金立平

（中國(guó)上海外經(jīng)（集團(tuán)）有限公司，上海 200032）

0 前言

我國(guó)現(xiàn)行的公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范是由交通部于2000年1月7日發(fā)布的《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ026.1）。該規(guī)范是根據(jù)我國(guó)的試驗(yàn)研究成果和隧道工程實(shí)踐并考慮中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平編制的；同時(shí)借鑒了其它國(guó)家或國(guó)際組織的規(guī)范，如挪威《公路隧道設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》(1990版)、日本《公路隧道通風(fēng)技術(shù)基準(zhǔn)》(1985版)、PIARC(1995、1983、2003、1975、1979、1987、1991)報(bào)告等。根據(jù)我國(guó)規(guī)范在國(guó)內(nèi)的高速公路設(shè)計(jì)時(shí)4.5 km長(zhǎng)的隧道往往是縱向式通風(fēng)方案的臨界長(zhǎng)度，即大于4.5 km長(zhǎng)度的隧道在國(guó)內(nèi)通常采用分段縱向式通風(fēng)方式或半橫向式通風(fēng)方式，需要大大增加工程造價(jià)和運(yùn)營(yíng)成本。而建成后的一些長(zhǎng)度為5 km左右的公路隧道在運(yùn)營(yíng)中卻發(fā)現(xiàn)分段式通風(fēng)或半橫向式通風(fēng)的設(shè)計(jì)偏于保守，安裝的通風(fēng)設(shè)備閑置著，浪費(fèi)了建設(shè)資金。主要的原因在于設(shè)計(jì)，而設(shè)計(jì)的依據(jù)是規(guī)范。為此本文采用國(guó)際路協(xié)“PIARC（1995）報(bào)告”推薦的通風(fēng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)德黑蘭北部高速公路Taloon隧道進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算?！癙IARC（1995）報(bào)告”是國(guó)際路協(xié)在1995年的第二十屆大會(huì)上推薦的隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，被世界各國(guó)所普遍接受。該計(jì)算的目的在于提供一個(gè)能被業(yè)主和歐洲監(jiān)理所能接受的通風(fēng)設(shè)計(jì)；同時(shí)針對(duì)上述我國(guó)通風(fēng)設(shè)計(jì)所存在的問題尋找原因和解決方案。

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介和設(shè)計(jì)參數(shù)

德黑蘭北部高速公路項(xiàng)目位于伊朗北部,連接伊朗首都德黑蘭 (起點(diǎn))和里海邊城市恰盧斯（終點(diǎn)），全長(zhǎng)121 km，雙向4車道，坡度大的上坡路段增設(shè)爬坡車道，設(shè)計(jì)行車速度在洞外80 km/h，隧道內(nèi)60 km/h。Taloon隧道位于距起點(diǎn)德黑蘭約21 km的山區(qū)，是該項(xiàng)目全線范圍內(nèi)長(zhǎng)度排第二的隧道,按照左右線分離設(shè)置。

經(jīng)過了多方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選，并和業(yè)主協(xié)商后決定Taloon隧道通風(fēng)方案采用全射流縱向通風(fēng)，主通風(fēng)方向與行車方向一致。當(dāng)一隧道因故封閉，另一隧道雙向行車時(shí)，則主通風(fēng)方向一般與自然風(fēng)主風(fēng)向一致?；驹O(shè)計(jì)參數(shù)如下:

（1）隧道長(zhǎng)度:左線隧道長(zhǎng)度4 847.76 m；右線隧道長(zhǎng)度：4 892 m。

（2）隧道斷面面積：75.1 m2。

（3）隧道當(dāng)量直徑：8.9 m。

（4）隧道縱坡:

左線：176.765 m，-0.6%；3 177.488 m，1.83%；1 230.747m，1.986%；262.76m，1.785%；

右線：223.544 m，0.6%；3 191.456 m，-1.83%；1 170m，-1.949%；307 m，-1.785%。

（5）隧道高程：約為2 287 m。

（6）高峰小時(shí)交通量：根據(jù)交通量預(yù)測(cè)，Taloon隧道遠(yuǎn)期2022年預(yù)測(cè)高峰小時(shí)交通量采用3 000 pcu/h（雙向，60 km/h），1 400 pcu/h（雙向，10 km/h）。其中上行占50%，下行占50%；轎車占85%（全部為汽油發(fā)動(dòng)機(jī)），重型卡車和客車占15%（全部為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)）。

（7）設(shè)計(jì)正常行車速度為60 km/h，阻塞行車速度為10 km/h。

2 隧道設(shè)計(jì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)

CO設(shè)計(jì)允許濃度：正常交通100 ppm；交通阻塞150 ppm；交通管制250 ppm。

煙霧設(shè)計(jì)允許濃度：正常交通0.007 m-1；交通阻塞0.009 m-1；交通管制0.012 m-1。

3 隧道需風(fēng)量計(jì)算

按照PIARC(1995)報(bào)告進(jìn)行隧道通風(fēng)計(jì)算，采用普通ECE15/04和EURO-1排放標(biāo)準(zhǔn),隧道需風(fēng)量計(jì)算過程如下。

3.1 交通量計(jì)算

考慮到受隧道內(nèi)坡度的影響，大車與標(biāo)準(zhǔn)車（pcu）的換算關(guān)系取1∶3。行車速度為60 km/h時(shí)，隧道內(nèi)通過的車輛數(shù)為 1 500/（0.85+3×0.15）=1 154（veh/h）；行車速度為 10 km/h時(shí)，隧道內(nèi)通過的車輛數(shù)為 1 400/（0.85+3×0.15）=1 077（veh/h）。

3.2 廢氣排放量計(jì)算

3.2.1 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)轎車排放量計(jì)算

式中：Q——CO排放量，g/h；

q(v,i)——基本排放系數(shù)，取決于平均速度和道路坡度，查PIARC(1995)表2；

fh——高程系數(shù)，按照PIARC(1995)表17中的汽油機(jī)（帶催化劑）按照高程內(nèi)插取值2.68；

fcs——冷啟動(dòng)系數(shù)，查PIARC(1995)表16，按照冷啟動(dòng)后進(jìn)入隧道前的車輛公里數(shù)為3km行駛距離，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)CO的冷啟動(dòng)系數(shù)取1.0；柴油發(fā)動(dòng)機(jī)CO和煙霧的冷啟動(dòng)系數(shù)均取1.0；

fa——催化劑老化系數(shù)，無催化劑，取1；

nm——隧道內(nèi)相應(yīng)車型的車輛數(shù)，nm=Mm·L/V，輛；

Mm——相應(yīng)車型交通量，veh/h；

V——車輛速度，km/h；

L——隧道長(zhǎng)度，km。

3.2.2 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)卡車和客車排放量計(jì)算

式中：Q——CO排放量，g/h和顆粒物排放量，m2/h；

q(v,i)——基本排放系數(shù)，取決于平均速度和道路坡度，CO查PIARC(1995)表 19；煙霧查 PIARC(1995)表 21；

fh——高程系數(shù)，查PIARC(1995)表24得，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)CO的高程系數(shù)為3.11，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的煙霧高程系數(shù)為1.85；

fm——質(zhì)量系數(shù)，該設(shè)計(jì)公路隧道為正常的國(guó)家公路網(wǎng)，查PIARC(1995)表22，按照 m=20 t/10 t，在 60 km/h時(shí) fm取1.6；在10 km/h時(shí)fm取1.8；

fe——相對(duì)于“EURO前”的廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)，按照EURO 1排放標(biāo)準(zhǔn)查PIARC(1995)表23得，CO排放標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)取0.4，煙霧排放標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)取0.55。

將隧道按照不同的坡度根據(jù)上述計(jì)算方法分段計(jì)算，將分段計(jì)算結(jié)果分別按照CO和煙霧進(jìn)行累加，即可得到整條隧道的CO排放量QCO和煙霧排放量QVI。

3.3 隧道需風(fēng)量計(jì)算

3.3.1 稀釋CO的隧道需風(fēng)量

式中：Qreq(co)——稀釋CO的隧道需風(fēng)量，m3/h；

QCO——隧道的CO排放量，g/h；

δadm——CO設(shè)計(jì)允許濃度，ppm；

δamb——CO本底濃度，ppm，該隧道位于郊區(qū)，取 0。

3.3.2 稀釋煙霧的隧道需風(fēng)量

式中：Qreq(VI)——稀釋煙霧的隧道需風(fēng)量，m3/h；

QVI——隧道的煙霧排放量，m2/h；

Kadm——煙霧設(shè)計(jì)允許濃度，m-1；

Kamb——煙霧本底濃度，m-1，該隧道位于郊區(qū)，取 0。

按照PIARC（1995）報(bào)告的要求，對(duì)動(dòng)態(tài)交通60 km/h、擁擠交通10 km/h和交通阻滯0 km/h三種工況，按照稀釋CO和稀釋煙霧兩種條件，采用上述方法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示左線最大的需風(fēng)量是在擁擠交通10 km/h工況時(shí)受稀釋煙霧控制，最大需風(fēng)量為Qreq(VI)=437.11(m3/s)，風(fēng)速為5.82m/s。右線最大的需風(fēng)量是在擁擠交通10 km/h工況時(shí)受稀釋CO控制，最大需風(fēng)量為Qreq(co)=356.50(m3/s)，風(fēng)速為4.75 m/s。

4 通風(fēng)計(jì)算

4.1 風(fēng)機(jī)選型

設(shè)計(jì)選用Φ1250雙向可逆射流風(fēng)機(jī)，技術(shù)參數(shù)為：葉輪直徑為1 250mm，出口風(fēng)量40.4m3/s，出口風(fēng)速為32.9 m/s，電機(jī)功率為42.5kW，反風(fēng)風(fēng)量不小于正向風(fēng)量的95%。風(fēng)機(jī)應(yīng)滿足在250℃高溫下正?？煽窟\(yùn)轉(zhuǎn)60 min，電機(jī)防護(hù)等級(jí)不低于IP55。風(fēng)機(jī)應(yīng)在30 s內(nèi)正反轉(zhuǎn)切換到風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速。

4.2 射流風(fēng)機(jī)推力

式中：Δpj——射流風(fēng)機(jī)推力，Pa；

ρ——空氣密度，kg/m3；

Qj——射流風(fēng)機(jī)風(fēng)量，m3/s；

uj——射流風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速，m/s；

u——隧道內(nèi)縱向風(fēng)速，m/s；

η1——射流風(fēng)機(jī)性能系數(shù)，取0.9；

η2——邊墻影響系數(shù)，取0.8；

η3——縱向安裝距離影響系數(shù)，取1.0；

AT——隧道斷面面積，m2。

4.3 隧道交通通風(fēng)力

式中：Δpveh——隧道交通風(fēng)力，Pa；

M——隧道交通量，veh/h；

L——隧道長(zhǎng)度，km；

v——車輛速度，km/h；

cw——車輛阻力系數(shù)，小車取0.35（堵塞影響時(shí)取0.4），大車取0.8（堵塞影響時(shí)取1.0）；

A——車輛斷面面積，m2，小車取2.0，大車取5.0。

4.4 隧道阻力

式中：Δptu——隧道阻力，Pa；

ζ——隧道入口局部阻力系數(shù)，取0.5；

λ——隧道摩擦阻力系數(shù)，取0.020；

D——隧道當(dāng)量直徑，m。

4.5 自然風(fēng)阻力

式中：ΔpMT——隧道自然風(fēng)阻力，Pa；

un——隧道內(nèi)自然風(fēng)風(fēng)速，m/s，取2.5 m/s；

4.6 射流風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)

根據(jù)推力和阻力平衡，即隧道內(nèi)壓力平衡：

得到風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)量：

經(jīng)以上計(jì)算，左線隧道需配置射流風(fēng)機(jī)26臺(tái)，右線隧道需配置射流風(fēng)機(jī)18臺(tái)。

5 火災(zāi)工況驗(yàn)算

考慮到工程的經(jīng)濟(jì)性，按照隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)的規(guī)模為20 MW熱量（一輛公共汽車或卡車發(fā)生火災(zāi)）進(jìn)行排煙設(shè)計(jì)。

火災(zāi)的臨界風(fēng)速計(jì)算公式如下：

式中：Vc——臨界速度，m/s；

Kg——臨界理查德森數(shù)（Richardson Nunrber）的1/3次冪，取0.61；

K——坡度修正系數(shù),查得1.09；

g——重力加速度，m/s2,取9.8 m/s2；

H——隧道凈高，m,取7.66 m；

Qf——火源的熱釋放率，W，取20 MW；

ρa(bǔ)——周圍空氣的密度，kg/m3，取1.2 kg/m3；

Cp——恒壓時(shí)空氣的比熱，J/kg·K），取1005 J/kg·K；

A——隧道橫斷面面積，m2，取75.1；

Tf——火源處氣體的溫度，K；

Ta——周圍空氣的溫度，K；

i——隧道縱坡，%,取最大縱坡3%。

計(jì)算得出控制煙和熱氣流動(dòng)的風(fēng)速約為2.32 m/s。隧道內(nèi)縱向風(fēng)速采用2.32 m/s對(duì)隧道火災(zāi)工況所需要的射流風(fēng)機(jī)進(jìn)行驗(yàn)算，其計(jì)算方法與上述阻力計(jì)算相同。經(jīng)計(jì)算，火災(zāi)工況左、右線隧道各需要運(yùn)行射流風(fēng)機(jī)8臺(tái)。

6 結(jié)語

（1）按照上述計(jì)算成果完成的設(shè)計(jì)文件經(jīng)業(yè)主委托的伊朗咨詢公司和歐洲的咨詢公司審核獲得了批準(zhǔn)，目前項(xiàng)目正在實(shí)施中。

（2）上述計(jì)算結(jié)果表明對(duì)于長(zhǎng)度為4 892m的長(zhǎng)隧道采用全射流縱向通風(fēng)能滿足國(guó)際衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，全射流縱向通風(fēng)方案是可行的。

（3）上述計(jì)算顯示隧道內(nèi)的最大風(fēng)速是5.82 m/s，而 PIARC（1995）允 許 的 最 大 風(fēng) 速 是10m/s。因此在類似設(shè)計(jì)交通量的情況下，縱向式通風(fēng)方式的臨界長(zhǎng)度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于5 km。

（4）比較我國(guó)的通風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范和PIARC（1995）可以發(fā)現(xiàn)，兩者對(duì)車輛有害氣體的排放量的計(jì)算方法和參數(shù)取值存在較大的差別，因而對(duì)于隧道需風(fēng)量的要求差別較大。上述計(jì)算成果可以為我國(guó)通風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范的完善修訂提供工程案例依據(jù)。

[1]PIARC Committee on Road Tunnels,"Vehicle Emissions/Air Demand/Environment/Longitudinal Ventilation",report to 20th Word Road Congress in Montreal,1995.

[2]JTJ 026.1-1999,公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范[S].