段宝文，田红旗，刘金兴，吴成朋

山区高速公路隧道群运营通风设计优化研究

段宝文，田红旗，刘金兴，吴成朋

（重庆铁发建新高速公路有限公司，重庆 400700）

隧道群的通风设计不同于普通直线隧道，单独设计每条隧道的通风方案和折算为一条隧道来设计都是不合理的。以某山区高速公路隧道群运营通风设计为依托，采用规范方案设计和FLUENT软件数值模拟，分析了不同工况下各隧道需风量大小、风机台数、风机启停数量。研究发现，单独设计每条隧道的通风方案时，没有考虑到污染物窜流影响，会造成下游隧道的需风量与风机量不匹配的情况。而折算为一条隧道来设计时，又忽略了横向风在连接段的作用，造成风机数量过多、浪费资源、增加造价的问题。在综合所有因素后，最终得到了该隧道群合理有效的通风方案和风机数量。研究结果为隧道群运营通风设计提供了参考。

隧道群；运营通风；风机数量；数值模拟

中国交通基础建设逐渐趋于完善，国内建设重心由发达地区至贫困地区转移，在山区陆续有大量的隧道建成，与以往平原丘陵地区的隧道相比，这些隧道规模更大、技术要求更高，并且隧道之间间隔距离会因地形限制变得更短。

隧道通风技术经过多年发展，射流通风技术在长隧道中有了越来越多的应用。杨秀军等[1]通过研究射流空气流动、升压规律，提出了直线公路隧道风机最小间距；孙三祥等[2]通过实验与数值模拟，提出了双向行车隧道射流通风的设计原则与方法；肖勇[3]基于白涛高速公路隧道群工程，提出了安全前提下运营通风节能减排技术；杨彦民等[4]针对秦岭特长隧道群具体工程条件，设计了运营通风的相关参数。陈达章[5]在乐广高速大瑶山隧道群研究中，阐述了隧道群污染物扩散机理并提出了通风控制方法。王峰[6]在曲线隧道运营通风研究中专门提出了针对海拔高度的气压修正公式，来进行通风设计。

对于隧道群洞口污染物扩散规律，有较多的相关研究，但关于高速公路隧道运营通风的管理相关研究较少，针对山区高速公路隧道群风机管理方案的文献更少，有必要对此进行研究。

1 工程概况

某隧道群为6座上、下行分离的两车道高速公路隧道组合，具体隧道群长度及坡度参数如表1所示。其中，左线1#、2#隧道间距80 m，2#、3#隧道间距95 m；右线1#、2#隧道间距60 m，2#、3#隧道间距90 m。

隧道当量直径为5.61 m，其运营通风设计初步选定风机为NO1120型射流风机，风机出口风速为33.4 m/s，隧道断面如图1所示。

表1 隧道群长度及坡度参数表

隧道编号长度/m坡度 左线1#1 026单向坡2.55% 2#1 000单向坡2.35% 3#600单向坡2.55% 右线1#1 055单向坡2.52% 2#1 050单向坡2.33% 3#500单向坡2.52%

图1 隧道横断面示意图

2 隧道群相关空气指标

2.1 气象概况

该地具有亚热带季风气候的特点，四季分明，全年年均气温在17.7 ℃，年均降雨量为1 243 mm，雨量充沛，无霜期长，霜雪稀少。

2.2 空气指标

2.2.1 气压

该隧道群各隧道入口处气压平均值约为100.667 kPa，各隧道出口处的气压平均值约为101.1 kPa，进出口存在压差。洞外常年存在自然风，风速在0～1.5 m/s之间。

2.2.2 气温

该工程所处位置初冬时节某天气温变化如图2所示。

图2 初冬季节隧道入口气温变化

由图2可见，隧道入口洞外白天温度可达11 ℃，夜间最低温度仅有7 ℃，最大温差达4 ℃，昼夜温差较小。

2.2.3 空气密度

通过对该地海拔、温度及密度测量可知，该地空气密度为1.1 kg/m3。

3 计算理论及参数

3.1 规范理论

一般公路隧道在运营通风设计中，按照JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通风设计细则》[7]中的详细规定，分为稀释CO、稀释烟尘以及隧道换气需风量，三者取最大值作为隧道运营通风需风量，从而进行通风设计。2012R05EN《公路隧道：车辆排放和通风需风量》（世界道路协会（World Road Association）标准 PIARC2012）[8]也规定了根据CO、NO排放量来进行通风量计算的方法。但根据工程实际，目前需要进行机械通风的公路隧道大都采用稀释CO需风量作为设计标准。细则里的计算公式为：

3.2 计算参数

隧道通风设计需要考虑的因素很多，但其中最重要的是以下参数：①隧道的长度及坡度。长度越长，内部空气就会越浑浊，需风量也会随之增加，而坡度越大，汽车产生的污染物量也会增加，从而影响隧道内通风要求。②通过隧道的交通量。交通量包括高峰小时通过的车辆总数，柴油、汽油车数量以及小中大型车的数量等，这些数据对CO排放、NO排放、烟尘量的影响甚大。③道路等级与防火要求。这决定了隧道内的通风方式与造价。

该隧道群汽车流量如表2所示。

表2 汽车流量

正常通行 车辆类型常规情况/辆柴油车/辆汽油车/辆 小型车1 4401441 296 中型车24019248 大型车7207200 阻滞情况 车辆类型阻滞情况/辆柴油车/辆汽油车/辆 小型车51051459 中型车856817 大型车2552550

同时根据式（2）进行判定是否需要机械通风：

·≥2×106（2）

式（2）中：为隧道长度，m；为设计小时交通量，veh/h。

将表1中数据代入式（2）可知左线1#隧道需要机械通风，左线2#隧道需要机械通风，左线3#隧道不需要机械通风，右线1#隧道需要机械通风，右线2#隧道需要机械通风，右线3#隧道不需要机械通风。

4 结果分析

4.1 独立隧道设计

以左、右线6座隧道分开进行初步计算，可以得到各隧道在不同工况下的需风量，需风量取稀释烟尘、稀释CO和换气通风量的最大值，得到的最大需风量如表3所示。可以看出，在单独考虑每座隧道的前提下，左线1#、2#隧道在交通流畅情况下，只需满足换气要求即可，右线1#、2#隧道以稀释烟尘需风量为主。这是因为在纵坡一致情况下，右线车辆行驶上坡，排出的尾气烟尘量更大。当隧道长度≤ 1 000 m时，可不考虑交通阻滞的情况，因此左线2#隧道无阻滞交通需风量。

以NO1120型风机进行通风设计，可以得到表4风机 台数。

射流通风以升压、排污为主要目的，从表4结果看来，由于单个隧道长度普遍为1 km左右，因此只需要满足火灾和阻滞条件下的通风需求即可，正常通行状态下，交通风足以将污染物带出。由于单独设计时，将隧道入口边界条件考虑为新鲜无污染风，但是该隧道群之间间距均小于100 m，在如此短的距离里，隧道之间的污染物窜流现象十分严重，如果不考虑这一现象，所设风机组很可能不能满足2#、3#隧道排污需求，因此要综合考虑所有因素。

表3 各隧道最大需风量

设计风量 左线/（km/h）1#2#右线/（km/h）1#2# 正常交通8016516580230.207 7229.116 6 6016516560190.367 8186.465 6 4016516540170.938 5170.128 4 阻滞交通20165/20165165 10186.542/10186.542186.542

表4 各工况车速下隧道通风所需1120型射流风机（单位：台）

工况车速/（km/h）1120型射流风机 左1#右1#左2#右2#左3#右3# 正常交通80201000 60202000 40111100 阻滞交通20222200 10444400

4.2 整隧道设计

将左、右线三条隧道综合考虑，可将其折算成一条特长隧道来进行设计。计算结果如表5所示。

表5 各工况车速左、右线隧道通风所需1120型射流风机（单位：台）

工况工况车速/（km/h）1120型射流风机 左线右线 正常交通80410 60612 40814 阻滞交通201218 101622

由以上计算结果可以得到，将几组隧道不考虑中间连接段稀释污染物作用下组合计算的风机组与单一计算的几乎不在同一数量级。这样的设计会造成一定量的风机组闲置，使造价提升，属于过度保护设计。

4.3 综合设计

合理进行隧道群通风设计计算应该考虑多个因素的影响：横向自然风、污染物窜流程度和隧道间纵向间距等。既不能过度设计浪费资源，也不可以将风机量设计太少，无法保证安全。由于横向风的存在，上下游隧道进出口的污染物窜流会发生较大的变化。正常交通下，交通风足够将污染物排出隧道外。根据FLUENT计算结果，如图3、图4所示，可以看出上游隧道出口风速下降，下游隧道入口处污染物浓度会适度降低。因此将上游隧道出口风机功率适当降低，或减少上游隧道出口风机数量，这样可以降低下游隧道洞口污染物窜流比例。在设计时，重点考虑火灾及交通阻滞情况下的通风需求即可。

经过综合计算，该隧道群的风机数量应为表6所示。由计算结果可以看出，虽然按照规范计算，左、右线3#隧道均不需要采用机械通风，但由于窜流现象的存在，加上一组2台风机后，可以解决在发生火灾或者前面隧道出现阻滞的特殊情况通风需求，保证行车安全和通风卫生。且由于横向风的存在，右线3#隧道在任何情况下均不需要设置风机。

图3 左线下游隧道入口CO浓度

图4 右线下游隧道入口CO浓度

表6 优化后左、右线隧道通风所需1120型射流风机（单位：台）

工况工况车速/（km/h）1120型射流风机合计 左线1#右线1#左线2#右线2#左线3#右线3#左线右线 正常交通8022262068 6022462088 406466201410 阻滞交通2022220044 106466201410

经过综合设计分析后，该隧道群所取的风机数量在单独计算各隧道和折算成一条特长隧道的数据中间，这样既保证了安全，又避免了闲置浪费，起到了较好的设计效果。

5 结论

分析了隧道群常见的通风设计方法与特点，指出现有设计方法将隧道单独考虑存在的不足，利用实际工程计算表明了其存在的问题。分析了将隧道群各隧道折算为一整条隧道进行通风设计的方法，发现这种方法存在过度保护的问题，风机会闲置，浪费资源。通过综合考虑各因素对通风的影响，利用FLUENT软件计算了上下游隧道在风机功率改变的情况下CO窜流情况。结果发现，横向风、纵向间距和上下游隧道风机功率都影响着污染物的窜流，而污染物的窜流程度决定了需风量的大小。因此，在综合这些因素的情况下，得到了实际工程中需要的风机数量及各工况下的开启方案。

［1］杨秀军，王晓雯，陈建忠.公路隧道通风中射流风机纵向最小间距研究［J］.重庆交通大学学报（自然科学版），2008（1）：40-43，164.

［2］孙三祥，高孟理，武金明，等.双向行车公路隧道射流通风系统优化分析［J］.公路交通科技，2006（12）：106-110.

［3］肖勇.白涛隧道群安全运营通风节能关键技术研究［D］.重庆：重庆交通大学，2017.

［4］杨彦民，曹振.秦岭特长公路隧道群通风设计［J］.公路，2005（4）：186-190.

［5］陈达章.公路隧道群污染物串流扩散机理与通风控制方法研究［J］.交通工程，2017，147（3）：266-269.

［6］王峰.曲线公路隧道营运通风关键参数研究［D］.成都：西南交通大学，2010.

［7］招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆交通大学，浙江省交通规划设计研究院，等.JTG/T D70/2-02—2014公路隧道通风设计细则［S］.北京：人民交通出版社，2014.

［8］PIARC-World Road Association, PIARC Technical Committee on Road Tunnels Operation（C5）. Road tunnels: Vehicle Emissions and Air Demand for Ventilation［R］. France，2012.

U455.3

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.09.004

2095－6835（2020）09－0009－04

段宝文（1986—），男，研究方向为隧道运营通风。

〔编辑：王霞〕