高速公路超長隧道縱向式通風設(shè)計計算

金立平

（中國上海外經(jīng)（集團）有限公司，上海 200032）

0 前言

我國現(xiàn)行的公路隧道通風設(shè)計規(guī)范是由交通部于2000年1月7日發(fā)布的《公路隧道通風照明設(shè)計規(guī)范》（JTJ026.1）。該規(guī)范是根據(jù)我國的試驗研究成果和隧道工程實踐并考慮中國經(jīng)濟發(fā)展水平編制的；同時借鑒了其它國家或國際組織的規(guī)范，如挪威《公路隧道設(shè)計準則》(1990版)、日本《公路隧道通風技術(shù)基準》(1985版)、PIARC(1995、1983、2003、1975、1979、1987、1991)報告等。根據(jù)我國規(guī)范在國內(nèi)的高速公路設(shè)計時4.5 km長的隧道往往是縱向式通風方案的臨界長度，即大于4.5 km長度的隧道在國內(nèi)通常采用分段縱向式通風方式或半橫向式通風方式，需要大大增加工程造價和運營成本。而建成后的一些長度為5 km左右的公路隧道在運營中卻發(fā)現(xiàn)分段式通風或半橫向式通風的設(shè)計偏于保守，安裝的通風設(shè)備閑置著，浪費了建設(shè)資金。主要的原因在于設(shè)計，而設(shè)計的依據(jù)是規(guī)范。為此本文采用國際路協(xié)“PIARC（1995）報告”推薦的通風設(shè)計標準對德黑蘭北部高速公路Taloon隧道進行了設(shè)計計算?！癙IARC（1995）報告”是國際路協(xié)在1995年的第二十屆大會上推薦的隧道通風設(shè)計標準，被世界各國所普遍接受。該計算的目的在于提供一個能被業(yè)主和歐洲監(jiān)理所能接受的通風設(shè)計；同時針對上述我國通風設(shè)計所存在的問題尋找原因和解決方案。

1 項目簡介和設(shè)計參數(shù)

德黑蘭北部高速公路項目位于伊朗北部,連接伊朗首都德黑蘭 (起點)和里海邊城市恰盧斯（終點），全長121 km，雙向4車道，坡度大的上坡路段增設(shè)爬坡車道，設(shè)計行車速度在洞外80 km/h，隧道內(nèi)60 km/h。Taloon隧道位于距起點德黑蘭約21 km的山區(qū)，是該項目全線范圍內(nèi)長度排第二的隧道,按照左右線分離設(shè)置。

經(jīng)過了多方案的經(jīng)濟技術(shù)比選，并和業(yè)主協(xié)商后決定Taloon隧道通風方案采用全射流縱向通風，主通風方向與行車方向一致。當一隧道因故封閉，另一隧道雙向行車時，則主通風方向一般與自然風主風向一致?；驹O(shè)計參數(shù)如下:

（1）隧道長度:左線隧道長度4 847.76 m；右線隧道長度：4 892 m。

（2）隧道斷面面積：75.1 m2。

（3）隧道當量直徑：8.9 m。

（4）隧道縱坡:

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

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

（5）隧道高程：約為2 287 m。

（6）高峰小時交通量：根據(jù)交通量預測，Taloon隧道遠期2022年預測高峰小時交通量采用3 000 pcu/h（雙向，60 km/h），1 400 pcu/h（雙向，10 km/h）。其中上行占50%，下行占50%；轎車占85%（全部為汽油發(fā)動機），重型卡車和客車占15%（全部為柴油發(fā)動機）。

（7）設(shè)計正常行車速度為60 km/h，阻塞行車速度為10 km/h。

2 隧道設(shè)計衛(wèi)生標準

CO設(shè)計允許濃度：正常交通100 ppm；交通阻塞150 ppm；交通管制250 ppm。

煙霧設(shè)計允許濃度：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 隧道需風量計算

按照PIARC(1995)報告進行隧道通風計算，采用普通ECE15/04和EURO-1排放標準,隧道需風量計算過程如下。

3.1 交通量計算

考慮到受隧道內(nèi)坡度的影響，大車與標準車（pcu）的換算關(guān)系取1∶3。行車速度為60 km/h時，隧道內(nèi)通過的車輛數(shù)為 1 500/（0.85+3×0.15）=1 154（veh/h）；行車速度為 10 km/h時，隧道內(nèi)通過的車輛數(shù)為 1 400/（0.85+3×0.15）=1 077（veh/h）。

3.2 廢氣排放量計算

3.2.1 汽油發(fā)動機轎車排放量計算

式中：Q——CO排放量，g/h；

q(v,i)——基本排放系數(shù)，取決于平均速度和道路坡度，查PIARC(1995)表2；

fh——高程系數(shù)，按照PIARC(1995)表17中的汽油機（帶催化劑）按照高程內(nèi)插取值2.68；

fcs——冷啟動系數(shù)，查PIARC(1995)表16，按照冷啟動后進入隧道前的車輛公里數(shù)為3km行駛距離，汽油發(fā)動機CO的冷啟動系數(shù)取1.0；柴油發(fā)動機CO和煙霧的冷啟動系數(shù)均取1.0；

fa——催化劑老化系數(shù)，無催化劑，取1；

nm——隧道內(nèi)相應(yīng)車型的車輛數(shù)，nm=Mm·L/V，輛；

Mm——相應(yīng)車型交通量，veh/h；

V——車輛速度，km/h；

L——隧道長度，km。

3.2.2 柴油發(fā)動機卡車和客車排放量計算

式中：Q——CO排放量，g/h和顆粒物排放量，m2/h；

q(v,i)——基本排放系數(shù)，取決于平均速度和道路坡度，CO查PIARC(1995)表 19；煙霧查 PIARC(1995)表 21；

fh——高程系數(shù)，查PIARC(1995)表24得，柴油發(fā)動機CO的高程系數(shù)為3.11，柴油發(fā)動機的煙霧高程系數(shù)為1.85；

fm——質(zhì)量系數(shù)，該設(shè)計公路隧道為正常的國家公路網(wǎng)，查PIARC(1995)表22，按照 m=20 t/10 t，在 60 km/h時 fm取1.6；在10 km/h時fm取1.8；

fe——相對于“EURO前”的廢氣排放標準系數(shù)，按照EURO 1排放標準查PIARC(1995)表23得，CO排放標準系數(shù)取0.4，煙霧排放標準系數(shù)取0.55。

將隧道按照不同的坡度根據(jù)上述計算方法分段計算，將分段計算結(jié)果分別按照CO和煙霧進行累加，即可得到整條隧道的CO排放量QCO和煙霧排放量QVI。

3.3 隧道需風量計算

3.3.1 稀釋CO的隧道需風量

式中：Qreq(co)——稀釋CO的隧道需風量，m3/h；

QCO——隧道的CO排放量，g/h；

δadm——CO設(shè)計允許濃度，ppm；

δamb——CO本底濃度，ppm，該隧道位于郊區(qū)，取 0。

3.3.2 稀釋煙霧的隧道需風量

式中：Qreq(VI)——稀釋煙霧的隧道需風量，m3/h；

QVI——隧道的煙霧排放量，m2/h；

Kadm——煙霧設(shè)計允許濃度，m-1；

Kamb——煙霧本底濃度，m-1，該隧道位于郊區(qū)，取 0。

按照PIARC（1995）報告的要求，對動態(tài)交通60 km/h、擁擠交通10 km/h和交通阻滯0 km/h三種工況，按照稀釋CO和稀釋煙霧兩種條件，采用上述方法進行計算。計算結(jié)果顯示左線最大的需風量是在擁擠交通10 km/h工況時受稀釋煙霧控制，最大需風量為Qreq(VI)=437.11(m3/s)，風速為5.82m/s。右線最大的需風量是在擁擠交通10 km/h工況時受稀釋CO控制，最大需風量為Qreq(co)=356.50(m3/s)，風速為4.75 m/s。

4 通風計算

4.1 風機選型

設(shè)計選用Φ1250雙向可逆射流風機，技術(shù)參數(shù)為：葉輪直徑為1 250mm，出口風量40.4m3/s，出口風速為32.9 m/s，電機功率為42.5kW，反風風量不小于正向風量的95%。風機應(yīng)滿足在250℃高溫下正?？煽窟\轉(zhuǎn)60 min，電機防護等級不低于IP55。風機應(yīng)在30 s內(nèi)正反轉(zhuǎn)切換到風機額定轉(zhuǎn)速。

4.2 射流風機推力

式中：Δpj——射流風機推力，Pa；

ρ——空氣密度，kg/m3；

Qj——射流風機風量，m3/s；

uj——射流風機出口風速，m/s；

u——隧道內(nèi)縱向風速，m/s；

η1——射流風機性能系數(shù)，取0.9；

η2——邊墻影響系數(shù)，取0.8；

η3——縱向安裝距離影響系數(shù)，取1.0；

AT——隧道斷面面積，m2。

4.3 隧道交通通風力

式中：Δpveh——隧道交通風力，Pa；

M——隧道交通量，veh/h；

L——隧道長度，km；

v——車輛速度，km/h；

cw——車輛阻力系數(shù)，小車取0.35（堵塞影響時取0.4），大車取0.8（堵塞影響時取1.0）；

A——車輛斷面面積，m2，小車取2.0，大車取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數(shù)，取0.5；

λ——隧道摩擦阻力系數(shù)，取0.020；

D——隧道當量直徑，m。

4.5 自然風阻力

式中：ΔpMT——隧道自然風阻力，Pa；

un——隧道內(nèi)自然風風速，m/s，取2.5 m/s；

4.6 射流風機臺數(shù)

根據(jù)推力和阻力平衡，即隧道內(nèi)壓力平衡：

得到風機臺數(shù)量：

經(jīng)以上計算，左線隧道需配置射流風機26臺，右線隧道需配置射流風機18臺。

5 火災工況驗算

考慮到工程的經(jīng)濟性，按照隧道內(nèi)發(fā)生火災的規(guī)模為20 MW熱量（一輛公共汽車或卡車發(fā)生火災）進行排煙設(shè)計。

火災的臨界風速計算公式如下：

式中：Vc——臨界速度，m/s；

Kg——臨界理查德森數(shù)（Richardson Nunrber）的1/3次冪，取0.61；

K——坡度修正系數(shù),查得1.09；

g——重力加速度，m/s2,取9.8 m/s2；

H——隧道凈高，m,取7.66 m；

Qf——火源的熱釋放率，W，取20 MW；

ρa——周圍空氣的密度，kg/m3，取1.2 kg/m3；

Cp——恒壓時空氣的比熱，J/kg·K），取1005 J/kg·K；

A——隧道橫斷面面積，m2，取75.1；

Tf——火源處氣體的溫度，K；

Ta——周圍空氣的溫度，K；

i——隧道縱坡，%,取最大縱坡3%。

計算得出控制煙和熱氣流動的風速約為2.32 m/s。隧道內(nèi)縱向風速采用2.32 m/s對隧道火災工況所需要的射流風機進行驗算，其計算方法與上述阻力計算相同。經(jīng)計算，火災工況左、右線隧道各需要運行射流風機8臺。

6 結(jié)語

（1）按照上述計算成果完成的設(shè)計文件經(jīng)業(yè)主委托的伊朗咨詢公司和歐洲的咨詢公司審核獲得了批準，目前項目正在實施中。

（2）上述計算結(jié)果表明對于長度為4 892m的長隧道采用全射流縱向通風能滿足國際衛(wèi)生標準，全射流縱向通風方案是可行的。

（3）上述計算顯示隧道內(nèi)的最大風速是5.82 m/s，而 PIARC（1995）允 許 的 最 大 風 速 是10m/s。因此在類似設(shè)計交通量的情況下，縱向式通風方式的臨界長度將遠遠大于5 km。

（4）比較我國的通風設(shè)計規(guī)范和PIARC（1995）可以發(fā)現(xiàn)，兩者對車輛有害氣體的排放量的計算方法和參數(shù)取值存在較大的差別，因而對于隧道需風量的要求差別較大。上述計算成果可以為我國通風設(shè)計規(guī)范的完善修訂提供工程案例依據(jù)。

[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,公路隧道通風照明設(shè)計規(guī)范[S].