特长城市复杂隧道通风系统运营优化研究

姜学鹏，毛杨苏宜，谢智云

(1.武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430081；2.湖北省工业安全工程技术研究中心，湖北 武汉 430081；3.武汉科技大学消防安全技术研究所，湖北 武汉 430081)

0 引言

随着城市规模不断扩大，特长公路复杂隧道在城市中得到广泛应用。因其长线路、多匝道、多风井等特点，使得主隧道内气流的变化非常复杂，对隧道运营通风产生较大的影响。

部分研究者对特长直线形公路隧道的运营通风优化进行了研究。文献[1-3]对自然风在特长公路隧道通风中的节能运用进行了研究；Tang等[4]以港珠澳大桥隧道工程为依托，研究了变频控制技术在长隧道通风节能中的运用；王明年等[5]介绍了高海拔隧道中的一些通风节能技术；郑国平[6]对活塞风在特长公路隧道无动力通风中的运用进行了研究，并指出车流量对活塞风影响较大。上述学者主要是通过研究对自然风和活塞风的利用达到特长隧道节能的目的。对于多匝道隧道，陈玉远[7-8]介绍了SES模拟软件在多匝道隧道通风系统中的应用，并将其运用到瘦西湖隧道通风系统的设计中；蒋卫艇[9]、董志周[10]运用SES计算程序对多匝道隧道通风效果进行了对比分析，并验证了SES软件能够较好地应用于复杂公路隧道通风计算中；王艳等[11]运用SES软件对多匝道复杂隧道不同车速工况下的通风系统进行模拟，优化了通风系统运行模式，认为风井的设置会使通风能耗成倍增加；姜学鹏等[12]运用SES软件，得出了在匝道分岔点上方集中布置通风孔能达到较好的通风效果的结论。以上研究说明SES模拟软件可以有效运用到多匝道隧道通风网络计算中。但上述研究主要针对中长隧道或无匝道的特长直线形公路隧道进行的，对具有多匝道、多风井的特长复杂城市隧道研究较少。

运用SES模拟软件，以长沙某多风井、多匝道的特长城市隧道初期工程为例，模拟不同车速工况下的通风情况，分析车辆行驶产生的活塞风在隧道通风运营中的作用，通过合理布置和开启风机，优化通风系统的运营和管理，达到节约通风能耗的目的，以期为隧道建成后的通风系统布置和运营设计提供参考。

1 工程概况

该隧道从西向东依次穿越某江、主城区、某公园、某河，为典型的特长城市交通隧道。该隧道为双洞单线隧道，南线隧道初期建设长8 150 m，北线隧道初期建设长8 123 m，主线和匝道设计车速均为50 km/h。穿越某公园明挖暗埋段采用双向6车道标准，单向隧道断面周长为32.4 m，断面积为54 m2；其余隧道主线地段采用双向4车道标准，穿越某江盾构段隧道断面周长为35.3 m，断面积为70.1 m2；其他单向隧道断面周长为31.3 m，断面积为51.1 m2；所有地下匝道均采用单车道断面标准，隧道断面周长为24.5 m，隧道断面积为35.6 m2。隧道北线由城东区至河西城区，依次设有G、E、A、O匝道出口和J、C匝道入口；隧道南线由河西城区至城东区，依次设有B、F、I匝道入口和D、M匝道出口。通道路网如图1所示。

图1 通道路网Fig.1 Network diagram of tunnel

隧道采用分段纵向式通风，竖井吸出式通风，于竖井内设置大型立式轴流风机作为主机，隧道内采用一定数量的射流风机作为辅助风机进行全隧道分段纵向式通风。

2 隧道通风设计标准

2.1 隧道内通风卫生标准

隧道内主要污染物通风卫生设计标准见表1。本隧道为采用纵向通风的特长隧道，隧道内风速应满足稀释空气中异味要求，取隧道最小换气频率3次/h，换气风速取最低1.5 m/s。汽车污染物基准排放量计算结果见表2。

表2 汽车污染物基准排放量Table 2 Reference emission of automobile pollutants m3/(辆·km)

2.2 设计交通量

根据该隧道的《交通组织方案》可知，北线(由东向西)隧道跨某河向西高峰小时交通需求为2 700 pcu，跨某江向西高峰小时交通需求为2 900 pcu；南线(由西向东)隧道跨某江向东高峰小时交通需求为2 900 pcu，跨某江向西高峰小时交通需求为2 900 pcu。南北线隧道交通量预测结果见表3。小型车、中型车和大型车的构成比例为73∶16.5∶10.5。

表3 南北线隧道交通量预测结果Table 3 Prediction results of traffic of north line and south line tunnel

注：pcu表示标准车当量数，即当量交通量。

2.3 需风量计算结果

依据JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通风设计细则》[13]中的相关公式，计算南、北线隧道通风需风量。南北线主线隧道稀释CO的需风量计算结果见表4。南、北线主线隧道换气需风量分别为372 m3/s和371 m3/s。

通过比较可知，主线隧道换气(稀释异味)需风量最大，因此，模拟设计南、北主线隧道需风量分别取372 m3/s和371 m3/s。

表4 稀释CO需风量计算结果Table 4 Calculation results of air volume for CO dilution

注：全段阻滞工况下的车流量取正常行车车流量的2/3。

3 SES通风模拟

该隧道为特长城市复杂隧道，多匝道、多风井使隧道通风网络变得复杂。主隧道和匝道的风量分配受车辆运行和机械通风的影响，采用常规的方法对隧道实际通风量和射流风机配置方案计算并不适用。运用SES模拟软件，对隧道在不同交通工况下的通风量进行模拟计算，得出各工况下隧道内气流分布及射流风机布置位置和开启数量。隧道使用风机种类及参数见表5。

假设隧道无环境风作用，车辆在隧道中匀速行驶且同种类型车辆行驶间距相同，有害气体体积分数沿隧道一维分布，隧道内污染物与空气能够瞬间均匀混合，且车辆行驶产生的温度和湿度对空气无影响。隧道外气压为101.325 kPa，隧道内设计气压为100.6 kPa，隧道环境空气湿球温度为26.28 ℃，干球温度为32.11 ℃，壁面摩阻损失系数为0.023。

3.1 南线隧道各车速模拟

根据隧道结构形式建立南线隧道通风网络计算节点图，如图2所示。

表5 风机种类及参数Table 5 Types and parameters of fans

图2 南线隧道通风网络计算节点Fig.2 Calculation nodes of south line tunnel ventilation network

为满足隧道需风量要求，运用SES软件进行多次计算调整，确定南线隧道在不开启风井轴流风机和使用风井轴流风机时，各车速工况下隧道内风机开启数量及分布情况，如表6所示。南线隧道各匝道与主线隧道风量计算结果如表7—8所示。车速为20 km/h时的风量分配如图3—4所示。

表6 南线隧道不同车速工况下射流风机开启数量Table 6 Opening number of jet fans in south line tunnel

表7 南线隧道(风井不开风机)各匝道与主线隧道风量计算结果Table 7 Calculation results of air volume of each ramp and main tunnel in south line tunnel (no axial flow fan)

表8 南线隧道(风井开风机)各匝道与主线隧道风量计算结果Table 8 Calculation results of air volume of each ramp and main tunnel in south line tunnel (with axial flow fan)

图3 风井不开风机、车速为20 km/h时南线隧道风量分配图Fig.3 Air distribution in south line tunnel when axial fan is not turned on and travel speed of 20 km/h

图4 风井开风机、车速为20 km/h时南线隧道风量分配图Fig.4 Air distribution in south line tunnel when axial fan is turned on and travel speed of 20 km/h

表6所示即为南线隧道在不使用排风井轴流风机和使用排风井轴流风机时，为满足隧道内通风需求，使用射流风机数量最少的开启方案。由表6可知，在车流量不变的情况下，随着车速的增加，南线隧道内风机开启数目减少，表明活塞风对隧道气流有一定影响；开启轴流风机后，隧道内使用射流风机总台数减少。对于D和M 2个出口匝道，车辆行驶产生的活塞风对匝道通风排污量的影响不足，需通过布置射流风机引导匝道通风排污。

南线隧道各车速工况下的装机功率如图5所示。通过图5中电机总功率的比较，可以看出在特长隧道南线工程中，当车速为50 km/h时，全程射流风机纵向通风装机功率比开启轴流风机后的配置方案小；其余行车工况下，开启903风井轴流风机进行排风的总装机功率比全程射流风机纵向通风装机功率小。

图5 南线隧道各车速工况下的装机功率Fig.5 Installed power of south line tunnel under different vehicle speed conditions

南线隧道共有5条匝道，其中B、F、I匝道均为入口匝道，D、M匝道均为出口匝道。入口匝道和主线入口引入新风，出口匝道和主线出口分散排污，降低了主线隧道后半段内污染物体积分数，减缓了隧道洞口附近的环境压力。通过计算得出，不同车速工况下，使用隧道风井轴流风机和不使用隧道风井轴流风机时各隧道洞口的排污比例，如表9所示。903风井轴流风机开启排风后，各匝道与主线出口的排污比例均略有下降，洞口附近污染物体积分数下降，环境压力得到减缓。

在使用903风井轴流风机时，在最不利工况(阻滞工况)下南线隧道各节点污染物分布情况计算结果见表10。

表9 使用和不使用轴流风机情况下南线隧道洞口排污比例Table 9 Discharge ratio of pollutants in entrance/exit of south line tunnel

表10在使用轴流风机阻滞工况下南线隧道各节点污染物分布情况
Table 10 Distribution of pollutants of south line tunnel under condition of block

位置CO体积分数(×10-6)烟雾浓度/m-1B匝道与主线合流点32157.90.005 2 D匝道与主线分流点35174.0 0.006 7F匝道与主线合流点361 68.3 0.006 1I匝道与主线合流点37158.60.005 3排风井与主线分流点38159.3 0.005 3M匝道与主线分流点39175.9 0.006 8主线出口41192.3 0.008 3D匝道出口61178.1 0.007 0M匝道出口641104.2 0.009 4903排风井59.0 0.005 3

由表10可知，CO体积分数和烟雾浓度最高点在M匝道出口处，分别达到104.2×10-6和0.009 4 m-1，略超出隧道污染物设计体积分数。主要因为M匝道长度较长，本身需风量较大；且M匝道排污比例达到30%左右，实际通风风流中污染物体积分数也较高。若增加射流风机的开启数量以满足M匝道通风需求，会极大地增加隧道通风能耗，仅M匝道出口污染物体积分数略超出设计值，建议考虑忽略不计。

因此，在南线隧道运营过程中，高峰时期正常行车工况下，无需使用轴流风机，开启部分射流风机即可满足隧道通风需求；当车辆缓慢行车或阻滞行车时，需开启903风井轴流风机，并按设计开启相应射流风机辅助通风，保障行车环境。

3.2 北线隧线各车速模拟

北线隧道通风网络计算节点如图6所示。

图6 北线隧道通风网络计算节点Fig.6 Calculation nodes of ventilation network of north line tunnel

运用SES软件进行多次计算调整，确定北线隧道在不开启轴流风机和开启轴流风机时不同车速工况下隧道内风机开启数量及分布情况，如表11所示。北线隧道各匝道与主线隧道风量计算结果如表12—13所示。车速为20 km/h时风井开风机和风井不开风机情况下北线隧道风量分配分别如图7和图8所示。各车速工况下使用和不使用轴流风机情况下隧道洞口排污比例见表14。

表11 北线隧道不同车速工况下射流风机开启数量Table 11 Opening number and distribution of jet fans in north line tunnel

表12 北线隧道(风井不开风机)各匝道与主线隧道风量计算结果Table 12 Calculation results of air volume of each ramp and main tunnel in north line tunnel (no axial flow fan)

表13 北线隧道(风井开风机)各匝道与主线风量计算结果Table 13 Calculation results of air volume of each ramp and main tunnel in north line tunnel (with axial flow fan)

图7 风井不开风机、车速为20 km/h时北线隧道风量分配图Fig.7 Air distribution in north line tunnel when axial fan is not turned on and travel speed of 20 km/h

图8 风井开风机、车速为20 km/h时北线隧道风量分配图Fig.8 Air distribution in north line tunnel when axial fan is turned on and travel speed of 20 km/h

表14 使用和不使用轴流风机情况下北线隧道洞口排污比例Table 14 Discharge ratio of pollutants in entrance/exit of north line tunnel with and without axial fans

北线隧道出口匝道数量多于入口匝道，车辆行驶产生的活塞风不能满足隧道需风量要求，因此在各行车工况下均需开启射流风机。经计算，匝道E和O 2个出口匝道变为进风口，风流方向与行车方向相反。

由表11可知，各行车工况下，轴流风机开启后，隧道内射流风机开启数量未明显下降。由表14可知，风井804轴流风机开启后，由于风井的分流排污作用，匝道A排出的污染物比例下降，但其余洞口污染物排出比例下降不明显。

北线各车速工况下的装机功率如图9所示。由图9可知，在不同行车工况下，隧道全程射流风机纵向通风时总装机功率比开启804风井轴流风机后的总装机功率小。在不使用轴流风机时，在阻滞工况下北线隧道各节点污物分布情况见表15。由表15可知，在不使用轴流风机时，北线隧道CO体积分数和烟雾浓度最高点(阻滞工况)位于O匝道与主线合流点，CO体积分数和烟雾浓度分别为99.2×10-6和0.008 9 m-1，均符合设计要求。

图9 北线各车速工况下的装机功率Fig.9 Installed power of north line tunnel under different vehicle speed conditions

表15在不使用轴流风机阻滞工况下北线隧道各节点污染物分布情况
Table 15 Distribution of pollutants in north line tunnel under condition of block when axial fan is not turned on

位置CO体积分数(×10-6)烟雾浓度/m-1J匝道与主线合流点12128.90.002 6G匝道与主线分流点14149.30.004 4E匝道与主线合流点15165.60.005 9C匝道与主线合流点16144.60.004 0排风井与主线分流点19159.80.005 4A匝道与主线分流点20159.20.005 3O匝道与主线合流点22199.20.008 9主线出口23180.90.007 3G匝道出口52158.70.005 3A匝道出口56168.30.006 1

因此，北线隧道交通高峰期通风运营时，根据不同行车工况，按表11所示开启相应隧道段的射流风机时，隧道总装机功率小。污染物主要从隧道出口排出，匝道起到辅助进风和分散排污作用。

4 结论与讨论

采用SES通风模拟软件，对某特长城市复杂隧道在不同行车工况下的通风系统进行模拟，得出以下结论：

1)对于该特长城市隧道，在正常车速工况下，可不开启通风系统。经计算表明，在正常车速工况下，可能存在汽车行驶产生的活塞风不能满足隧道通风需风量要求的情况，需根据不同行车工况，开启相应部分射流风机和轴流风机，使之满足要求。

2)对于该特长城市复杂隧道，在正常工况(50 km/h)下，南线隧道可采取全程射流风机通风，其他车速工况下需开启903风井轴流风机进行排风；北线隧道采用全程射流风机纵向通风。

3)针对特长城市隧道，设置多风井和多匝道，通过风井集中排放和匝道分流，可降低隧道内污染物的体积分数，为行车提供良好的环境。对于该特长城市复杂隧道，按原计划在阻滞工况下，仅使用多风井集中排风排污效果并不明显，隧道通风能耗大；排风井离隧道主线出入口过近，其排污效果也会降低，并会增大通风能耗。本隧道的排风井(如901、902、904、801、802、804风井)，在正常运营通风时，不用作排风，气流从风井外涌入隧道，排风井作为进风井使用。建议可以考虑将部分中间段风井设计为送风井，以补足隧道对新风的需求。

本特长城市复杂隧道的现场检测和试验条件还不完善，未能进行模拟试验结果与现场试验数据的对比分析。在此研究基础上，下一步可以考虑环境风速的影响，并结合洞口环境情况和环境评价报告对风机的运行策略作进一步研究。