高速公路隧道通風(fēng)計(jì)算分析

易 茜

(廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

近年來，隨著《廣西高速公路網(wǎng)規(guī)劃(2018—2030年)》和《廣西普通公路省道網(wǎng)規(guī)劃(2011—2030)》的正式批復(fù)，廣西公路建設(shè)迅猛發(fā)展，加快構(gòu)建“縣縣通高速路、鎮(zhèn)鎮(zhèn)通二級(jí)路”，到2030年，廣西高速公路總里程將達(dá)到15 200 km，形成“1環(huán)12橫13縱25聯(lián)”的高速公路網(wǎng)。隨著高速公路的建設(shè)不斷走向深水區(qū)，越來越多的高速公路向山區(qū)較多的區(qū)域延伸，高速公路橋隧比顯著增高，長大隧道增多。隧道是高速公路的重要組成部分，而隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)是建設(shè)公路隧道中至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，直接影響著高速公路隧道運(yùn)營的安全及成本。隧道通風(fēng)系統(tǒng)耗能高、運(yùn)營成本高已成為高速公路隧道運(yùn)營管理單位的難題之一，如何在確保隧道運(yùn)營安全的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出節(jié)本增效、環(huán)保節(jié)能的通風(fēng)系統(tǒng)，成為目前研究的重點(diǎn)課題。

本文基于此背景，探討了高速公路隧道通風(fēng)系統(tǒng)的重要性，回顧了我國公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范發(fā)展歷程和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，同時(shí)《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70/2-02-2014)作為公路工程行業(yè)推薦性標(biāo)準(zhǔn)，于2014-08-01起施行，對(duì)我國公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)起到了很好的規(guī)范和指導(dǎo)作用，但此設(shè)計(jì)細(xì)則發(fā)布至今已有近7年的時(shí)間，對(duì)于當(dāng)時(shí)未預(yù)見到的發(fā)展趨勢(shì)以及其中值得深究的問題，需要進(jìn)行進(jìn)一步的探討。筆者通過近年來在隧道機(jī)電設(shè)計(jì)工作中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)“十四五”期間的新形勢(shì)、新要求，提出隧道通風(fēng)計(jì)算的一些思考。本文主要討論長度<5 000 m、適用于全射流通風(fēng)方式的公路隧道。

1 高速公路隧道通風(fēng)

1.1 高速公路隧道通風(fēng)系統(tǒng)的重要性

隧道是一個(gè)相對(duì)密閉的區(qū)域，車輛排出的廢氣無法通過自然風(fēng)或者活塞風(fēng)排出擴(kuò)散到大氣中，尤其是針對(duì)長隧道、特長隧道而言，自然風(fēng)、交通風(fēng)對(duì)隧道中空氣進(jìn)行置換的能力較差，無法滿足高速公路運(yùn)營的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求。應(yīng)將汽車尾氣中包含的許多有毒有害氣體和顆粒置換出隧道，否則濃度過高將危及人體健康甚至生命。同時(shí)，公路隧道內(nèi)的煙霧濃度過高時(shí)會(huì)影響行車視野，降低車輛安全行駛視距，增加安全隱患，若隧道內(nèi)發(fā)生重要事故或者火災(zāi)，情況會(huì)更加嚴(yán)峻。因此在高速公路隧道安裝通風(fēng)系統(tǒng)顯得尤為重要，可切實(shí)保障高速公路隧道的行車安全。

1.2 高速公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范發(fā)展歷程

在20世紀(jì)90年代初及以前，我國高速公路隧道并沒有相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，直到2000年《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》正式頒布實(shí)施，對(duì)我國公路隧道通風(fēng)技術(shù)的發(fā)展起到了重要作用，對(duì)我國過去十幾年的高速公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)與建設(shè)運(yùn)營起到了重要的指導(dǎo)作用。近些年隨著我國汽車制造業(yè)水平的發(fā)展，尾氣凈化度和能源利用率等很多方面都發(fā)生了較大變化，2014年頒布實(shí)施了《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/TD70/2-02-2014)，對(duì)一氧化碳的排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)、最大濃度標(biāo)準(zhǔn)等做了較大改變，使其可以更好地為公路隧道通風(fēng)發(fā)展提供指導(dǎo)。

2 高速公路隧道通風(fēng)計(jì)算

2.1 隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)流程

隧道通風(fēng)計(jì)算復(fù)雜，在初步判定隧道采用機(jī)械通風(fēng)后，需要從隧道主體專業(yè)獲取隧道長度、海拔高度、坡度、隧道斷面、平縱線型、周長、當(dāng)量直徑等資料，從工可資料中獲取交通量、車道數(shù)、設(shè)計(jì)小時(shí)交通量系數(shù)、方向分布系數(shù)等數(shù)據(jù)，并查詢隧址夏季氣溫、大氣密度等數(shù)據(jù)。從10 km/h至設(shè)計(jì)時(shí)速，按10 km/h每檔，計(jì)算各速度工況下稀釋煙塵、CO需風(fēng)量、換氣需風(fēng)量，根據(jù)隧道排煙需風(fēng)量得到火災(zāi)工況下的需風(fēng)量，以及所有工況下的最大需風(fēng)量及設(shè)計(jì)風(fēng)速。計(jì)算各速度工況下所需的升壓力，根據(jù)風(fēng)機(jī)選型得到單臺(tái)風(fēng)機(jī)升壓力，并考慮一定的備用，最終得到隧道風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)數(shù)量。

2.2 設(shè)計(jì)年份基準(zhǔn)排放量計(jì)算

《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》中，主要將車型分為了小客車、小貨車、大客車、中貨車、大貨車、集裝箱及拖掛車等類型，下文列舉了我國各類機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)類型的一般比例(見表1)，并分別設(shè)定了考慮煙塵及CO的車型系數(shù)，如表2和表3所示。在煙塵及CO排放量的計(jì)算過程中，取2000年的機(jī)動(dòng)車尾氣排放的有害氣體作為基準(zhǔn)，煙塵的基準(zhǔn)排放量為2.0 m2/(veh·km)，正常交通時(shí)CO的基準(zhǔn)排放量為0.007 m3/(veh·km)，交通阻滯時(shí)取0.015 m3/(veh·km)，且阻滯段長度≤1 000 m；以2000年為起點(diǎn)，按每年2.0%的遞減率進(jìn)行折減，最大折減年限不超過30年。

表1 各類車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)類型比例一覽表

表2 考慮煙塵的柴油車車型系數(shù)fm(VI)一覽表

表3 考慮CO的車型系數(shù)fm一覽表

因此，現(xiàn)階段在各設(shè)計(jì)單位進(jìn)行工程可行性研究時(shí)，一般按照上述車輛類型進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，進(jìn)行初步設(shè)計(jì)及施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)工可交通量數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的隧道通風(fēng)計(jì)算。現(xiàn)階段設(shè)計(jì)的公路中，大多于2024年以后通車，近遠(yuǎn)景年份均在2030年后，對(duì)基準(zhǔn)排放量進(jìn)行折減時(shí)，均按照2030年的折減數(shù)進(jìn)行折減，其含義就是機(jī)動(dòng)車煙塵及CO排放量不會(huì)無限降低，在2030年后將趨于平穩(wěn)。

而在機(jī)動(dòng)車發(fā)展形勢(shì)中，不得不提的就是新能源汽車的發(fā)展，單純地靠分析燃油車的技術(shù)、占比及發(fā)展趨勢(shì)已經(jīng)不能完全地代表公路上的交通組成及有害氣體排放量。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2011年我國新能源汽車銷量僅為0.816萬輛，而截至2020年年底，全國新能源汽車保有量達(dá)492萬輛，占汽車總量的1.75%。僅2020年，新能源汽車銷量為136.7萬輛；新能源汽車增量連續(xù)三年超過100萬輛，呈持續(xù)高速增長趨勢(shì)?！缎履茉雌嚠a(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》指出，到2025年，新能源汽車新車銷售量達(dá)到汽車新車銷售總量的20%左右，到2035年，純電動(dòng)汽車成為新銷售車輛的主流。新能源汽車已經(jīng)成為公路上不可忽略的參與者。

目前看來，小客車中新能源汽車的占比已經(jīng)逐步擴(kuò)大，尤其是一些限牌的一線城市；貨車也有電動(dòng)化的趨勢(shì)，但是取代的基本是一些輕型貨車，重型貨車的能源仍以柴油為主。而且隨著續(xù)航能力的提升、服務(wù)區(qū)充電樁建設(shè)的逐步鋪開，未來新能源汽車的行駛半徑將會(huì)逐步擴(kuò)大，更多地出現(xiàn)在公路隧道中。因此，工可交通量統(tǒng)計(jì)中未考慮電動(dòng)汽車占有率，設(shè)計(jì)細(xì)則中僅根據(jù)各車型中柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的比例進(jìn)行隧道通風(fēng)計(jì)算，容易造成需風(fēng)量計(jì)算值偏大，提高前期建設(shè)成本以及后期運(yùn)營成本。而新能源汽車的發(fā)展，也讓2030年后公路上的煙塵及CO排放量繼續(xù)降低成為可能。

2.3 阻滯段的選取及計(jì)算

較長的山嶺隧道通常采用“人”字坡設(shè)計(jì)，短隧道可用單向坡?！叭恕弊制乱环矫婵梢员苊庵剀囋谒淼佬旭倳r(shí)長期處于下坡狀態(tài)，減少制動(dòng)距離，提升安全系數(shù)，一方面可以使洞內(nèi)的積水有效地排出隧道。但“人”字坡隧道煙氣的蔓延更復(fù)雜，有害氣體通常在“人”字坡坡頂形成積聚，達(dá)到最高值。

《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》中，對(duì)于長度>1 000 m的隧道，建議阻滯段計(jì)算長度≤1 000 m，高速公路阻滯段的行車速度≤30 km/h。因不同坡度對(duì)應(yīng)的考慮煙塵的縱坡-車速系數(shù)fiv(VI)和考慮CO的縱坡-車速系數(shù)fiv(CO)有較大區(qū)別，上坡路段的系數(shù)大于下坡路段，因此進(jìn)行通風(fēng)計(jì)算時(shí)，阻滯段的選擇應(yīng)首選上坡路段，即假設(shè)阻滯發(fā)生在上坡路段時(shí)，會(huì)產(chǎn)生該隧道當(dāng)前時(shí)速下的最大需風(fēng)量。如有條件，隧道土建專業(yè)與隧道機(jī)電專業(yè)可以進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，避免因隧道坡度導(dǎo)致行車時(shí)產(chǎn)生過多的有害氣體。

然而，因?yàn)樗淼纼?nèi)風(fēng)機(jī)雖然通常分兩段或三段布設(shè)，但都是為整條隧道服務(wù)的，所以在計(jì)算隧道需風(fēng)量時(shí)，雖然設(shè)定阻滯段為1 000 m，但阻滯段外仍應(yīng)考慮正常工況行車，隧道阻滯段外的部分長度可按時(shí)速40 km/h進(jìn)行需風(fēng)量計(jì)算。

3 結(jié)語

高速公路隧道運(yùn)營的安全與環(huán)保節(jié)能是一項(xiàng)至關(guān)重要的工程，與時(shí)俱進(jìn)的設(shè)計(jì)理念、不斷完善的體系標(biāo)準(zhǔn)和節(jié)能各項(xiàng)措施是不斷推動(dòng)高速公路隧道建設(shè)和運(yùn)營發(fā)展的關(guān)鍵因素。本文通過對(duì)高速公路隧道通風(fēng)系統(tǒng)的探討，研究當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)體系下隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需完善的地方，基于通風(fēng)設(shè)計(jì)過程中的數(shù)據(jù)分析，提出更為完善的控制設(shè)計(jì)方案，以便更好地總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，完善隧道通風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)，推動(dòng)高速公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)向安全合理、節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)發(fā)展，為精細(xì)化、節(jié)約化高速公路運(yùn)營管理提供理論支撐。