长大公路隧道通风问题

1、我国长大公路隧道通风中的几个问题夏永旭（长安大学公路学院，710064）摘 要：论述了我国长大公路隧道通风中目前存在的几个技术问题，提出了解决这些问题的主要思路。关键词：长大公路隧道，通风，问题。1. 前言随着公路建设的快速发展和道路等级的逐渐提高，近年来，我国的公路隧道越修越多，越修越长。特别是我国西部山区的公路建设，将有许多长大或特长公路隧道要修建，正在施工的秦岭终南山公路隧道，设计长度更是长达18.004km。在整个隧道的建设中，通风方案的优劣及通风运营效果的好坏，将直接关系到隧道的工程造价、运营环境、救灾功能及运营效益。20多年来，国内在公路隧道通风方面积累了许多成功的经验，但也存在许

2、多问题。随着人们对公路隧道通风理念的转变1，特别是许多长大或特长公路隧道的建设和规划，通风已经成为影响和制约长大公路隧道建设的关键。本文在总结经验的基础上，探讨了我国目前长大公路隧道通风中所存在的一些问题，提出了解决这些问题的基本思路。2长大公路隧道通风中的几个问题2.1 汽车排污量的计算公路隧道的通风原理，是通过向隧道内注入新鲜空气，稀释洞内由汽车排出的废气(CO、NO2 、HC)和烟雾，使得隧道内的空气质量和烟雾透过率，能保证司乘人员的身体健康和行车安全。然而，隧道内的废气总量和烟雾浓度，与汽车的排污强度以及隧洞内的车流密度成正比。关于汽车的排污强度，我国已经制定了一系列强制性的政策法规。

3、但是，我们现在的排污限制标准，仅相当于欧洲的1号标准。新颁布的公路隧道通风照明设计规范2，所给出的各类汽车基本排放量也是1995年的测试结果。规范中虽然也给出了co年度折减系数为1-2，但是，汽车排污折减系数的取值不仅取决于汽车的发动机性能，而且与汽车燃油的质量以及道路的坡度都有关。图1是针对某隧道取co允许浓度为200ppm时不同折减系数的新风量。可以看到，折减系数影响较大,因此在具体计算中究竟取多少很值得研究。而关于柴油车的烟雾排放，现行规范中根本没有提及折减，但随着汽车性能的逐渐改进，烟雾排放量也当然应该折减。另外，当柴油车车速为80km/h或者70km/h，隧道纵坡大于1或者大于2时的

4、烟雾车况系数fa(VI),也应该予以研究，因为这两种情况显然是存在的。另一方面，隧道内的车流密度和道路的交通量成正比，车流密度高，洞内烟雾排放量大,而交通量一般又呈逐年增长趋势，所以，如何处理汽车排污量逐年下降和交通量逐年增长二者之间的关系，是计算隧道排污量的关键，也是一个难题。但是，目前在许多工程的工可阶段，出现了为提高公路的等级，人为扩大交通增长速率的现象，这势必也加大了隧道的污染量，应该引起注意。2.2 长大公路隧道的卫生标准及需风量有了隧道污染量，则隧道的卫生标准和烟雾允许透过率直接决定隧道需风量的大小。卫生标准主要是指是co的允许浓度，计算时不仅要考虑汽车行驶速度，而且要考虑司乘人员

5、在隧道中停留的时间。规范2对于小于3.0km的隧道，给出co允许浓度为250ppm，堵塞时为300ppm，烟雾允许透过率为0.0070m-1 。又根据已有的研究，提出c=co×t=600ppmmin。但是，对于大于3.0km的特长公路隧道，co允许浓度究竟如何取，规范中没有说明。所以，对于长大公路隧道的卫生标准，必须深入细致研究。毫无疑问，卫生标准高，隧道内的环境好，但是通风设备的投资肯定很大，而且将来的运营费用也会很高。因此，在确定卫生标准时，应当同时兼顾国家的环境卫生法规和业主的承受能力。图2给出了某特长公路隧道取不同卫生标准时的新风量需求曲线，从图中可以看到，co允许浓度取20

6、0ppm和150ppm 相差 35.11，这是一个相当大的数字。隧道通风需风量的计算，除了要满足正常交通外，还必须考虑阻塞情况和灾害情况。规范2根据PIARC的建议，取阻塞工况车速10.0km/h,长度为1.0km，完全可以。但是，阻塞区外的车速肯定是距离阻塞中心越远车速越高。然而，沿隧道长度车流如何分布，车速到底取多少；相邻车道的车流、车速又如何，都需要认真研究。另外，由于长大公路隧道设有监控中心，所以在计算需风量时，20.0km/h工况是否还要考虑，值得商榷。根据目前的发展趋势可以预计，随着汽车排污量的逐年降低，烟雾允许透过率将成为控制隧道风量的决定因素，这在坡度较大隧道中业已得到验证3。

7、公路隧道的灾害主要是指火灾。尽管正常运营时的隧道风速，肯定满足防止火灾时烟雾回流的最低风速要求，但是，在计算隧道需风量时，必须认真详细地研究隧道发生火灾时灭火排烟的需风量以及逃生道和避难洞的风量需求。2.3 通风方式的选择及通风方案的初选公路隧道的机械通风方式，一般分为全横向、半横向和纵向。上述三种通风方案各有利弊。如全横向和半横向通风，隧道内的卫生状况和防火排烟效果好（全横向最好）。但是，初期的土建费用、设备费用以及后期的通风运营费用很大；纵向通风土建工程量小，设备运营费用相对较低，且方式灵活多样，但洞内的环境状况和防火排烟效果稍差。根据2000年底的统计，全世界已建3.0km以上的公路隧道

8、400多座，20世纪80年代以前建成的多为全横向式和半横向式通风，以瑞士、奥地利和意大利为代表。而20世纪80年代以后，关于公路隧道通风方式基本分为两大派。欧洲仍然以半横向、全横向居多，而亚洲以日本为代表，全为分段纵向。日本甚至认为，加静电除尘器的分段纵向通方式,适合任何交通形式和任何长度的公路隧道。近几年，欧洲各国的通风理念也有所改变，双洞单向交通，分段纵向通风方式，逐渐成为主流。奥地利巴拉斯基隧道和陶恩隧道的二期工程就是典型的例子4。国内的通风方式，也经历了由最初的全横向、半横向向分段纵向逐渐过渡的过程。如上海的打浦路隧道（2.761km）、延安东路隧道右洞（2.261km）采用的是全横向

9、。深圳的梧桐山隧道左线（2.238km）为半横向。1989年建成的七道梁隧道（1.56km），在国内首次采用全射流纵向通风。而1995年建成的中梁山隧道（左洞3.165km，右洞3.103km）和缙云山隧道（左洞2.528km、右洞2.478km），变原来的横向通风方式为下坡隧道全射流纵向通风，上坡隧道竖井分段纵向通风，在国内首次将纵向通风技术运用于3.0km以上的公路隧道。随后，铁坪山隧道（2.801km）、延安东路隧道左洞（2.30km）、谭峪沟隧道（3.47km）、木鱼槽隧道（3.61km）、梧桐山隧道右洞（2.27km）、大溪岭隧道（4.1km）、二郎山隧道（4.61km），均采用了纵

10、向或分段纵向通风方式。尽管分段纵向通风方式，已经成为大家普遍的共识，但也遇到了许多问题和挑战。如分段的长度最大不能超过多少，国外4.0km的长度能否在国内适用；对于地形险峻，埋深太大的特长隧道，如何解决中间段的通风；火灾和救援逃生时风机如何控制；静电除尘器的技术和经济效果到底如何；怎样减少通风阻力；大角度长斜井和盲竖井的技术经济比较；地下风机房和地面风机房的优缺点，等等。对于上述这些问题，虽然国外已有各种处理方法，但效果不一。随着研究的深入和认识的不断提高，有些问题已经有了新的解决办法。如采用隧道顶端的大直径轴流风机可以大大降低通风阻力 5；火灾发生时的人员逃生可以事先通过现场和数值模拟研究6

11、，制定出救灾预案。无法设置竖井的中间段可以设法采用混合通风方式7，8，9 。当然，国外的经验只能借鉴，决不能照搬。真正解决问题，还是要靠我们自己做扎实细致的研究工作。在具体进行通风方案的选择时，可以分三个层次展开。首先是确定通风方式，是采用横向、半横向，还是纵向、混合式；其次是在所确定的一种或者两种通风方式中，再进行多方案的比选，选取较好的23种；最后对所初选的通风方案进行比较分析，给出推荐方案和比较方案，提供专家评审。然而，不管在哪一个阶段，都必须从功能、技术、经济三方面考虑，逐步深入，认真研究，科学论证。2.4 防火救灾时的通风公路隧道通风方案的设计，除了要满足交通运营通风外，还必须详细研

12、究火灾发生时的通风需求，即把正常运营通风和火灾时的通风看作是整个通风系统的两种重要的工况。由于隧道火灾的随机性，通常很难提前预防。加之隧道环境封闭，灭火救灾困难，一旦发生火灾，损失巨大。1999年3、4月间，意大利勃朗峰隧道和奥地利陶恩隧道的先后发生大火，造成40多人死亡。2001年10月24日，瑞士圣哥达隧道又有两辆大卡车碰撞引起大火，14人丧生。可以肯定地说，防火救灾是目前公路隧道通风的难点，而且是今后很长时间内需要研究的课题。因而，在研究通风方案时，对于隧道防火区段的划分、横通道的设置、横通道的开启与关闭、烟流排出的路径与速度、逃生通道的空气补给、避难洞的新风需求、隔温安全段的长度和降温

13、措施、排风口的间隔和面积、火灾时的风机控制、部分风机损坏时的风机调配等，都要逐一详细研究。而在研究这些问题时，又必须和隧道的正常通风以及安全等级、防灾救灾预案的制定综合考虑，并在通风方案的选择阶段和优化阶段，分层次进行。研究的方法可以通过物理实验的方法和数值模拟的方法同时进行6。2.5 通风方案的优化优化研究是对通风方案深化和完善的重要过程。因为，除了在通风方式的选择和通风方案的初选阶段，许多问题根本无法解决外，一些隐藏的深层次的问题，只能是随着研究的深入和设计的展开逐步显现。国外对长大公路隧道的通风研究历来十分重视，如意大利的勃郎峰隧道，从最初的设计草图到最后建成通车，历时三十一年,通风方案

14、先后多次修改。今年又结合防灾救灾，对整个通风系统进行大的改造。通风方案的优化研究，可通过数值模拟和物理实验两种方法实现。数值模拟可首先根据一元流理论，研究不同防火区段划分、不同斜（竖）井断面、不同车流工况、不同风机配置时，隧道内的风流方向、风速变化、风压分布，给出该通风方式的定性及定量描述10。然后，再应用CFD技术，进一步详细研究上述相关问题以及细部结构对通风效果的影响，诸如斜（竖）井断面、射流风机效应、分流和汇流局部损失系数6、11、连通道和过渡端的阻力、轴流风机进出口段最佳长度和角度、火灾时的烟雾分布规律、连通道在灭火排烟中的作用、两洞口及送排风塔相互影响、隧道污染物的扩散等。物理实验研

15、究是借助物理模型，模拟所拟定的通风方案在不同细部结构、不同通风工况、不同风机配置时的通风效果，观测各个细部的流场分布，实测模型内不同断面的风流、风压、风速；实测壁面阻力系数和不同细部损失系数、研究各个细部的最佳几何形状；观测火灾发生时的烟流分布，风机的排烟效果，确定轴流风机和射流风机的最佳配置；研究不同风机参数（轴流风机的叶片角度、进出口形状、风量控制方式；射流风机类型）对风场的影响等6,12。数值模拟和物理模拟目前也最存在一些问题，如建立更符合实际的计算模型、瞬态非线性以及紊流的计算方法、非相似物理实验模型、足尺实验等。但是无论怎样，物理实验是优化研究的基础，它不仅是对通风方案的验证，而且更

16、为重要的是通过实测为数值模拟提供计算参数，修正和完善数值研究模型。因此，对于长大及特长公路隧道的通风优化，物理实验是最重要的必须手段，也是最直接和最基础性的工作，决不能流于形式和沦落为对通风方式单纯的验正。2.6 通风效果的检测通风效果的检测，是对竣工运营后的隧道通风状况进行实地检测，内容包括隧道内的 CO浓度、NO2浓度、HC浓度、烟雾透过率、风压、风速、噪音；隧道区域环境污染浓度、污染范围；风机性能、风机功率 、风机组合功能、风机控制效果甚至于检测器件的灵敏度等。通风效果检测的最大困难在于设计交通工况的组织以及灭火排烟时效果的检验。但是，成功的通风效果检测，不仅仅是对通风方案有一个实际的考

17、察和评估，而且会为通风控制方案的完善提供有用的帮助。所以，对于长大和特长公路隧道必须认真做好通风效果的检测工作。 3结语隧道通风是长大公路隧道建设中必须认真研究和解决的重要问题，而防灾救灾的研究更是长远的课题。无论是基础理论还是研究的技术和手段，特别是实际经验，我们和国外都有很大的差距。所以，虚心学习国外的先进经验，加强公路隧道通风基础理论和应用技术的研究，结合工程实际，开拓思路，努力工作，将是我国今后长大公路隧道通风研究的长期任务。 参考文献1. 夏永旭、戴国平.现代公路隧道的发展，2001中国公路隧道学术交流论文集，2001.9 2. 中华人民共和国行业标准：公路隧道通风照明设计规范，北京

18、：人民交通出版社，2000.63. 夏永旭 、王永东、赵峰.雁门关公路隧道通风技术研究报告，2001.64. 夏永旭.欧洲四国隧道通风考察报告，2000.5 5. John Day ，Ian Sweetland.REDUCING PORTAL EMISSIONS FROM TUNNELS ECONOMICALLY, Ventilatoren Sirocco Howden，20016. 杨冠雄.公路隧道营运时防灾系统设计分析，台湾中山大学研究报告，2001.77. 夏永旭.秦岭终南山公路隧道通风方案讨论，长安大学学报，2001.10,待发表8. 夏永旭、赵峰.纵向半横向混合通风方式研究，长安大学学报，2001.10,待发表9. 夏永旭、赵峰.纵向全横向混合通风方式研