姜學(xué)鵬，毛楊蘇宜，謝智云

(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081；2.湖北省工業(yè)安全工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430081；3.武漢科技大學(xué)消防安全技術(shù)研究所，湖北 武漢 430081)

0 引言

隨著城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，特長公路復(fù)雜隧道在城市中得到廣泛應(yīng)用。因其長線路、多匝道、多風(fēng)井等特點(diǎn)，使得主隧道內(nèi)氣流的變化非常復(fù)雜，對(duì)隧道運(yùn)營通風(fēng)產(chǎn)生較大的影響。

部分研究者對(duì)特長直線形公路隧道的運(yùn)營通風(fēng)優(yōu)化進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[1-3]對(duì)自然風(fēng)在特長公路隧道通風(fēng)中的節(jié)能運(yùn)用進(jìn)行了研究；Tang等[4]以港珠澳大橋隧道工程為依托，研究了變頻控制技術(shù)在長隧道通風(fēng)節(jié)能中的運(yùn)用；王明年等[5]介紹了高海拔隧道中的一些通風(fēng)節(jié)能技術(shù)；鄭國平[6]對(duì)活塞風(fēng)在特長公路隧道無動(dòng)力通風(fēng)中的運(yùn)用進(jìn)行了研究，并指出車流量對(duì)活塞風(fēng)影響較大。上述學(xué)者主要是通過研究對(duì)自然風(fēng)和活塞風(fēng)的利用達(dá)到特長隧道節(jié)能的目的。對(duì)于多匝道隧道，陳玉遠(yuǎn)[7-8]介紹了SES模擬軟件在多匝道隧道通風(fēng)系統(tǒng)中的應(yīng)用，并將其運(yùn)用到瘦西湖隧道通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中；蔣衛(wèi)艇[9]、董志周[10]運(yùn)用SES計(jì)算程序?qū)Χ嘣训浪淼劳L(fēng)效果進(jìn)行了對(duì)比分析，并驗(yàn)證了SES軟件能夠較好地應(yīng)用于復(fù)雜公路隧道通風(fēng)計(jì)算中；王艷等[11]運(yùn)用SES軟件對(duì)多匝道復(fù)雜隧道不同車速工況下的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行模擬，優(yōu)化了通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行模式，認(rèn)為風(fēng)井的設(shè)置會(huì)使通風(fēng)能耗成倍增加；姜學(xué)鵬等[12]運(yùn)用SES軟件，得出了在匝道分岔點(diǎn)上方集中布置通風(fēng)孔能達(dá)到較好的通風(fēng)效果的結(jié)論。以上研究說明SES模擬軟件可以有效運(yùn)用到多匝道隧道通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算中。但上述研究主要針對(duì)中長隧道或無匝道的特長直線形公路隧道進(jìn)行的，對(duì)具有多匝道、多風(fēng)井的特長復(fù)雜城市隧道研究較少。

運(yùn)用SES模擬軟件，以長沙某多風(fēng)井、多匝道的特長城市隧道初期工程為例，模擬不同車速工況下的通風(fēng)情況，分析車輛行駛產(chǎn)生的活塞風(fēng)在隧道通風(fēng)運(yùn)營中的作用，通過合理布置和開啟風(fēng)機(jī)，優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)營和管理，達(dá)到節(jié)約通風(fēng)能耗的目的，以期為隧道建成后的通風(fēng)系統(tǒng)布置和運(yùn)營設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

該隧道從西向東依次穿越某江、主城區(qū)、某公園、某河，為典型的特長城市交通隧道。該隧道為雙洞單線隧道，南線隧道初期建設(shè)長8 150 m，北線隧道初期建設(shè)長8 123 m，主線和匝道設(shè)計(jì)車速均為50 km/h。穿越某公園明挖暗埋段采用雙向6車道標(biāo)準(zhǔn)，單向隧道斷面周長為32.4 m，斷面積為54 m2；其余隧道主線地段采用雙向4車道標(biāo)準(zhǔn)，穿越某江盾構(gòu)段隧道斷面周長為35.3 m，斷面積為70.1 m2；其他單向隧道斷面周長為31.3 m，斷面積為51.1 m2；所有地下匝道均采用單車道斷面標(biāo)準(zhǔn)，隧道斷面周長為24.5 m，隧道斷面積為35.6 m2。隧道北線由城東區(qū)至河西城區(qū)，依次設(shè)有G、E、A、O匝道出口和J、C匝道入口；隧道南線由河西城區(qū)至城東區(qū)，依次設(shè)有B、F、I匝道入口和D、M匝道出口。通道路網(wǎng)如圖1所示。

圖1 通道路網(wǎng)Fig.1 Network diagram of tunnel

隧道采用分段縱向式通風(fēng)，豎井吸出式通風(fēng)，于豎井內(nèi)設(shè)置大型立式軸流風(fēng)機(jī)作為主機(jī)，隧道內(nèi)采用一定數(shù)量的射流風(fēng)機(jī)作為輔助風(fēng)機(jī)進(jìn)行全隧道分段縱向式通風(fēng)。

2 隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 隧道內(nèi)通風(fēng)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)

隧道內(nèi)主要污染物通風(fēng)衛(wèi)生設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)見表1。本隧道為采用縱向通風(fēng)的特長隧道，隧道內(nèi)風(fēng)速應(yīng)滿足稀釋空氣中異味要求，取隧道最小換氣頻率3次/h，換氣風(fēng)速取最低1.5 m/s。汽車污染物基準(zhǔn)排放量計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 汽車污染物基準(zhǔn)排放量Table 2 Reference emission of automobile pollutants m3/(輛·km)

2.2 設(shè)計(jì)交通量

根據(jù)該隧道的《交通組織方案》可知，北線(由東向西)隧道跨某河向西高峰小時(shí)交通需求為2 700 pcu，跨某江向西高峰小時(shí)交通需求為2 900 pcu；南線(由西向東)隧道跨某江向東高峰小時(shí)交通需求為2 900 pcu，跨某江向西高峰小時(shí)交通需求為2 900 pcu。南北線隧道交通量預(yù)測(cè)結(jié)果見表3。小型車、中型車和大型車的構(gòu)成比例為73∶16.5∶10.5。

表3 南北線隧道交通量預(yù)測(cè)結(jié)果Table 3 Prediction results of traffic of north line and south line tunnel

注：pcu表示標(biāo)準(zhǔn)車當(dāng)量數(shù)，即當(dāng)量交通量。

2.3 需風(fēng)量計(jì)算結(jié)果

依據(jù)JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》[13]中的相關(guān)公式，計(jì)算南、北線隧道通風(fēng)需風(fēng)量。南北線主線隧道稀釋CO的需風(fēng)量計(jì)算結(jié)果見表4。南、北線主線隧道換氣需風(fēng)量分別為372 m3/s和371 m3/s。

通過比較可知，主線隧道換氣(稀釋異味)需風(fēng)量最大，因此，模擬設(shè)計(jì)南、北主線隧道需風(fēng)量分別取372 m3/s和371 m3/s。

表4 稀釋CO需風(fēng)量計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculation results of air volume for CO dilution

注：全段阻滯工況下的車流量取正常行車車流量的2/3。

3 SES通風(fēng)模擬

該隧道為特長城市復(fù)雜隧道，多匝道、多風(fēng)井使隧道通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)變得復(fù)雜。主隧道和匝道的風(fēng)量分配受車輛運(yùn)行和機(jī)械通風(fēng)的影響，采用常規(guī)的方法對(duì)隧道實(shí)際通風(fēng)量和射流風(fēng)機(jī)配置方案計(jì)算并不適用。運(yùn)用SES模擬軟件，對(duì)隧道在不同交通工況下的通風(fēng)量進(jìn)行模擬計(jì)算，得出各工況下隧道內(nèi)氣流分布及射流風(fēng)機(jī)布置位置和開啟數(shù)量。隧道使用風(fēng)機(jī)種類及參數(shù)見表5。

假設(shè)隧道無環(huán)境風(fēng)作用，車輛在隧道中勻速行駛且同種類型車輛行駛間距相同，有害氣體體積分?jǐn)?shù)沿隧道一維分布，隧道內(nèi)污染物與空氣能夠瞬間均勻混合，且車輛行駛產(chǎn)生的溫度和濕度對(duì)空氣無影響。隧道外氣壓為101.325 kPa，隧道內(nèi)設(shè)計(jì)氣壓為100.6 kPa，隧道環(huán)境空氣濕球溫度為26.28 ℃，干球溫度為32.11 ℃，壁面摩阻損失系數(shù)為0.023。

3.1 南線隧道各車速模擬

根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)形式建立南線隧道通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算節(jié)點(diǎn)圖，如圖2所示。

表5 風(fēng)機(jī)種類及參數(shù)Table 5 Types and parameters of fans

圖2 南線隧道通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算節(jié)點(diǎn)Fig.2 Calculation nodes of south line tunnel ventilation network

為滿足隧道需風(fēng)量要求，運(yùn)用SES軟件進(jìn)行多次計(jì)算調(diào)整，確定南線隧道在不開啟風(fēng)井軸流風(fēng)機(jī)和使用風(fēng)井軸流風(fēng)機(jī)時(shí)，各車速工況下隧道內(nèi)風(fēng)機(jī)開啟數(shù)量及分布情況，如表6所示。南線隧道各匝道與主線隧道風(fēng)量計(jì)算結(jié)果如表7—8所示。車速為20 km/h時(shí)的風(fēng)量分配如圖3—4所示。

表6 南線隧道不同車速工況下射流風(fēng)機(jī)開啟數(shù)量Table 6 Opening number of jet fans in south line tunnel

表7 南線隧道(風(fēng)井不開風(fēng)機(jī))各匝道與主線隧道風(fēng)量計(jì)算結(jié)果Table 7 Calculation results of air volume of each ramp and main tunnel in south line tunnel (no axial flow fan)

表8 南線隧道(風(fēng)井開風(fēng)機(jī))各匝道與主線隧道風(fēng)量計(jì)算結(jié)果Table 8 Calculation results of air volume of each ramp and main tunnel in south line tunnel (with axial flow fan)

圖3 風(fēng)井不開風(fēng)機(jī)、車速為20 km/h時(shí)南線隧道風(fēng)量分配圖Fig.3 Air distribution in south line tunnel when axial fan is not turned on and travel speed of 20 km/h

圖4 風(fēng)井開風(fēng)機(jī)、車速為20 km/h時(shí)南線隧道風(fēng)量分配圖Fig.4 Air distribution in south line tunnel when axial fan is turned on and travel speed of 20 km/h

表6所示即為南線隧道在不使用排風(fēng)井軸流風(fēng)機(jī)和使用排風(fēng)井軸流風(fēng)機(jī)時(shí)，為滿足隧道內(nèi)通風(fēng)需求，使用射流風(fēng)機(jī)數(shù)量最少的開啟方案。由表6可知，在車流量不變的情況下，隨著車速的增加，南線隧道內(nèi)風(fēng)機(jī)開啟數(shù)目減少，表明活塞風(fēng)對(duì)隧道氣流有一定影響；開啟軸流風(fēng)機(jī)后，隧道內(nèi)使用射流風(fēng)機(jī)總臺(tái)數(shù)減少。對(duì)于D和M 2個(gè)出口匝道，車輛行駛產(chǎn)生的活塞風(fēng)對(duì)匝道通風(fēng)排污量的影響不足，需通過布置射流風(fēng)機(jī)引導(dǎo)匝道通風(fēng)排污。

南線隧道各車速工況下的裝機(jī)功率如圖5所示。通過圖5中電機(jī)總功率的比較，可以看出在特長隧道南線工程中，當(dāng)車速為50 km/h時(shí)，全程射流風(fēng)機(jī)縱向通風(fēng)裝機(jī)功率比開啟軸流風(fēng)機(jī)后的配置方案小；其余行車工況下，開啟903風(fēng)井軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行排風(fēng)的總裝機(jī)功率比全程射流風(fēng)機(jī)縱向通風(fēng)裝機(jī)功率小。

圖5 南線隧道各車速工況下的裝機(jī)功率Fig.5 Installed power of south line tunnel under different vehicle speed conditions

南線隧道共有5條匝道，其中B、F、I匝道均為入口匝道，D、M匝道均為出口匝道。入口匝道和主線入口引入新風(fēng)，出口匝道和主線出口分散排污，降低了主線隧道后半段內(nèi)污染物體積分?jǐn)?shù)，減緩了隧道洞口附近的環(huán)境壓力。通過計(jì)算得出，不同車速工況下，使用隧道風(fēng)井軸流風(fēng)機(jī)和不使用隧道風(fēng)井軸流風(fēng)機(jī)時(shí)各隧道洞口的排污比例，如表9所示。903風(fēng)井軸流風(fēng)機(jī)開啟排風(fēng)后，各匝道與主線出口的排污比例均略有下降，洞口附近污染物體積分?jǐn)?shù)下降，環(huán)境壓力得到減緩。

在使用903風(fēng)井軸流風(fēng)機(jī)時(shí)，在最不利工況(阻滯工況)下南線隧道各節(jié)點(diǎn)污染物分布情況計(jì)算結(jié)果見表10。

表9 使用和不使用軸流風(fēng)機(jī)情況下南線隧道洞口排污比例Table 9 Discharge ratio of pollutants in entrance/exit of south line tunnel

表10在使用軸流風(fēng)機(jī)阻滯工況下南線隧道各節(jié)點(diǎn)污染物分布情況
Table 10 Distribution of pollutants of south line tunnel under condition of block

位置CO體積分?jǐn)?shù)(×10-6)煙霧濃度/m-1B匝道與主線合流點(diǎn)32157.90.005 2 D匝道與主線分流點(diǎn)35174.0 0.006 7F匝道與主線合流點(diǎn)361 68.3 0.006 1I匝道與主線合流點(diǎn)37158.60.005 3排風(fēng)井與主線分流點(diǎn)38159.3 0.005 3M匝道與主線分流點(diǎn)39175.9 0.006 8主線出口41192.3 0.008 3D匝道出口61178.1 0.007 0M匝道出口641104.2 0.009 4903排風(fēng)井59.0 0.005 3

由表10可知，CO體積分?jǐn)?shù)和煙霧濃度最高點(diǎn)在M匝道出口處，分別達(dá)到104.2×10-6和0.009 4 m-1，略超出隧道污染物設(shè)計(jì)體積分?jǐn)?shù)。主要因?yàn)镸匝道長度較長，本身需風(fēng)量較大；且M匝道排污比例達(dá)到30%左右，實(shí)際通風(fēng)風(fēng)流中污染物體積分?jǐn)?shù)也較高。若增加射流風(fēng)機(jī)的開啟數(shù)量以滿足M匝道通風(fēng)需求，會(huì)極大地增加隧道通風(fēng)能耗，僅M匝道出口污染物體積分?jǐn)?shù)略超出設(shè)計(jì)值，建議考慮忽略不計(jì)。

因此，在南線隧道運(yùn)營過程中，高峰時(shí)期正常行車工況下，無需使用軸流風(fēng)機(jī)，開啟部分射流風(fēng)機(jī)即可滿足隧道通風(fēng)需求；當(dāng)車輛緩慢行車或阻滯行車時(shí)，需開啟903風(fēng)井軸流風(fēng)機(jī)，并按設(shè)計(jì)開啟相應(yīng)射流風(fēng)機(jī)輔助通風(fēng)，保障行車環(huán)境。

3.2 北線隧線各車速模擬

北線隧道通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算節(jié)點(diǎn)如圖6所示。

圖6 北線隧道通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算節(jié)點(diǎn)Fig.6 Calculation nodes of ventilation network of north line tunnel

運(yùn)用SES軟件進(jìn)行多次計(jì)算調(diào)整，確定北線隧道在不開啟軸流風(fēng)機(jī)和開啟軸流風(fēng)機(jī)時(shí)不同車速工況下隧道內(nèi)風(fēng)機(jī)開啟數(shù)量及分布情況，如表11所示。北線隧道各匝道與主線隧道風(fēng)量計(jì)算結(jié)果如表12—13所示。車速為20 km/h時(shí)風(fēng)井開風(fēng)機(jī)和風(fēng)井不開風(fēng)機(jī)情況下北線隧道風(fēng)量分配分別如圖7和圖8所示。各車速工況下使用和不使用軸流風(fēng)機(jī)情況下隧道洞口排污比例見表14。

表11 北線隧道不同車速工況下射流風(fēng)機(jī)開啟數(shù)量Table 11 Opening number and distribution of jet fans in north line tunnel

表12 北線隧道(風(fēng)井不開風(fēng)機(jī))各匝道與主線隧道風(fēng)量計(jì)算結(jié)果Table 12 Calculation results of air volume of each ramp and main tunnel in north line tunnel (no axial flow fan)

表13 北線隧道(風(fēng)井開風(fēng)機(jī))各匝道與主線風(fēng)量計(jì)算結(jié)果Table 13 Calculation results of air volume of each ramp and main tunnel in north line tunnel (with axial flow fan)

圖7 風(fēng)井不開風(fēng)機(jī)、車速為20 km/h時(shí)北線隧道風(fēng)量分配圖Fig.7 Air distribution in north line tunnel when axial fan is not turned on and travel speed of 20 km/h

圖8 風(fēng)井開風(fēng)機(jī)、車速為20 km/h時(shí)北線隧道風(fēng)量分配圖Fig.8 Air distribution in north line tunnel when axial fan is turned on and travel speed of 20 km/h

表14 使用和不使用軸流風(fēng)機(jī)情況下北線隧道洞口排污比例Table 14 Discharge ratio of pollutants in entrance/exit of north line tunnel with and without axial fans

北線隧道出口匝道數(shù)量多于入口匝道，車輛行駛產(chǎn)生的活塞風(fēng)不能滿足隧道需風(fēng)量要求，因此在各行車工況下均需開啟射流風(fēng)機(jī)。經(jīng)計(jì)算，匝道E和O 2個(gè)出口匝道變?yōu)檫M(jìn)風(fēng)口，風(fēng)流方向與行車方向相反。

由表11可知，各行車工況下，軸流風(fēng)機(jī)開啟后，隧道內(nèi)射流風(fēng)機(jī)開啟數(shù)量未明顯下降。由表14可知，風(fēng)井804軸流風(fēng)機(jī)開啟后，由于風(fēng)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顯。

北線各車速工況下的裝機(jī)功率如圖9所示。由圖9可知，在不同行車工況下，隧道全程射流風(fēng)機(jī)縱向通風(fēng)時(shí)總裝機(jī)功率比開啟804風(fēng)井軸流風(fēng)機(jī)后的總裝機(jī)功率小。在不使用軸流風(fēng)機(jī)時(shí)，在阻滯工況下北線隧道各節(jié)點(diǎn)污物分布情況見表15。由表15可知，在不使用軸流風(fēng)機(jī)時(shí)，北線隧道CO體積分?jǐn)?shù)和煙霧濃度最高點(diǎn)(阻滯工況)位于O匝道與主線合流點(diǎn)，CO體積分?jǐn)?shù)和煙霧濃度分別為99.2×10-6和0.008 9 m-1，均符合設(shè)計(jì)要求。

圖9 北線各車速工況下的裝機(jī)功率Fig.9 Installed power of north line tunnel under different vehicle speed conditions

表15在不使用軸流風(fēng)機(jī)阻滯工況下北線隧道各節(jié)點(diǎn)污染物分布情況
Table 15 Distribution of pollutants in north line tunnel under condition of block when axial fan is not turned on

位置CO體積分?jǐn)?shù)(×10-6)煙霧濃度/m-1J匝道與主線合流點(diǎn)12128.90.002 6G匝道與主線分流點(diǎn)14149.30.004 4E匝道與主線合流點(diǎn)15165.60.005 9C匝道與主線合流點(diǎn)16144.60.004 0排風(fēng)井與主線分流點(diǎn)19159.80.005 4A匝道與主線分流點(diǎn)20159.20.005 3O匝道與主線合流點(diǎn)22199.20.008 9主線出口23180.90.007 3G匝道出口52158.70.005 3A匝道出口56168.30.006 1

因此，北線隧道交通高峰期通風(fēng)運(yùn)營時(shí)，根據(jù)不同行車工況，按表11所示開啟相應(yīng)隧道段的射流風(fēng)機(jī)時(shí)，隧道總裝機(jī)功率小。污染物主要從隧道出口排出，匝道起到輔助進(jìn)風(fēng)和分散排污作用。

4 結(jié)論與討論

采用SES通風(fēng)模擬軟件，對(duì)某特長城市復(fù)雜隧道在不同行車工況下的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行模擬，得出以下結(jié)論：

1)對(duì)于該特長城市隧道，在正常車速工況下，可不開啟通風(fēng)系統(tǒng)。經(jīng)計(jì)算表明，在正常車速工況下，可能存在汽車行駛產(chǎn)生的活塞風(fēng)不能滿足隧道通風(fēng)需風(fēng)量要求的情況，需根據(jù)不同行車工況，開啟相應(yīng)部分射流風(fēng)機(jī)和軸流風(fēng)機(jī)，使之滿足要求。

2)對(duì)于該特長城市復(fù)雜隧道，在正常工況(50 km/h)下，南線隧道可采取全程射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)，其他車速工況下需開啟903風(fēng)井軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行排風(fēng)；北線隧道采用全程射流風(fēng)機(jī)縱向通風(fēng)。

3)針對(duì)特長城市隧道，設(shè)置多風(fēng)井和多匝道，通過風(fēng)井集中排放和匝道分流，可降低隧道內(nèi)污染物的體積分?jǐn)?shù)，為行車提供良好的環(huán)境。對(duì)于該特長城市復(fù)雜隧道，按原計(jì)劃在阻滯工況下，僅使用多風(fēng)井集中排風(fēng)排污效果并不明顯，隧道通風(fēng)能耗大；排風(fēng)井離隧道主線出入口過近，其排污效果也會(huì)降低，并會(huì)增大通風(fēng)能耗。本隧道的排風(fēng)井(如901、902、904、801、802、804風(fēng)井)，在正常運(yùn)營通風(fēng)時(shí)，不用作排風(fēng)，氣流從風(fēng)井外涌入隧道，排風(fēng)井作為進(jìn)風(fēng)井使用。建議可以考慮將部分中間段風(fēng)井設(shè)計(jì)為送風(fēng)井，以補(bǔ)足隧道對(duì)新風(fēng)的需求。

本特長城市復(fù)雜隧道的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和試驗(yàn)條件還不完善，未能進(jìn)行模擬試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析。在此研究基礎(chǔ)上，下一步可以考慮環(huán)境風(fēng)速的影響，并結(jié)合洞口環(huán)境情況和環(huán)境評(píng)價(jià)報(bào)告對(duì)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行策略作進(jìn)一步研究。