超长隧道换气工况取值合理性的研究

赵彬彬，张凯，付玮，高丽萍

（中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100195）

1 问题的提出

十三五期间，我国在西部云、贵、川、甘等多山省份建设的高速公路，有很多长度在6km以上的隧道，甚至不少隧道长度都超过了10km。这些地区的高速公路隧道有以下几个特点：（1）纵坡大（纵坡 2%左右，且多为单坡）；（2）海拔高（海拔1 500m以上）；（3）交通量近、远期都不是很高（通车30a后交通量35 000pcu/d左右）。由于我国东西部经济发展不平衡。这些地区的高速公路隧道的通风系统绝大多数是以换气工况、火灾工况作为控制工况配置风机。

JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通风设计细则》（简称《细则》）中对于换气工况的需风量计算要求如下：

1）隧道空间最小换气频率应不低于每小时3次；

2）采用纵向通风的隧道，换气风速应不低于1.5m/s。

当通风方式为纵向通风的公路隧道，换气工况下的需风量计算应根据《细则》中以上2条要求，取较大作为换气工况的需风量。当隧道长度大于1 800m时，换气工况的需风量按要求1来计算，公式如下：

式中，Qreq为换气工况的需风量；Ar为隧道断面积；L为隧道长度；ns为换气次数。

该工况下的需风量及对应的设计风速与隧道长度有关，并成线性正比例关系。如图1所示。

图1 隧道长度与换气工况设计风速的关系图

在换气工况下，风机规模计算不考虑车辆交通风所提供的升压力，所以，在相同需风量的情况下，换气工况所需要的风机数量大于稀释CO和烟尘的风机数量，换气风速与风机数量关系如图2所示。

图2 换气工况设计风速与射流风机数量的关系图

从图2可以看出风机数量与换气工况设计风速的平方成正比例关系。

假设1座2车道隧道净空面积为68m2。当隧道长度到9 500m时，隧道内换气工况的设计风速可达8m/s，提供这一风速所需115台30kW的射流风机。虽未达到规范要求设计风速10m/s以上需要考虑送排式通风的要求，但在隧道内需要按150m间距通布射流风机，显然不合理。这时就需要在隧道内设置1～2处的斜井，来降低隧道内的设计风速，提高射流风机的升压效率。如果不考虑舒适性标准，仅考虑火灾工况，那么9 500m的隧道可能仅需要在左右洞共用1～2个排烟井，来满足排烟的相关要求。那么问题就是，为满足规范内的舒适性标准，需要配置大功率的轴流风机、风机房以及送排风井，增加的建设成本可达上亿元。而在后期运营期间这些轴流风机仅在日常检测时开启，造成了极大的浪费，显然违背了隧道通风系统设置的初衷，与公路桥隧道全寿命周期的设计理念相悖。

2 国内外公路行业对换气工况的理解

公路隧道通风系统最主要目的是稀释车辆在隧道行驶过程中产生的CO、烟尘、氮氧化物等污染物。CO对于人体属于有毒气体，如果不及时排出，达到一定浓度会造成司乘人员窒息；由于隧道空间封闭，灰尘会降低隧道内的能见度，增加车辆行驶的危险性，卫生指标是通风系统的根本目的。对于火灾工况，超长隧道（长度＞5km）风机设置满足排烟临界风速不低于3m/s的要求，火灾排烟风机作为消防设施属于必须设置的功能性设施。《细则》在制订换气工况时参考PIARC所给不低于3次的换气频率，以及最低不小于1.5m/s的换气风速。

换气工况的主要目的是：

1）使通风系统在某种偶然工况下能够提供足够的新鲜空气；

2）稀释空气中的异味；

3）排出隧道中的有害热量；

4）稀释隧道内汽车尾排中的除CO、烟尘以外的有害物质，使空气中的CO、烟尘的浓度降到更低的值。

2.1 PIARC技术报告

1）1995年的技术报告指出：为了满足隧道对新鲜空气的要求，部分国家建议每小时换气频率为5次。

2）2004年的技术报告指出：为了使通风系统在意想不到的工况下能够提供足够的新鲜空气，一些国家推荐每小时至少3次的换气设计标准。或洞内的纵向风速不低于1.5m/s。

3）2011年的技术报告指出：在采用机械通风的公路隧道中，最小换气频率取决于所采用的交通流量。当交通流量处于低水平时时，所需的最小新鲜空气量可能比较小。但在通风系统设计时，应考虑到能提供突然增加的通风需求，如大货车、拖挂车的高排放。

2.2 挪威

《挪威道路隧道设计准则》虽未要求将换气次数作为风机规模计算的依据，但以隧道内空气中的CO、烟尘、二氧化氮作为通风系统的稀释对象。

2.3 日本

《公路隧道通风设计标准（通风换气篇）及解说》2001年版，尚未提出采用换气次数进行通风工况的设计要求，提出以CO、烟尘作为通风的主要稀释对象，则其他的有害成分都会降到安全浓度[1]。

综上，换气工况所要解决空气中的异味、有害热量以及除CO、烟尘以外的有害物质均是由于车辆在行驶过程中产生的，在稀释CO、烟尘的过程中也可将其他的有害气体、物质、热量排出。所以，换气工况的主要目的是在某种偶然的工况下提供足够的新鲜空气，但规范未对这种偶然工况做进一步说明。

3 其他类似地下建筑通风换气标准

3.1 铁路隧道

TB 10003—2005《铁路隧道设计规范》、TB 10068—2010《铁路隧道运营通风设计规范》2项规范中均未对运营过程中通风舒适性标准予以要求。规范中提到机械风机供给的隧道风速≤8m/s，主要根据人体感觉和适应能力而定[2]。

3.2 城市地铁

GB 50157—2013《地铁设计规范》中规定，区间隧道内单个乘客1h所需供应的新鲜空气数量不少于12.6m3[3]。

3.3 人防工程

GB 50038—2005《人民防空地下室设计规范》中要求，战时二等人员掩蔽所新风量最低不小于5m3/（P·h）[4]。

综上，铁路隧道与公路隧道有很大的相似之处。都是乘坐某种运载工具在地下空间内。可能铁路隧道的突发工况以及发生事故的概率很低，所以，没有考虑换气作为一种工况。但考虑到人体的舒适性做出了风速不超过8m/s的规定。相比较铁路隧道，人在公路隧道内的行为更灵活，当出现隧道内大面积阻塞的情况，需要人员在车辆外。这时如果太高的设计风速，会使人觉得不舒服。

地铁隧道由于长度较短，且容易与室外空气进行交换，所以换气标准较高。

人防工程的战时二等人员掩蔽所，为战时留城的居民提供掩蔽场所。一般人防工程大多涉及到的是二等。对于超长隧道如果有特殊工况需要人员步行走出隧道，笔者觉得可以参考人防工程中所给的新风量标准。隧道内的人数可结合交通量以及车型进行推算[5]。

4 结语

换气工况主要为应对隧道内的特殊工况而设定的通风标准，随着隧道长度增加，风机规模增长速度变快，增加了大量的建设及运营成本。换气工况下的风机规模是按隧道内没有任何交通风时进行配置的，公路隧道完全脱离车辆的因素来配置风机规模显然不够合理。兼顾到人体舒适性，提出以下建议：

1）采用全射流纵向通风时该工况下风速应不超过8m/s。除了考虑人体舒适外，在保证射流风机效率的前提下，隧道不会因为换气工况而增加斜竖井送排通风的费用。

2）通过隧道内的人数来计算所需的新风量。该条件结合了运营卫生标准，进一步精确地给出了换气工况的需风量。

增加以上2个条件，既能保证隧道内所需要的新鲜空气，又可满足舒适性的要求，同时在解决了为满足换气工况在隧道逐渐增长的情况下，通风规模过大的问题。