多匝道城市道路隧道通風(fēng)設(shè)計關(guān)鍵問題研究

張華廷，毛偉

（中機中聯(lián)工程有限公司，重慶 400039）

0 引言

交通擁堵問題給人們的出行以及社會經(jīng)濟的發(fā)展造成了巨大影響，提升城市道路互聯(lián)互通水平、便捷道路間切換效率已成為趨勢。多匝道隧道是實現(xiàn)城市道路互聯(lián)互通的重要技術(shù)措施，近年來正悄然興起。多匝道城市道路隧道如圖1所示，由一條主線隧道銜接多個分支隧道（匝道隧道），作為一種新形式的隧道，目前國內(nèi)對其通風(fēng)設(shè)計的研究還相對較少。李俊梅等[1]借助IDA RTV隧道通風(fēng)模擬軟件對某多匝道城市地下道路縱向排煙系統(tǒng)的運行進行了優(yōu)化研究；陽東等[2]針對某一多分支隧道的防排煙工況，利用理論分析建立了各種氣流模式的控制方程，通過數(shù)學(xué)方法獲得了理論解；傅瓊閣等[3]搭建了1:10的包含多匝道的隧道模型，對城市隧道出口匝道氣流組織形式進行了試驗研究；陳玉遠[4]以某一實際工程為例，介紹了SES模擬軟件在多匝道公路隧道通風(fēng)系統(tǒng)中的應(yīng)用；王艷等[5]采用SES軟件對某一具體工程的通風(fēng)系統(tǒng)進行了模擬，優(yōu)化了通風(fēng)系統(tǒng)運行模式?？傮w來講，目前的研究還主要集中在排煙理論問題和通風(fēng)模擬軟件的應(yīng)用上，而對通風(fēng)工程設(shè)計的系列可操作性關(guān)鍵問題尚未明晰，如適宜通風(fēng)方式的選擇、通風(fēng)量計算、不同通風(fēng)方案下風(fēng)機動力與通風(fēng)阻力匹配的問題，各匝道隧道與主線隧道之間的水力平衡問題等。

圖1 多匝道城市道路隧道范例

1 多匝道城市道路隧道特征與適宜通風(fēng)方案

1.1 多匝道城市道路隧道特征

從通風(fēng)設(shè)計的角度來看，多匝道城市道路隧道具有以下幾方面的特征。

（1）匝道長度短。匝道隧道主要起銜接作用，長度較短，一般在1000m以內(nèi)。

（2）速度多樣。多匝道隧道的速度至少兩種以上，主線隧道的車速一般為40~60km/h，匝道隧道的速度一般為主線隧道速度的40%~70%。

（3）單向交通為主。就目前所能統(tǒng)計的項目而言，其交通形式以單向交通為主，極少數(shù)為雙向交通。

（4）交通量日變化幅度大。城市公路隧道交通量日變化具有早高峰與晚高峰特性，如圖2所示，高峰時段交通量特別大，其余時段交通量明顯較小。

圖2 某城市隧道交通量日分布圖

（5）以輕型車為主。文獻[7]對位于重慶市區(qū)的兩條公路隧道的通行車型比例進行了實測，實測數(shù)據(jù)詳見表1，數(shù)據(jù)表明城市公路隧道的車型中輕型車占據(jù)主導(dǎo)地位。

表1 城市隧道車型比例實測數(shù)據(jù)

1.2 多匝道城市道路隧道的通風(fēng)方式

自然通風(fēng)在隧道工程中的適用面相對較窄，本文只討論機械通風(fēng)。隧道通風(fēng)技術(shù)發(fā)展至今，其機械通風(fēng)的基本通風(fēng)方式有如圖3所示的種類，組合通風(fēng)方式有縱向組合式、縱向+半橫向通風(fēng)方式、縱向+集中排煙式。20世紀70年代以前，國外特長隧道基本上采用半橫向式通風(fēng)或者橫向式通風(fēng)，20世紀70年代以后，特長隧道基本上采用縱向式通風(fēng)。從國內(nèi)外特長公路隧道的通風(fēng)方式發(fā)展規(guī)律來看，有向分段式縱向通風(fēng)發(fā)展的趨勢。在我國，目前新建或即將建設(shè)的特長隧道，均采用分段縱向通風(fēng)，即通風(fēng)井送排式+射流風(fēng)機的組合形式，縱向通風(fēng)方式已成為長大隧道通風(fēng)方式的主流[8]。

圖3 隧道通風(fēng)基本方式

多匝道城市道路隧道具有多個分支隧道，主線隧道與各分支隧道均有各自的長度、交通量以及其他特性，均需匹配相應(yīng)的通風(fēng)量。顯然洞口集中送入式與通風(fēng)井集中排出式無法在各隧道之間進行風(fēng)量分配，必然會產(chǎn)生一部分隧道風(fēng)量過剩而另外一部分隧道風(fēng)量不足的現(xiàn)象，因此洞口集中送入式與通風(fēng)井集中排出式不適用于多匝道城市道路隧道。

吸塵式通風(fēng)通過吸收隧道內(nèi)煙塵，以減少隧道通風(fēng)量。煙塵由柴油車產(chǎn)生，只有當(dāng)柴油車達到一定的比例后，采用吸塵式通風(fēng)才能減少隧道通風(fēng)量，而如前文所述，城市公路隧道的車型以小型車為主，柴油車較少。此外，目前國內(nèi)對隧道空氣凈化系統(tǒng)僅停留在試驗室研究階段，尚無相關(guān)成熟的大型空氣凈化設(shè)備，更沒有工程應(yīng)用實例[9]。因此，吸塵式通風(fēng)系統(tǒng)也不適用于多匝道城市道路隧道。

綜合上述分析，適用于多匝道城市道路隧道的基本通風(fēng)方式僅為全射流式與通風(fēng)井送排式，這兩種通風(fēng)方式具有較強的靈活性，能夠與多匝道城市道路隧道的特征相匹配。

1.3 多匝道城市道路隧道的通風(fēng)方案

圖5 分流模型-1

圖6 合流模型-2

圖7 分流模型-2

為了便于討論，將圖1所示的多匝道城市道路隧道簡化為圖4—圖9所示的模型?！豆匪淼劳L(fēng)設(shè)計細則》（簡稱“設(shè)計細則”）指出通風(fēng)井送排式宜與射流風(fēng)機組合使用，基于前文對通風(fēng)方式的討論，提出如表2所示的適用于多匝道城市道路隧道的通風(fēng)方案。

圖4 合流模型-1

圖9 分流模型-3

表2 通風(fēng)方案

2 風(fēng)量計算

2.1 設(shè)計參數(shù)取值

設(shè)計細則提供了傳統(tǒng)單線型隧道的設(shè)計參數(shù)取值，對于多匝道隧道未提及。根據(jù)設(shè)計細則，正常交通情況下，煙塵設(shè)計濃度取值主要與光源種類和設(shè)計行車速度有關(guān)，CO的設(shè)計濃度取值主要取決隧道長度。概言之，光源種類、設(shè)計行車速度、隧道長度是影響設(shè)計濃度取值的三項因素。

對于設(shè)計參數(shù)取值，設(shè)計上存在兩種處理方式：一種是將主線隧道和匝道隧道視為整體，按同一標(biāo)準進行確定；另一種是將主線隧道和匝道隧道分別視為獨立的隧道，按照各自的光源種類、設(shè)計行車速度、隧道長度進行確定。光源種類在同一隧道中，無論是主線隧道還是匝道隧道都是同一種光源。主線隧道和匝道隧道二者是聯(lián)通的，將其分別視為完全獨立的隧道不符合實際，因此第一種方式更為合理，同時第一種方式也有利于簡化通風(fēng)量的計算。

2.2 風(fēng)量計算

從通風(fēng)水力是否相關(guān)的角度，可將表2中提出的三種方案劃分為水力相關(guān)型通風(fēng)方案和水力無關(guān)型通風(fēng)方案，表中的第一種方案與第二種方案屬于主線隧道與匝道隧道通風(fēng)水力無關(guān)型方案，即各隧道之間的通風(fēng)量計算以及相應(yīng)的水力計算均不相互影響，第三種方案屬于水力相關(guān)型方案。對于水力無關(guān)型方案的通風(fēng)量，將主線隧道與各匝道隧道分別當(dāng)作獨立隧道，按照設(shè)計細則上的方法計算即可。

對于水力相關(guān)型方案即方案三（圖8、圖9），隧道進風(fēng)（對應(yīng)分流型隧道）或出風(fēng)（對應(yīng)合流型隧道）均由一個洞口進或者出，主線隧道與匝道隧道相互交織影響，顯然不能將各匝道隧道的通風(fēng)量簡單相加得出主線隧道的通風(fēng)量，因此，整個隧道的總風(fēng)量如何確定，各個匝道內(nèi)的通風(fēng)量又該如何確定，需要進一步研究。針對這些問題，本文提出“需風(fēng)量逐次比例分配法”，即先根據(jù)隧道污染物排放總量計算隧道總通風(fēng)量，然后根據(jù)各匝道隧道污染排放量占其上游（合流時）或下游（分流時）的污染物比例計算各匝道隧道通風(fēng)量。以圖8、圖9所示的模型為例，其具體計算步驟如表3所示。

高速鐵路運輸是一種新型的交通運輸方式，對我國交通運輸結(jié)構(gòu)有著重大影響，促進交通業(yè)轉(zhuǎn)型。目前高鐵的客流運輸極大地改善了我國的交通運輸情況，促進我國向高速運輸時代邁進。京滬線高鐵的運營對民航業(yè)帶來了一定程度的影響，目前要根據(jù)旅客出行方式具體情況進行分析研究，協(xié)調(diào)二者的發(fā)展。

圖8 合流模型-3

表3 需風(fēng)量逐次比例分配法計算步驟示例

2.2.1 總通風(fēng)量計算

通風(fēng)的目的在于將隧道內(nèi)的污染物濃度控制在一定限值的范圍內(nèi)，因此總風(fēng)量應(yīng)該與總污染物排放量相匹配。以圖8、圖9所示的模型為例，將匝道隧道與主線隧道之間的連接點作為分斷點，將整個隧道分成5段，則相應(yīng)的計算可按式（1）—式（4）進行：

式中：QVIZ——隧道煙塵排放總量（m2/s）；QVI1~5——各段隧道煙塵排放量（m2/s），按細則進行計算；QCOZ——隧道CO排放總量（m2/s）；QCO1~5——各段隧道CO排放量（m2/s），按細則進行計算；Qreq(VI)Z——隧道稀釋煙塵的需風(fēng)總量（m3/s）；Qreq(CO)Z——隧道稀釋CO的需風(fēng)總量（m3/s）；K——煙塵設(shè)計濃度（m-1）；δ——CO濃度；p0——標(biāo)準大氣壓（kN/m2）；p——隧址大氣壓（kN/m2）；T0——標(biāo)準氣溫（K）；T——隧址夏季氣溫（K）。

2.2.2 各段隧道通風(fēng)量計算

各段隧道通風(fēng)量按式（5）—式（9）進行計算：

式中：QreqZ——隧道需風(fēng)總量（m3/s），煙塵或CO的需風(fēng)總量；Qreq1~5——各段隧道通風(fēng)量（m3/s）；QPO1~5——各段隧道污染物排放量，煙塵（m2/s）或者CO（m3/s）。

對于匝道數(shù)量在2條以上的隧道，可參照上述方法進行類推計算。

火災(zāi)排煙時，隧道運行應(yīng)遵循如下原則：

（1）首先關(guān)閉整個隧道，禁止后續(xù)車輛駛?cè)耄?/p>

（2）主線隧道發(fā)生火災(zāi)時，排煙僅從主線隧道排出。對于合流型多匝道隧道，當(dāng)主線隧道發(fā)生火災(zāi)時，匝道隧道射流風(fēng)機按正常運轉(zhuǎn)方向運行。對于分流型多匝道隧道，當(dāng)主線隧道發(fā)生火災(zāi)時，匝道隧道射流風(fēng)機反轉(zhuǎn)運行；

（3）對于合流型多匝道隧道，當(dāng)匝道發(fā)生火災(zāi)時，火災(zāi)煙氣沿著車流方向通過主線隧道排出去；對于分流型多匝道隧道，當(dāng)匝道發(fā)生火災(zāi)時，火災(zāi)煙氣沿著車流方向通過匝道隧道排出去。

根據(jù)縱向排煙風(fēng)速不小于火災(zāi)臨界風(fēng)速，并按排煙路徑中最大隧道截面尺寸進行計算。射流風(fēng)機選型與數(shù)量設(shè)置應(yīng)同時滿足通風(fēng)需求和排煙需求，通過對射流風(fēng)機進行臺數(shù)控制、變頻控制、正反轉(zhuǎn)控制（對于匝道隧道）實現(xiàn)不同工況下動力需求匹配。

3 水力平衡

水力無關(guān)型通風(fēng)方案，主線隧道與匝道隧道通風(fēng)完全獨立，只需將各隧道的風(fēng)機動力與該隧道段所需風(fēng)量下的總阻力相匹配就能實現(xiàn)水力平衡達到所需風(fēng)量。

對于水力相關(guān)型通風(fēng)方案，則存在水力失衡的風(fēng)險。要化解此風(fēng)險，應(yīng)處理好兩方面的問題：一方面要充分發(fā)揮射流風(fēng)機的靈活性，根據(jù)風(fēng)壓需求，設(shè)計時合理配置射流風(fēng)機的型號大小與數(shù)量，以提升風(fēng)機選型對系統(tǒng)通風(fēng)阻力的適應(yīng)能力；另一方面從通風(fēng)系統(tǒng)整體角度考慮，處理好設(shè)于各段隧道內(nèi)的射流風(fēng)機組之間的通風(fēng)阻力分配問題。以圖8所示的射流風(fēng)機布置方案為例（圖中風(fēng)機數(shù)量僅為示意），布置于第3、5段的射流風(fēng)機可只考慮第3、5段各自的通風(fēng)阻力，但對于第2段，由于未布置風(fēng)機，其通風(fēng)阻力應(yīng)分攤到其他段的射流風(fēng)機上，在此案例中第2段的通風(fēng)阻力應(yīng)分配給布置于第1、4段的射流風(fēng)機，因此布置于第1、4段的射流風(fēng)機不僅需要承擔(dān)自身所在段的阻力，還需要承擔(dān)第2段的通風(fēng)阻力。處理好上述兩方面的問題，則可一定程度實現(xiàn)各段隧道間的水力平衡。

4 結(jié)論

綜合全文分析討論，可以得出以下結(jié)論：

（1）多匝道城市道路隧道具有匝道長度短、速度多樣、單向交通為主、交通量變化日變化幅度大的特征，適合采用全射流式、通風(fēng)井送排式的通風(fēng)方式；

（2）水力相關(guān)型通風(fēng)方案的通風(fēng)量計算，可采用“需風(fēng)量逐次比例分配法”，即先根據(jù)隧道污染物排放總量計算隧道總通風(fēng)量，然后根據(jù)各匝道隧道污染排放量占其上游（合流時）或下游（分流時）的污染物比例計算各匝道隧道通風(fēng)量；

（3）合理確定射流風(fēng)機的型號大小與數(shù)量，合理分配各段隧道射流風(fēng)機組所承擔(dān)的通風(fēng)阻力，可一定程度實現(xiàn)多匝道城市道路隧道的水力平衡。