超長(zhǎng)隧道換氣工況取值合理性的研究

趙彬彬，張凱，付瑋，高麗萍

（中國(guó)公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100195）

1 問題的提出

十三五期間，我國(guó)在西部云、貴、川、甘等多山省份建設(shè)的高速公路，有很多長(zhǎng)度在6km以上的隧道，甚至不少隧道長(zhǎng)度都超過了10km。這些地區(qū)的高速公路隧道有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）縱坡大（縱坡 2%左右，且多為單坡）；（2）海拔高（海拔1 500m以上）；（3）交通量近、遠(yuǎn)期都不是很高（通車30a后交通量35 000pcu/d左右）。由于我國(guó)東西部經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡。這些地區(qū)的高速公路隧道的通風(fēng)系統(tǒng)絕大多數(shù)是以換氣工況、火災(zāi)工況作為控制工況配置風(fēng)機(jī)。

JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》（簡(jiǎn)稱《細(xì)則》）中對(duì)于換氣工況的需風(fēng)量計(jì)算要求如下：

1）隧道空間最小換氣頻率應(yīng)不低于每小時(shí)3次；

2）采用縱向通風(fēng)的隧道，換氣風(fēng)速應(yīng)不低于1.5m/s。

當(dāng)通風(fēng)方式為縱向通風(fēng)的公路隧道，換氣工況下的需風(fēng)量計(jì)算應(yīng)根據(jù)《細(xì)則》中以上2條要求，取較大作為換氣工況的需風(fēng)量。當(dāng)隧道長(zhǎng)度大于1 800m時(shí)，換氣工況的需風(fēng)量按要求1來計(jì)算，公式如下：

式中，Qreq為換氣工況的需風(fēng)量；Ar為隧道斷面積；L為隧道長(zhǎng)度；ns為換氣次數(shù)。

該工況下的需風(fēng)量及對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)風(fēng)速與隧道長(zhǎng)度有關(guān)，并成線性正比例關(guān)系。如圖1所示。

圖1 隧道長(zhǎng)度與換氣工況設(shè)計(jì)風(fēng)速的關(guān)系圖

在換氣工況下，風(fēng)機(jī)規(guī)模計(jì)算不考慮車輛交通風(fēng)所提供的升壓力，所以，在相同需風(fēng)量的情況下，換氣工況所需要的風(fēng)機(jī)數(shù)量大于稀釋CO和煙塵的風(fēng)機(jī)數(shù)量，換氣風(fēng)速與風(fēng)機(jī)數(shù)量關(guān)系如圖2所示。

圖2 換氣工況設(shè)計(jì)風(fēng)速與射流風(fēng)機(jī)數(shù)量的關(guān)系圖

從圖2可以看出風(fēng)機(jī)數(shù)量與換氣工況設(shè)計(jì)風(fēng)速的平方成正比例關(guān)系。

假設(shè)1座2車道隧道凈空面積為68m2。當(dāng)隧道長(zhǎng)度到9 500m時(shí)，隧道內(nèi)換氣工況的設(shè)計(jì)風(fēng)速可達(dá)8m/s，提供這一風(fēng)速所需115臺(tái)30kW的射流風(fēng)機(jī)。雖未達(dá)到規(guī)范要求設(shè)計(jì)風(fēng)速10m/s以上需要考慮送排式通風(fēng)的要求，但在隧道內(nèi)需要按150m間距通布射流風(fēng)機(jī)，顯然不合理。這時(shí)就需要在隧道內(nèi)設(shè)置1～2處的斜井，來降低隧道內(nèi)的設(shè)計(jì)風(fēng)速，提高射流風(fēng)機(jī)的升壓效率。如果不考慮舒適性標(biāo)準(zhǔn)，僅考慮火災(zāi)工況，那么9 500m的隧道可能僅需要在左右洞共用1～2個(gè)排煙井，來滿足排煙的相關(guān)要求。那么問題就是，為滿足規(guī)范內(nèi)的舒適性標(biāo)準(zhǔn)，需要配置大功率的軸流風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)房以及送排風(fēng)井，增加的建設(shè)成本可達(dá)上億元。而在后期運(yùn)營(yíng)期間這些軸流風(fēng)機(jī)僅在日常檢測(cè)時(shí)開啟，造成了極大的浪費(fèi)，顯然違背了隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置的初衷，與公路橋隧道全壽命周期的設(shè)計(jì)理念相悖。

2 國(guó)內(nèi)外公路行業(yè)對(duì)換氣工況的理解

公路隧道通風(fēng)系統(tǒng)最主要目的是稀釋車輛在隧道行駛過程中產(chǎn)生的CO、煙塵、氮氧化物等污染物。CO對(duì)于人體屬于有毒氣體，如果不及時(shí)排出，達(dá)到一定濃度會(huì)造成司乘人員窒息；由于隧道空間封閉，灰塵會(huì)降低隧道內(nèi)的能見度，增加車輛行駛的危險(xiǎn)性，衛(wèi)生指標(biāo)是通風(fēng)系統(tǒng)的根本目的。對(duì)于火災(zāi)工況，超長(zhǎng)隧道（長(zhǎng)度＞5km）風(fēng)機(jī)設(shè)置滿足排煙臨界風(fēng)速不低于3m/s的要求，火災(zāi)排煙風(fēng)機(jī)作為消防設(shè)施屬于必須設(shè)置的功能性設(shè)施?！都?xì)則》在制訂換氣工況時(shí)參考PIARC所給不低于3次的換氣頻率，以及最低不小于1.5m/s的換氣風(fēng)速。

換氣工況的主要目的是：

1）使通風(fēng)系統(tǒng)在某種偶然工況下能夠提供足夠的新鮮空氣；

2）稀釋空氣中的異味；

3）排出隧道中的有害熱量；

4）稀釋隧道內(nèi)汽車尾排中的除CO、煙塵以外的有害物質(zhì)，使空氣中的CO、煙塵的濃度降到更低的值。

2.1 PIARC技術(shù)報(bào)告

1）1995年的技術(shù)報(bào)告指出：為了滿足隧道對(duì)新鮮空氣的要求，部分國(guó)家建議每小時(shí)換氣頻率為5次。

2）2004年的技術(shù)報(bào)告指出：為了使通風(fēng)系統(tǒng)在意想不到的工況下能夠提供足夠的新鮮空氣，一些國(guó)家推薦每小時(shí)至少3次的換氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?；蚨磧?nèi)的縱向風(fēng)速不低于1.5m/s。

3）2011年的技術(shù)報(bào)告指出：在采用機(jī)械通風(fēng)的公路隧道中，最小換氣頻率取決于所采用的交通流量。當(dāng)交通流量處于低水平時(shí)時(shí)，所需的最小新鮮空氣量可能比較小。但在通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮到能提供突然增加的通風(fēng)需求，如大貨車、拖掛車的高排放。

2.2 挪威

《挪威道路隧道設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》雖未要求將換氣次數(shù)作為風(fēng)機(jī)規(guī)模計(jì)算的依據(jù)，但以隧道內(nèi)空氣中的CO、煙塵、二氧化氮作為通風(fēng)系統(tǒng)的稀釋對(duì)象。

2.3 日本

《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（通風(fēng)換氣篇）及解說》2001年版，尚未提出采用換氣次數(shù)進(jìn)行通風(fēng)工況的設(shè)計(jì)要求，提出以CO、煙塵作為通風(fēng)的主要稀釋對(duì)象，則其他的有害成分都會(huì)降到安全濃度[1]。

綜上，換氣工況所要解決空氣中的異味、有害熱量以及除CO、煙塵以外的有害物質(zhì)均是由于車輛在行駛過程中產(chǎn)生的，在稀釋CO、煙塵的過程中也可將其他的有害氣體、物質(zhì)、熱量排出。所以，換氣工況的主要目的是在某種偶然的工況下提供足夠的新鮮空氣，但規(guī)范未對(duì)這種偶然工況做進(jìn)一步說明。

3 其他類似地下建筑通風(fēng)換氣標(biāo)準(zhǔn)

3.1 鐵路隧道

TB 10003—2005《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》、TB 10068—2010《鐵路隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》2項(xiàng)規(guī)范中均未對(duì)運(yùn)營(yíng)過程中通風(fēng)舒適性標(biāo)準(zhǔn)予以要求。規(guī)范中提到機(jī)械風(fēng)機(jī)供給的隧道風(fēng)速≤8m/s，主要根據(jù)人體感覺和適應(yīng)能力而定[2]。

3.2 城市地鐵

GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，區(qū)間隧道內(nèi)單個(gè)乘客1h所需供應(yīng)的新鮮空氣數(shù)量不少于12.6m3[3]。

3.3 人防工程

GB 50038—2005《人民防空地下室設(shè)計(jì)規(guī)范》中要求，戰(zhàn)時(shí)二等人員掩蔽所新風(fēng)量最低不小于5m3/（P·h）[4]。

綜上，鐵路隧道與公路隧道有很大的相似之處。都是乘坐某種運(yùn)載工具在地下空間內(nèi)。可能鐵路隧道的突發(fā)工況以及發(fā)生事故的概率很低，所以，沒有考慮換氣作為一種工況。但考慮到人體的舒適性做出了風(fēng)速不超過8m/s的規(guī)定。相比較鐵路隧道，人在公路隧道內(nèi)的行為更靈活，當(dāng)出現(xiàn)隧道內(nèi)大面積阻塞的情況，需要人員在車輛外。這時(shí)如果太高的設(shè)計(jì)風(fēng)速，會(huì)使人覺得不舒服。

地鐵隧道由于長(zhǎng)度較短，且容易與室外空氣進(jìn)行交換，所以換氣標(biāo)準(zhǔn)較高。

人防工程的戰(zhàn)時(shí)二等人員掩蔽所，為戰(zhàn)時(shí)留城的居民提供掩蔽場(chǎng)所。一般人防工程大多涉及到的是二等。對(duì)于超長(zhǎng)隧道如果有特殊工況需要人員步行走出隧道，筆者覺得可以參考人防工程中所給的新風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)。隧道內(nèi)的人數(shù)可結(jié)合交通量以及車型進(jìn)行推算[5]。

4 結(jié)語

換氣工況主要為應(yīng)對(duì)隧道內(nèi)的特殊工況而設(shè)定的通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)，隨著隧道長(zhǎng)度增加，風(fēng)機(jī)規(guī)模增長(zhǎng)速度變快，增加了大量的建設(shè)及運(yùn)營(yíng)成本。換氣工況下的風(fēng)機(jī)規(guī)模是按隧道內(nèi)沒有任何交通風(fēng)時(shí)進(jìn)行配置的，公路隧道完全脫離車輛的因素來配置風(fēng)機(jī)規(guī)模顯然不夠合理。兼顧到人體舒適性，提出以下建議：

1）采用全射流縱向通風(fēng)時(shí)該工況下風(fēng)速應(yīng)不超過8m/s。除了考慮人體舒適外，在保證射流風(fēng)機(jī)效率的前提下，隧道不會(huì)因?yàn)閾Q氣工況而增加斜豎井送排通風(fēng)的費(fèi)用。

2）通過隧道內(nèi)的人數(shù)來計(jì)算所需的新風(fēng)量。該條件結(jié)合了運(yùn)營(yíng)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步精確地給出了換氣工況的需風(fēng)量。

增加以上2個(gè)條件，既能保證隧道內(nèi)所需要的新鮮空氣，又可滿足舒適性的要求，同時(shí)在解決了為滿足換氣工況在隧道逐漸增長(zhǎng)的情況下，通風(fēng)規(guī)模過大的問題。