特長隧道新建豎井引入自然風的通風節(jié)能分析

魏 杰

（山西昔榆高速公路有限公司，山西 晉中 030616）

0 引言

公路隧道運營過程中，車輛行駛會在隧道洞內(nèi)產(chǎn)生大量廢氣，加之隧道內(nèi)空間相對封閉，空氣流通受限，導致行車的安全性及舒適性受到嚴重影響。設計過程中需采取有效措施控制和減少隧道內(nèi)CO等各種有害氣體及煙霧的濃度，為司乘人員及養(yǎng)護維修人員的身體健康提供保障。目前，短隧道一般采用自然通風；特長隧道需要采用機械通風，通過設置1座或多座斜豎井來滿足通風或施工進度要求。在特長公路隧道通風計算中均以機械通風為主，將自然風壓作為不利因素，但實際運營過程中，自然風在很大程度上對隧道通風是有利的[1-4]。因此，通風設計中，應結合隧道所處地域的地形、地貌，以及氣候季節(jié)特點，對隧道運營后如何科學合理地利用自然風進行研究，將自然通風和機械通風相結合以滿足隧道通風的設計要求。

本文以汾陽至邢臺高速公路左權-和順（省界）段的云山隧道為例，對特長公路隧道引入自然風進行通風節(jié)能計算分析。云山隧道設計為分離式隧道，設計行車速度80 km/h，隧道全長11 377 m（右線）/11 408 m（左線），左右線間距30～35 m，為特長隧道，是項目的重點控制性工程。通風方案采取一豎井+三斜井方案。

1 隧道洞內(nèi)自然風速理論計算

隧道右線進出口高差153 m，有一處豎井、一處斜井。對無豎井及有豎井兩種情況下超靜壓差、熱位差及洞內(nèi)自然風風量（速）計算。

1.1 有豎井和無豎井超靜壓差對比

表1 無豎井超靜壓差作用

表2 有豎井超靜壓差作用

1.2 隧道有無豎井作用效果的對比

通風量計算數(shù)據(jù)如表3、表4。

表3 隧道無豎井作用計算數(shù)據(jù)

表4 隧道有豎井作用計算數(shù)據(jù)

通過比較有無豎井隧道計算結果，可以看出在同樣的洞內(nèi)外溫度條件下，有豎井隧道內(nèi)各區(qū)段的風量遠遠大于無豎井隧道內(nèi)的風量。因此，可以得知當隧道存在豎井時，溫差作用下產(chǎn)生的熱位差對洞內(nèi)的風流影響很大，不僅改變隧道內(nèi)各段的風量，還改變風流的方向。

2隧道自然風豎井直徑及豎井位置的確定

2.1 自然風井斷面的確定

計算不同直徑的豎井內(nèi)的通風量和風速，如表5所示。

表5 不同直徑的豎井內(nèi)的通風量和風速

根據(jù)以上計算可知，自然風豎井直徑越大，豎井內(nèi)自然風速就越大，但是當豎井直徑達到3 m后，風速增長趨于平緩（如圖2所示）。

圖1 云山隧道斜豎井平面布置圖

圖2 豎井直徑與風速關系圖

因此在考慮提高自然風利用率，減少主隧道自然風阻，以及豎井經(jīng)濟性的情況下，建議采用直徑為4 m以下的通風豎井作為引入自然風的豎井。本文取直徑3 m的自然風井作為斷面直徑，斷面形式取圓形，見圖 3、圖 4。

圖3 豎井與隧道主洞聯(lián)接處斷面示意圖

圖4 自然風豎井及聯(lián)絡風道斷面尺寸圖（單位：cm）

豎井與隧道主洞之間距離盡可能近，豎井與主隧道之間用45°的聯(lián)絡風道聯(lián)接，減小洞口損失，聯(lián)絡風道斷面采用馬蹄形[5-7]。

2.2 自然風井位置的選擇

對于右線，從隧道入口處到1號豎井處距離較長，大約4 500 m，已接近規(guī)范規(guī)定分段式通風每段的極限長度；且右線本來就是處于上坡側(cè)，在大型貨車頻繁出入的云山隧道將產(chǎn)生大量煙霧和廢氣，這需要很多射流風機來稀釋。在施工條件及造價允許的情況下，為保證風量和風速平衡，考慮在此通風段中部選擇豎井位置為最佳，此區(qū)域?qū)儆谟L面。作為典型，考慮在這一段中部左右位置新建豎井引入自然風，見圖5。

圖5 云山自然風豎井選址平面位置示意圖

根據(jù)地形條件，考慮從該段中部位置向兩側(cè)每間隔一段距離取一個工況。因此，根據(jù)不同位置的可能性，共設置6個工況，根據(jù)縱斷面圖可以得出每個工況對應的豎井深度，如圖6所示。

圖6 云山隧道自然風豎井選址縱斷面示意圖

假設自然風通風豎井各種可能的最適宜井址處的不同地理位置，不同季節(jié)溫度，根據(jù)自然風通風網(wǎng)絡節(jié)點理論，利用計算機編程循環(huán)計算，分別計算出自然風豎井可能井址在不同氣候條件下相對應的自然風速度和通風量，選出通風效率最高的情況，作為自然風井井址的最佳位置：右線入口大約2 200 m處（工況4），位于第一通風段中部，處于迎風面，風向常年穩(wěn)定為西北風，根據(jù)此處海拔、溫度、濕度可以計算出自然風豎井內(nèi)風速平均能達到5 m/s左右，并且豎井深度約120 m，長度最短，成本最小，地質(zhì)條件不復雜，施工難度不高。

3 隧道新建豎井引入自然風的運營通風節(jié)能方案模擬分析

3.1 原通風方案模擬

根據(jù)云山隧道右線1∶1建立整體隧道模型。右線長度11 377 m，單向人字坡，榆社端進口里程YK43+590，標高 1 219.45 m；和順端出口里程YK54+967，標高1 325.21 m，采用3區(qū)段式通風，4號斜井、1號豎井送排式通風方案，均采用地下風機房。模型如圖7所示。

圖7 云山隧道1號豎井模型

基于CFD原理，獲得豎井送排風口及風機房局部風速的計算結果，如圖8所示。

圖8 1號豎井送排風口及風機房局部風速圖

在送風口，容易產(chǎn)生回流現(xiàn)象，而且由于截面突然變小，加上出風風速本身較大，在此區(qū)域風速極大，對壁口的撞擊較大，能量損失也較大。風機房內(nèi)射流風機主要提供x方向的推力，使得局部風速在短時間內(nèi)增加到12～15 m/s，主要作用是提供推力將大量的新鮮風或者需要排除的廢氣貫入或者吸出主隧道。

3.2 引入自然風豎井方案模擬

在既有隧道的基礎上新建自然通風豎井，在自然通風豎井進出口加以實踐計算得到壓差和溫度差，其余邊界條件和原始通風系統(tǒng)一致不改變。豎井高度120 m，直徑取3 m，接口處成45°斜角，位于主隧道斜上方處。

圖9 自然風豎井局部模型

自然風豎井不同斷面的風速云圖見圖10。

圖10 自然風豎井不同斷面風速云圖（單位：m/s）

圖11 自然風豎井沿深度變化自然風風速值

由不同斷面風速云圖和沿程風速圖可知，自然風在自然風豎井內(nèi)風速較為穩(wěn)定，而在豎井斷面上的分布也并不紊亂，可以為主隧道提供持續(xù)且穩(wěn)定的自然風。并且根據(jù)井位的選擇，豎井深度只有120 m，沿程損失不大，在發(fā)生火災后，豎井將會產(chǎn)生十分有效的煙囪效應，有助于防災減災。

由圖12、圖13可知，該方案各通風區(qū)段平均風速遠超出設計風速，且也超出規(guī)范建議最優(yōu)風速范圍。因此，自然風的引入使通風系統(tǒng)的通風能力過剩，需作優(yōu)化。

圖12 豎井通入自然風后主隧道風速圖（單位：m/s）

圖13 通入自然風后主洞內(nèi)風速沿隧道全程變化圖

3.3 方案優(yōu)化及結果對比

對比新舊通風方案的通風效率，發(fā)現(xiàn)在引入自然風后云山隧道右線44臺射流風機通風能力過剩，通過計算在保持和原通風系統(tǒng)平均風速不變的情況下可以減少10到12臺射流風機，如圖14、圖15所示，以此達到節(jié)能的目的。

圖14 原通風系統(tǒng)風速全程變化圖

圖15 引入自然風系統(tǒng)風速全程變化圖

將數(shù)值模擬結果與理論計算結果進行對比驗證其正確性，見表6、表7。

表6 云山隧道各通風段平均風速理論計算和數(shù)值模擬結果對比m/s

表7 理論計算與數(shù)值模擬結果對比

理論公式計算結果和使用數(shù)值模擬軟件FLUENT計算出來的各通風段平均風速結果較為接近，雖理論計算公式值大于數(shù)值模擬值，但兩者誤差小于15%，可認為數(shù)值模擬結果較為準確。

3.4 通風節(jié)能方案經(jīng)濟性評價

3.4.1 20年內(nèi)的新方案和原方案運營總費用

經(jīng)計算，20年內(nèi)新方案和原方案運營總費用，如表8所列。

表8 節(jié)能通風方案與原通風方案20年運營總費用對比 萬元

新方案每年可以節(jié)約324 000元，這相當于原通風方案每年總費用的9%到10%；如果考慮電費的動態(tài)增長在遠期這一比率可以達到15%左右。

3.4.2 新建豎井造價

自然風豎井建設費用約2 261 563元，而新建自然風豎井每年可節(jié)省324 000元（減少10臺風機）。在6～7年內(nèi)就可以收回土建成本，如果考慮每年費用的動態(tài)上漲，回收周期將更短。

4 結語

本文以榆和高速公路云山特長隧道為依托，對特長公路隧道新建豎井引入自然風進行了分析，得到以下結論：

a）探明了超靜壓差與熱位差對隧道自然風豎井通風效率的影響規(guī)律，結合提高自然風利用率和減少主隧道自然風阻，確定了最優(yōu)豎井直徑和斷面形式。

b）采用通風網(wǎng)絡節(jié)點理論，對不同地理位置、不同季節(jié)溫度條件下自然風井內(nèi)的風速和通風量進行了計算，探明了自然風井址的最佳選址位置。

c）基于對比分析，提出特長公路隧道新建豎井引入自然風輔助機械通風降低隧道運營通風能耗的節(jié)能方法，降低了后期運營通風能耗，節(jié)省了維護資金。