，其中影响最大的是车速，交通流量和隧道长度的影响程度较小，尤其是后者.这为特长隧道利用交通活塞风实现无动力通风提供了理论依据.

以陈家山隧道为例，算得了远期设计交通量情况下、不同工况车速下，以及不同交通量情况下、正常行驶车时(80 km/h)的交通活塞风量、左右洞需风量，见图1.由图1可知，交通活塞风量完全能满足下坡隧道的通风需要，对于上坡隧道，通风系统设置的重点是弥补需风量与交通活塞风量之间的缺口.

图1 陈家山隧道不同车速和交通量时的交通活塞风量与需风量对比图

2.2 采用互补式通风模式

互补式通风模式的理念是将相邻左、右洞联通起来，用下坡隧道中相对清洁的空气去稀释上坡隧道中相对污浊的空气，从而实现左右洞通风负荷的均衡.经过换气后，隧道内污染浓度较低的气流与上坡隧道内污染浓度相对较高的气流混合，污染物浓度增加；而上坡隧道内的高污染空气浓度则下降.在两条隧道的出口端，污染物的浓度均达到最大，但均应小于污染浓度临界值.

这种通风方式有一定的适用条件，包括两条隧道的间距不能过小，能够有条件在隧道间开通横洞用于构建双洞换气系统；两条隧道的通风负荷有较大差异(大于1.5倍)；两条隧道的通风总风量不大于其最大允许通风量之和，且小于其交通活塞风量之和才经济.

根据需风量和交通活塞风量计算结果，陈家山隧道、镜岭隧道均满足上述条件，因此，正常营运的通风模式优化为互补式通风，保留的竖井仅用于火灾时排烟，见图2.

图2 陈家山隧道和镜岭互补式风道布置图

2.3 降低主隧道内风速

大盘山隧道远期需风量分别为519.17 m3/s(右线)和1 420.60 m3/s(左线)，大于两条隧道的最大允许通风量之和，因此，仍推荐采用双竖井分段送排式通风模式.同时，拟定了两种方案：方案A(见图3)是尽量利用竖井送排风，主洞内风量维持在交通活塞风左右；方案B是尽量增加主隧道进口的风量，从而降低竖井内的风量和轴流风机功率.根据两方案的同深度比较，方案A的通风能耗大大低于方案B，原因在于主洞内风量的提高，需要增加相应的射流风机进行调压，见表1.

图3 大盘山隧道双竖井送排通风模式方案A气流组织图

2.4 与照明系统的协同设计

上坡隧道内的烟尘特别多且不易消散，隧道照明系统既要考虑光线的穿透性能，也要考虑由于烟尘反射而造成的亮度损失.而隧道通风则是降低烟雾浓度的有效手段，可见照明节能和通风节能之间存在一定的矛盾.另一方面，在设计单位，供配电、隧道通风和隧道照明往往是三个相互独立的专业，缺乏有效的沟通协作，如何协调通风和照明两个专业达到最佳的节能效果值得探讨.

表1 不同方案下的通风设备功率对比表

以陈家山隧道为例，如果全程采用LED灯，则烟尘设计浓度K按照文献[4]取为0.005 0，导致所需通风设备数量较大.为此，提出一种根据通风烟雾浓度按需配置照明灯具类型的设计方法，即出口末端浓度超标段约1 370 m改用色温较低、光线穿透力强的高压钠灯，则通风烟尘设计浓度K可取0.006 5，需风量接近交通活塞风量(见图4)，通风设备数量减少，通风照明系统总安装功率明显降低，见表2.

表2 不同布灯方式下的通风+照明总能耗对比 kW

图4 不同光源对应的需风量及活塞风量

综合上述隧道在近远期的正常行车工况、缓速通行工况、交通阻滞工况和火灾排烟工况，确定了通风系统的设施规模见表3.

3 结 束 语

在杭绍台高速公路特长隧道通风系统节能专项设计过程中，综合采取充分利用交通活塞风、积极采用互补式通风模式、尽力降低主隧道内风速、推进与照明系统的协同设计等四项技术措施，优化了通风系统设计，其中陈家山隧道和镜岭隧道正常运营通风改用互补式通风模式，火灾时仍采用竖井分段纵向排烟模式，大盘山隧道优化了主风道内的风速.以上措施的采用有效降低了通风系统安装功率，为减少今后运营期间的设备闲置和运营能耗打下良好基础.

表3 优化前后的通风系统规模