浅谈交通工程隧道通风系统选用

浅谈交通工程隧道通风系统选用

随着交通系统的快速发展，隧道在现代交通中扮演着越来越重要的角色。为了确保行车安全，隧道通风系统的设计和选择变得至关重要。本文从交通量、隧道长度、地形、环境等多方面因素出发，详细探讨了各种隧道通风系统的选用原则和方法，为隧道工程的设计和实施提供了重要的参考依据。

1. 前言

公路隧道内对人体有害的气体，主要来自汽车排出的废气，其主要成分包括一氧化碳、氮氧化合物、碳氢化合物、醛类、有机化合物等，其中一氧化碳的危害最大。因此，一氧化碳作为有害物的主要指标。此外，车辆产生的烟雾及行驶时扬起的灰尘，会造成隧道内可见度降低。隧道通风的目的，是用新鲜空气来稀释隧道内汽车排出的废气，降低有害物质的浓度，并达到所要求的可见度，从而保证人体健康和车辆行驶安全。隧道通风系统应结合交通量、隧道长度、气象、地形、环境等因素，同时兼顾供电照明、通信监控、事故、火灾、工程造价和维修保养费用综合考虑。

2. 容许浓度与可见度

2.1 有害气体的计算

根据上海有关部门的研究，一氧化碳产生量的计算公式为：

式中：

• A：汽油含碳量（重量比），一般取A=0.855；
• E：汽车每公里耗油量（kg/km）；
• Vo：废气中一氧化碳所占的体积百分数；
• Vco：废气中二氧化碳所占的体积百分数；
• Pco：一辆汽车行驶1 km的一氧化碳产生量（耐m3/辆.km）。

日本用Pco=0.315f(L/辆·km)计算一氧化碳产生量，可作参考。该式中Pco为一辆汽车行驶1 km产生一氧化碳的平均值；f为燃料消耗率，f=0.105L/辆·km。此外，汽车一氧化碳产生量还与发动机的类型、汽车保养程度、车速、道路状况、坡度和驾驶技术等有关，如根据国际道路会议常设协会(PLARC)资料，坡度为5%时，一氧化碳排放量增加5%，一氧化氮排放量增加84%，烟雾排放量（车速为30km/h）增加160%。

2.2 容许浓度与可见度要求

2.2.1 隧道内一氧化碳(CO)容许浓度

• 隧道内工作人员长期停留的工作间、休息室和控制室等为24ppm。
• 正常营运时为150ppm。
• 发生事故时，短时间（15min）以内为250ppm。

2.2.2 隧道内烟尘容许浓度

• 高速公路，一、二级公路隧道为75%。
• 三、四级公路隧道为90%。

2.2.3 可见度要求

在路面平均照度30勒克斯情况下，光透过率:=65%，即隧道内稍有薄雾，视力1.5者在75m距离内看车和人清楚，视力0.7者在50m距离内看车清楚，隧道内有舒适感。日本规定：在平坦的隧道内，车速为40一60km/h，正常情况下，一氧化碳及尘烟浓度标准见表1。欧洲和美国的标准是l00ppm,在第13届国际道路会议上，曾建议在正常交通状态下，一氧化碳浓度为70一100ppm,当发生交通阻塞时，在 15min内允许达到250ppm。可见，我国的标准有点偏低，随着高等级公路隧道的发展及交通量的增加，建议一氧化碳容许浓度不超过l00ppm为宜。

3. 通风量和风压

隧道内所需通风量，应根据稀释隧道内空气中的有害物浓度达到允许浓度时所需的新鲜空气量来确定。对于一氧化碳和尘烟，以稀释二者达到容许浓度所需的通风量，取其大者为设计通风量。隧道内稀释一氧化碳所需的新鲜空气量可按下式计算：可参阅<<公路隧道设计规范>>。日本采用的计算方法是,在平坦隧道,行车速度为40~60km/h时：

4. 通风方式的选择

目前各国公路隧道通风方式的选择，主要根据隧道长度和交通量大小来确定。一般隧道长度在200m以下甚至200~300m时，在一定的交通量以下，可采用自然通风。当LN>600时，采用机械通风，式中L为隧道长度(km), N为隧道高峰小时交通量(辆/h)。

根据空气在车道空间流动的方向，机械通风的方式可分为：纵向通风、横向通风、半横向流人通风和半横向流出通风。

4.1 纵向通风

纵向通风系统即利用隧道作通风道，一端送风，另一端排风，或两端进风，中间竖井排风。由热压、风压和洞门附近的大气压产生的局部压力差称为自然压力差，以Pe表示，自然压力差对纵向通风系统影响最大，可能严重阻碍气流，甚至会使气流倒流。因此，纵向通风系统必须安装自动操纵换向装置。通过竖井进出风的纵向通风系统，在有压力差的情况下，不能全靠提高通风机压力或使气流换向，必须增加空气总用量L。对通风机从隧道较长支路一侧产生的气流来说，如图2，自然压力差Pe的反作用将是不利的。这条长度为lt的支路，其阻力与Pe之和将等于长度为12的另一条支路的阻力：

式中：

• k：单位长度隧道气动阻力系数；
• L1：支路l1稀释有害物质所需用的空气量。

L1=(ql1)/Cm

式中q：单位长度隧道内有害物质的排放强度(假定有害物质排放均匀分布,下同)
Cm：隧道空气中有害气体的容许浓度。

由此得：

沿较长支路I，有害气体的浓度：

Cx=qx/L1

沿较短支路12,有害气体的浓度：

上述两式中x的值从竖井与隧道的交点起向右或向左计算.

4.2 横向通风

横向通风是沿隧道均匀地抽出和输入等量空气，在整个隧道上不会产生压力差.因此，自然压力差附加到横向压力上并不会影响空气的轴向对流，也就不会降低通风效果.设汽车排出的废气为q并均匀地分布在隧道全长上，则横断面x和(x+△x)之间有害物质的平衡方程式为：

Cx Le + q·△x=(Cx+△C)·Le+ (Cx + △C)Lb △x

式中：

• Le：在自然压力差作用下进人隧道的轴向气流；
• △C：△x区段上有害物质浓度的增值；
• Lh：无风时通风系统产生的隧道单位长度的横向气流.

微分方程为：

由此得出：

由上式可以得出如下结论：吹入的轴向气流Le越强，有害物质的浓度就越低；无论在隧道的哪一段，有害物质都不会超过q/Lb值，即不会超过无风时的浓度.

4.3 半横向通风

半横向流人通风的传统方案如图4所示.风从与隧道平行的平洞或专门的风道进人洞内，并沿隧道长度均匀供风，空气在洞内的剩余压力作用下经洞门排出.因此，采用半横向通风时，隧道内产生轴向气体气流，并受到自然压力差的形响.排出的有害气体如为均匀分布，则其浓度沿隧道长度不变，这时，空气总用量可按下面的公式计算：

式中：

• l：隧道长度.

自然压力差的作用，破坏了气流的对称性.最不利的自然压力差值是这样的：在其作用下空气既不能从隧道的一个洞门排出，又不能流人隧道。这时，洞内最大的剩余静压力为Ht= pe，该压力值定义为整个隧道的气动全阻力，注意到Lx=L x/1，则得：

如无自然压力差，就应沿隧道长度的一半求积分，得：

由此可见，在选择通风机时，半横向通风系统的自然压力差可按隧道气动阻力增大8倍的方法进行计算.也就是说，无论自然压力差值多大，为了保证所需的通风效果，通风机的压力系数为10%-15%实际上就足够了.

半横向流出通风仅能作为一种应急通风系统，在发生火灾或其他危急情况时，将半横向流人通风系统反向，关闭一部分进风管道，便得到半横向流出通风系统.在正常情况下，不使用这种通风系统.

4.4 各通风系统比较

4.4.1 纵向通风系统

• 能充分发挥汽车活塞风作用，所需通风量较小；
• 无需额外通风渠道，隧道断面小，工程费用低，因而比较经济；
• 靠近送风口空气新鲜，随着空气流动，距离送风口越远，空气越不新鲜，污染也就越严重，如果要求一氧化碳达到允许浓度，通风量必然要加大，新鲜空气没有得到充分利用；
• 以隧道作通同道(规定气流速度l0m/s)，汽车司机有不适之感；
• 由于存在烟囱效应，对控制火灾不利，往往需要避车洞.

4.4.2 全横向通风系统

• 隧道全长空气污染程度均匀，新鲜空气得到充分利用；
• 隧道纵向无气流动，驾驶人员无不舒适感，同时有利于防火；
• 隧道长度不受限制；
• 投资及运行费用高。

4.4.3 半横向通风系统

• 由于没有专门的排风道，比全横向系统节省了投资；
• 利用车道排风，减少了排风系统阻力，可降低排风机电机容量；
• 气流在隧道内呈部分流动，对防火不利。

对通风方式的选定，除应考虑隧道长度和交通条件外，还须结合地形、周围环境以及交通停滞或火灾等非常情况的适应性和隧道工程费和维修保养费等因素做比较后决定。

5. 隧道通风方式的发展趋势

公路隧道的各种通风方式，对一般隧道传统适用长度界限如下：纵流式通风约2000m以下；半横流式通风约3000m以下；横流式通风约2000m以上。由于纵向通风显著的经济优越性，近年来在国际上得到日益广泛的采用，随着射流通风技术的日臻完善，在2km以上的公路隧道中采用纵向通风已日益增多，据不完全统计，欧美和日本已有39座2km以上的长隧道采用了射流纵向通风方式。日本第二新神户隧道，全长7175m,采用单井吸出式射流纵向通风，配以良好的消音、除尘装置及监控、消防、照明系统，完全达到横向通风的使用要求和安全环保要求。我国成渝高速公路上的中梁山隧道(左3165m，右3103m), 络云山隧道(左2528m,右2478m)打破2km限界，大胆变更半横向通风为射流式纵向通风，取得了显著的经济效益；在技术上也受到国内外专家的充分肯定。在目前国家财力有限的情况下，中长距离隧道应积极推广射流式纵向通风方式。