第五讲高速公路隧道营运通风

注：隧道长度为1000m~3000m时，可按插值法取值
2
交通阻滞（平均车速为10km/h时）时，阻滞段的平 均CO设计浓度可取300ppm，经历时间不超过20min。
运营通风的设计和计算
工程实践表明，在目前的规范规定的标准下，多数情况下长大公
路隧道需风量的确定时常以稀释烟雾的需风量起控制作用。
柴油机车排放的高浓度黑烟，降低了能见度，影响视野，是烟雾
运营通风的设计和计算
QCO
n 1 qCO f a f d f h f iv L N m f m 6 3.6 10 m 1
考虑CO的车况系数 车密度系数
考虑CO的海拔高度系数
考虑CO的车型系数 考虑CO的纵坡—车速系数
L
n
隧道长度
车型类别数，分大、中、小型车则n取3 相应的车型的设计交通量（辆/h）
隧道长度（m） CO 设计浓度（ppm） ≤1000 250 ≥3000 200
注：隧道长度为1000m~3000m时，可按插值法取值
2 交通阻滞（平均车速为10km/h）时，阻滞段的平均CO设 计浓度可取300ppm，经历时间不超过20min。
2、洞内营运环境卫生标准 （公路隧道通风照明设计规范）
污染物的主要来源，而汽油车的烟雾排放量只有柴油车的几十分之一，
所以考虑烟雾排放一般只考虑柴油车。
《规范》给出的烟雾排放量按下式计算：
nD 1 QVI qVI f a (VI ) f d f h (VI ) f iv (VI ) L N m f m(VI ) 6 3.6 10 m 1
运营通风的设计和计算
Qreq ( CO) QCO

p0 T 6 10 p T0
δ p
CO 的设计浓度
标准气温（K），取273K T 隧道夏季的设计气温（K）
CO设计浓度（δ）：
1 全横向通风方式与半横向通风方式时，CO设计浓度如下 表（采用纵向通风方式时可按下表各值提高50ppm取值）
部山区隧道而言，隧道长度在 5000 米－ 6000 米之间
时也有采用全射流纵向式通风的可能，而长度在
6000米以上的公路隧道中，主要采用竖井送排式分
段纵向通风。
第五讲
高速公路隧道营运通风
营运通风的目的及卫生标准
营运通风的主要方式
主 要 内 容
营运通风的设计和计算
营运通风控制系统
三、运营通风的设计和计算
[3] 何川等，公路隧道前馈式智能通风控制系统，科学出版 社，2014
一、高速公路隧道运营通风目的及卫生标准
1、通风的目的
高速公路隧道在运营期间为什么要进行通风？
车辆在隧道中行驶的过程 中，会排出大量的有害气体 和烟雾，有害气体一方面致 使洞内空气恶化，不仅会影 响驾乘人员的舒适感，还会 对其身体健康 造成损害； 另一方面洞内大量洞内大量 烟雾使能见度降低，给行车 带来直接威胁。 因而需要对 运营隧道进行通风。
（1）纵向通风
基本特征：通风风流沿隧道纵向流动。
全射 流式
集中送 入式
纵向 通风
集中排 出式 竖井送 排式
工程造价较低；营运期间开支降低；无新鲜风补给，有一定的适应长度。
全射流通风方式
指通过设置在隧道内的风机产生的通风压力使新鲜空气 通过隧道口进入隧道并沿隧道轴线流动的通风方式。
射流风机
射流风机是一种开放进、出口的特殊轴流风机，与普通风 机相比，它具有体积小，出口风速高，价格便宜的特点。
运营通风的设计和计算
1 QVI qVI f a (VI ) f d f h (VI ) f iv (VI ) L N m f m(VI ) 6 3.6 10 m 1
nD
考虑烟雾的车况系数
考虑烟雾的海拔高度系数
考虑烟雾的车型系数 考虑烟雾的纵坡—车速系数 L n 隧道长度 柴油车车型类别数，分大、中、小型车则n取3 相应的车型的设计交通量（辆/h）
Z
隧道两洞口间的高差
运营通风的设计和计算
水平气压差 大范围的大气中，由于空气温度、湿度等的差别， 同一水平面上的大气压力也有差别，这种差别在气象上以 气压梯度来表示，其数值可从气象资料获得。 隧道两洞口外温度湿度的差别，会产生空气容重的 差别而产生洞口间的水平压差，该压差也可说是隧道位置 的局部气压梯度。 隧道外大气自然风 隧道外吹向隧道洞口的大气风，遇到山坡后，其动压头 的一部分可转变为静压力，此部分动压头的计算方法，根据 隧道外大气自然风的风向与风速计算。
（3）半横向式通风 基本特征：由隧道通风道送风或排风，由洞口
沿隧道纵向排风或抽风 。这样风流既有部分平行
于行车方向，也有部分垂直于行车方向。
送风半横向式
半横 向式 通风
排风半横向式
送风半横向式
排风半横向式
送风半横向式
（4）组合式通风
基本特征：组合式通风为采用两种及两种以上基
本通风方式进行组合的通风方式。 常见的组合方式： • 纵向通风与半横向排烟的组合 • 全射流通风与竖井送排的组合
二、高速公路隧道运营通风的主要方式
二、高速公路隧道营运通风的主要方式
全射流纵向通风 自然通风 纵向通风 集中送入式通风 集中排出式通风 竖井送排式通风 横向通风 机械通风 送风半横向式 半横向通风 排风半横向式 组合通风
隧道 通风 方式
自然通风
自然通风是一种最简单也是最经济的纵向通风的方式。 它是靠自然风力产生的通风压力迫使隧道内空气沿隧道轴线 流动，就能达到通风的目的。 自然风大小方向不稳定; 适用于长度较短，交通量较小的隧道中。 采用机械通风辨别式： L· N >= 2×106 L - 隧道长度(m)； N - 设计交通量(辆/h)。
公路隧道运行通风的目的主要有： 1. 对有害气体（主要是CO）进行稀释，保证隧道内 卫生条件； 2. 对烟雾进行稀释，保证洞内行车安全；
3. 对异味进行稀释，提高隧道内行车的舒适性。
2、洞内营运环境卫生标准 （公路隧道通风照明设计规范）
CO设计浓度(δ)：1m3空气中二氧化碳的体积表示
1 全横向通风方式与半横向通风方式时，CO设计浓度如下 表（采用纵向通风方式时可按下表各值提高50ppm取值）。
运营通风的设计和计算
作用在隧道内空气上的力主要有自然风压力、
交通通风力、射流风机的增压力以及各种通风阻力。
运营通风的设计和计算
温度差（热位差）
当隧道内外温度不同时，隧道内外空气的容重 就不同，从而产生空气的流动，用压差来表示称为 热位差。热位差压头计算式为
ptem a n Z
纵向通风与半横向排烟的组合 浙江括苍山隧道（长7930m）
全射流通风与竖井送排的组合 重庆铁峰山2#隧道（长6025m）
通风方式的选择 影响通风方式的选择的因素： 1. 隧道长度； 2. 隧道交通条件； 3. 隧道所处地层的地质条件； 4. 隧道所处地形和气象条件； 5. 工程造价。
合理的通风方式是可靠性高，建设安装方 便，投资小，隧道内环境好，对灾害适应 能力强运营费用低的通风方式。
（2）流体的流动为稳定流
流体隧道内流动过程中，任意一点的压力和流速不随时间变化，压力 和流速只是流动点坐标的函数。
（3）流体服从连续性定律
气体在宏观运动时，一般假定气体是由无间隙的质点连续组成，且该 质点的物理参数如压强、速度等则是空间和时间的连续函数。
（4）流体的流动遵守能量守恒定律
隧道内的气体在隧道内作渐变流动时，其压力与速度沿流程各段面的 变化（包括摩擦阻力损失）服从能量守恒。
烟雾设计浓度（k）：光线在烟雾中的透过率表示
1 烟雾设计浓度与 车速，光源 有关。烟雾设计浓度（钠光 灯源）如下表：
计算的行车速度（km/h） k（m ）
-1
100 0.0065
80 0.0070
60 0.0075
40 0.0090
2 当烟雾浓度达到0.012m-1 时，应采取交通管制等措施。
3 隧道内进行养护维修时，现场浓度不大于0.0035m-1 。
各种通风方式的比较
纵向式 特征 全射 流式 低 很好 不难 易 低 较大 不利 集中送 入式 一般 很好 一般 不易 一般 口部较大 不利 集中排 除式 一般 部分较好 一般 不易 一般 较小 有利 竖井送 排式 一般 很好 稍难 不易 一般 较小 一般 半横向式 全横向式 送风式 较高 较好 稍难 难 较高 小 一般 排风式 较高 不好 稍难 难 较高 小 有利 高 不好 难 难 高 小 有利
射 流 风 机
优点：设备费少，经济，易安装 缺点：噪音大
污染物浓度分布情况
在全射流纵向通风方式下，空气沿隧道纵向流动，新鲜空气 从隧道的一端进入，而从另一端排出。空气在隧道内的流动过程 中，不断地有车辆从中穿过并排除污染物，这样导致空气内的污 染物越积越多，到达出洞端时，空气中的污染物浓度达到了最大 值。
工程造价 交通风利用 技术难度 分期实施 运营费 洞内噪音 洞口环保
火灾排烟
不便
不便
较方便
较方便
方便
方便
有效
（5）发展趋势
长度大于10km公路隧道的通风方式
隧道名称 勃朗峰 弗蕾儒斯 圣哥达隧道 阿尔贝格 国家 法国-意大利 法国-意大利 瑞士 奥地利 长度(km) 11.6 12.9 16.9 13.9 建成年代 1965 1979 1980 1982 通风方式 横向 横向 横向 横向
（1）流体不可压缩
（2）流体的流动为稳定流 （3）流体服从连续性定律 （4）流体的流动遵守能量守恒定律
运营通风的设计和计算
（1）流体不可压缩
当作用在流体上压力变化时，随压力增加，流体体积减小，重度增大， 这种特性叫压缩性。 隧道内通风的压力一般都在常规范围内，温度和压 力变化不大，流体体积变化不大，所以假定流体为不可压缩的气体。
集中排出式与集中送入
集中排出式
集中送入式
污染物浓度分布情况
污染物 浓度
集中排出式
入口 出口
污染物 浓度
集中送入式
入口 出口
竖井送排式
污染物浓度分布情况
污染物 浓度
Βιβλιοθήκη Baidu入口
出口
（2）横向式通风 基本特征：分别设有送风道和排风道，通风风 流在隧道内做横向流动 。
（2）横向式通风
优点： • 风流，污染物，压力分布均匀 • 有利于防灾救援 缺点： • 截面较大，工程造价较高 • 施工困难
关越I
关越II Laerdal
日本
日本 挪威
10.9
11.0 24.5
1985
1990 2001
纵向
纵向 纵向
坪林
终南山
中国台湾
中国
12.9
18.0
2003
2005
纵向
纵向
可以看出：纵向式通风为公路隧道当前及将来
一段时间内的主流通风模式，其中全射流通风主要
适用于长度在 5000 米以下的高速公路隧道，对于西
运营通风的设计和计算
Qreq(VI )
知道需要多少空气以后，我们需要了解通风的 阻力及动力，怎么样让这些空气在隧道中流动 K 起来，达到通风的目的。
烟雾设计浓度不但与车速有关而且与亮度、光源有关。烟雾设 计浓度（钠光灯源）如下表
QVI K
运营通风的设计和计算 2.隧道空气流动的力学模型
在建立空气流动的力学模型前，还需进行 下面一些假定：
高 速 公 路 隧 道
主讲人：杨文波
土木工程学院
第五讲
高速公路隧道营运通风
参考文献
[1] 重庆交通科研设计院，公路隧道设计规范（JTG D70— 2004），人民交通出版社，2004
[2] 中华人民共和国交通部，公路隧道通风照明设计规范 （JTJ 026.1-1999），人民交通出版社，2000
汽车排放的污染物包括CO、NOx、CO2、SO2和烟雾等，其 中以CO和烟雾对隧道运营环境的影响较为突出。 CO的危害： CO进入人体过多，就会导致氧气在血液中的输送量不足，引 起头痛、眩晕、呕吐，严重时甚至引起昏迷、死亡。
烟雾的危害：
烟雾浓度主要影响行车安全。烟雾浓度越大，隧道内能见度 越低，增大行车的危险性。 若隧道内的换气频率过低，那么还会存在异味集聚，影响隧道 内司乘人员的舒适性。
英国Rotheritech 公路隧道虽然长度已经达到 1913m，但当时通过 的汽车数量较少，并未设置正规通风，自然通风就足够了。 1927年通车的美国纽约 Holland隧道2610m，就是世界上第一条设 置机械通风系统的公路隧道。
机械通风
纵向 通风
半横向 通风
机械 通风
横向 通风 组合 方式
运营通风的设计和计算 1.需风量的计算
前面已经提到，隧道营运的两大污染物
所以我就需得出稀释CO和烟雾的需风量
Qreq(CO)
Qreq(VI )
1.需风量的计算
隧道需风量主要以有害气体 与烟雾的排放量为依据的，计算
有害气体和烟雾的排放量是一个
重要环节，也是整个隧道通风系 统设计的基本依据。而有害气体 排放量计算中又以交通量 N 和有 害气体基准排放量 q 为最主要参 数。污染物排放量的计算需综合 考虑这两因素以及它们之间的匹 配关系。