双向行车特长公路隧道通风方案网络分析_曾艳华

（１）风 路 的 相 对 风 流 稳 定 系 数 。
Ｆ＝ （ｆ１ ，ｆ２ ，… ，ｆｎ）
（３）
ｆｉ＝
（ｑｉ－ｑｉ０） ｑｉ
（４）
式中：ｆｉｊ＞０，表 示 风 量 的 改 变 为 增 加；ｆｉｊ ＝０， 表示风量 的 改 变 为 减 少；ｆｉｊ ＜０，表 示 风 量 没 有 改 变；Ｆ 为风流的相对稳定程度系数矩阵，反映了风流
开启５号横 通道方案
开启３号、５号、 开启１号、３号、５号、 ７号横通道方案 ７号、９号横通道方案
轴 流 风 机 风 压／Ｐａ 轴 流 风 机 风 量／（ｍ３／ｓ）
轴 流 风 机 功 率／ｋＷ 风 机 台 数／台 总 功 率／ｋＷ
１ ７６０ １２０ ３５０
４ １ ４００
１ ４２０ １２０ ２８０
上述的四个指标可以对某单一因素影响下不同 的通风网络的风流稳定性进行相互比较。
２ 白 芷 山 隧 道 通 风 方 案 分 析 如图 １ 所 示，白 芷 山 主 隧 道 与 平 导 间 设 置 ９ 条
横 通 道 ，根 据 开 启 横 通 道 条 数 和 位 置 的 不 同 ，提 出 以 下３个通风方案。
将以重庆 市 城 口 县 至 万 源 市 二 级 公 路 白 芷 山 隧 道 （６ ７１０ｍ，单 洞 双 向 行 车，纵 坡 ２．５５％）为 工 程 依 托，展开平导压入分 段 纵 向 式 通 风 开 启 不 同 横 通 道 方案的对比研究，拟 通 过 通 风 网 络 的 稳 定 性 及 运 营 能 耗 比 较 ，提 出 白 芷 山 隧 道 的 优 化 通 风 方 案 。
关键词：公路隧道；运营通风；通风网络；平导压入分段；纵向式通风
近年来，西部 地 区，受 地 形、埋 深 及 交 通 量 的 限 制，在４ｋｍ 以上双向行 车 的 特 长 公 路 隧 道 中，平 导 压入分段纵向式通风开始采用。该通风方式有效利 用 了 平 行 导 坑 ，具 有 良 好 的 防 灾 效 果 ，愈 来 愈 受 到 关 注 。 ［１］ 川藏公路二 郎 山 隧 道 （４ １７６ ｍ）是 首 次 采 用 平 行 导 坑 通 风 的 公 路 隧 道 ［２，３］，国 道３１７ 线 鹧 鸪 山 隧 道（４ ４２３ｍ）是 采 用 该 通 风 方 式 的 第 二 座 隧 道 。 ［４，５］ 尽管二郎山隧道和鹧鸪山隧道采用了相同的通风方 式，但两隧道开 启 横 通 道 的 方 式 不 同。 二 郎 山 隧 道 将１４条横通道全 部 打 开，运 营 通 风 能 耗 小，隧 道 中 部及各横通道的风 流 控 制 难；鹧 鸪 山 隧 道 则 只 开 启 了中 间 的 １ 条 横 通 道 （鹧 鸪 山 隧 道 共 有 ９ 条 横 通 道），隧道内风流 控 制 简 单，但 运 营 能 耗 大。 因 此 如 何开启主隧道与平 导 之 间 的 横 通 道，减 小 隧 道 中 部 及 横 通 道 的 风 流 控 制 难 度 ，降 低 运 营 通 风 能 耗 ，是 该 通风方式推广应用中需解决的关键技术问题。论文
图 ２ 方 案 一 风 流 分 配
在 中 期 方 案 二 开 启 ３ 号、５ 号 和 ７ 号 横 通 道 以 后 ，风 流 通 过 轴 流 风 机 流 入 平 导 ，经 过 三 条 横 通 道 流 入主隧道；风流在网 络 中 自 由 分 配，如 图 ３ 所 示，由 于３号、７号横通道距离两端洞口 近，通 过 该 两 条 横 通道流入主隧道的风量 达 ３８０ ｍ３／ｓ，通 过 ４ 号 横 通
数字手段［６，７］，为 公 路 隧 道 运 营 通 风 及 火 灾 救 援 通 风研究提供了 新 方 法 。 ［８，９］ 平 导 压 入 分 段 纵 向 式 通 风 的 隧 道 内 风 流 的 分 汇 点 较 多 ，其 通 风 网 络 是 串 联 、 并联和角联三种单 元 组 成 的 复 杂 风 网，白 芷 山 主 隧 道与平导间设置９ 条 车 行 联 络 通 道，当 这 些 车 行 横 通 道 开 启 后 ，通 风 网 络 如 图 １ 所 示 。
ｊ＝１
ｎ
ｎ
ｎ
ｎ
∑ ∑ ∑ ∑ ｈｉｊ ＝
Ｈｆｔｉｊ ＋ｐｍｉ ＋ ｐＪｉｊ ＋ ｐｔｉｊ
ｊ
ｊ
ｊ
ｊ
（ｊ∈ｉ，ｉ＝１，２，…，ｎ－ｍ ＋１）
（２）
基 金 项 目 ：教 育 部 创 新 团 队 发 展 计 划 资 助 项 目 ，项 目 编 号ＩＲＴ０９５５；重 庆 市 交 委 科 技 项 目 资 助 项 目 ，项 目 编 号 ２０１０－２
— ２１０ — 公 路 ２０１３年 第２期
别 降 低 ２５％ 、４０％ ，远 期 能 耗 的 降 低 明 显 大 于 中 期 。 ２．２ 各 通 风 方 案 的 稳 定 性 分 析
４ １ １２０
１ ２８０ １２０ ２５０
４ １ ０００
２ ０４８ ９７ ３３５ ６
２ ０１０
１ ５００ １００ ２５０
６ １ ５００
１ ２７０ ９８ ２００ ６
１ ２００
从表１可以看出，在白芷山隧道中，随着开启横 开启３条和５条横通道方案与开启１条横通道方案 通道条数 的 增 加，隧 道 内 轴 流 风 机 的 能 耗 在 降 低。 相比，中期能耗分别降 低 ２０％、２８．５％，远 期 能 耗 分
公 路 ２０１３ 年 ２ 月 第 ２ 期
ＨＩＧＨＷＡＹ Ｆｅｂ．２０１３ Ｎｏ．２
文 章 编 号 ：０４５１－０７１２（２０１３）０２－０２０７－０６ 中 图 分 类 号 ：Ｕ４５３．５ 文 献 标 识 码 ：Ａ
双向行车特长公路隧道通风方案网络分析
曾 艳 华１， 胡 百 万２， 周 小 涵１， 陈 中 学２， 刘 彦 波２
２０１３ 年 第 ２ 期 曾 艳 华 等 ：双 向 行 车 特 长 公 路 隧 道 通 风 方 案 网 络 分 析 ８．１６ｍ２、１０．７０ｍ２ 时，隧道内的 风 流 分 配 如 图 ４ 所 示。此时的风流分配满足要求。
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方案三中为保证隧道内风流满足换气通风和稀 释 污 染 物 浓 度 的 要 求 ，在 １ 号 、３ 号 及 ５ 号 、７ 号 横 通 道中设置风门调 节。 中、远 期 隧 道 内 各 段 风 量 分 配
道流 入 主 隧 道 的 风 量 仅 １３３ ｍ３／ｓ，导 致 中 部 约 ２ ６００ｍ 长的隧道内风流速度仅１．０ｍ／ｓ，不能满足 换气通风 要 求。 为 保 证 隧 道 中 部 最 小 流 动 风 速 为 ２ｍ／ｓ 左右，需在３ 号 和 ７ 号 横 通 道 中 设 置 风 门 调 节，当 中、远 期 两 横 通 道 中 风 门 的 面 积 分 别 取 为
如图５ 所 示，其 中 １ 号、７ 号 横 通 道 中、远 风 门 面 积 分别为３．３１ｍ２、２．６３ｍ２；３号、７ 号 横 通 道 中、远 期 风 门 面 积 分 别 为 ５．２３ ｍ２、９．３３ ｍ２。
图 ５ 方 案 三 设 置 风 门 调 节 后 风 流 分 配
２．１．２ 不 同 通 风 方 案 的 能 耗 分 析 通过 上 节 的 通 风 网 络 分 析，对 轴 流 风 机 的 能 耗
些 风 路 的 风 量 减 少 ，甚 至 个 别 风 路 的 风 流 逆 转 。 对 一 通 风 网 络 ，原 始 风 量 矩 阵 为 ：Ｑ＝ （ｑ０１，ｑ０２，… ，
ｑｎ０），当某一 因 素 作 用 下，引 起 各 边 的 风 量 发 生 变 化， 变 化 后 的 风 量 矩 阵 为 ：Ｑ＝（ｑ１，ｑ２，… ，ｑｎ），则 对 网 络 进 行稳定性分析的计算特征值及定性稳定性指标如下。
１ 通 风 网 络 及 其 稳 定 性 １．１ 通 风 网 络 数 学 模 型
隧道通风网络分析是研究隧道通风系统的一种
图 １ 通 风 网 络
忽略 风 流 密 度 的 变 化，通 风 网 络 的 数 学 模 型 为
一 组方程 ： ［１０］
ｎ
∑Ｑｉｊ ＝０ （ｊ∈ｉ，ｉ＝１，２，…，ｍ －１） （１）
进行对比分析。三通风方案中远期轴流风机的工作 风 量 、工 作 风 压 及 功 率 及 台 数 见 表 １。
表 １ 白 芷 山 隧 道 轴 流 风 机 通 风 能 耗 比 较
项 目
中 期
远 期
方案
开启５号横 通道方案
开启３号、５号、 开启１号、３号、５号、 ７号横通道方案 ７号、９号横通道方案
的相对变化率。
（２）均 值 。
ｎ
∑ ｘ
＝
１ ｎ ｉ＝１
｜ｆｉ｜
（３）极 差 。
（５）
ｒ＝ｍａｘ｛ｆ１，ｆ２，…，ｆｎ｝－ｍｉｎ｛ｆ１，ｆ２，…，ｆｎ｝ （６）
（４）均 方 差 。
ｎ
槡 ∑ ｓ＝
１ ｎ－１ｉ＝１
（｜ｆｉ｜－ｘ）
（７）
其中稳定性系数 Ｆ 反映了网络中各风路的风 量受影响因素的 改 变 而 产 生 的 相 对 变 化 率，ｘ 反 映 了Ｆ 的相对变化率 的 平 均 程 度，ｒ 反 映 了Ｆ 的 相 对 变化率的波动程度，即波动范围，ｓ反映了Ｆ 的相对 变化率的散布程度。
隧道 正 常 运 营 的 通 风 状 况，在 一 定 条 件 下 处 于 相对 稳 定 状 态。 运 营 期 间，网 路 结 构、风 阻 分 布、通 风动力，自然风压等 因 素 的 变 化 都 可 能 使 网 络 中 风 流 的 分 配 状 况 发 生 变 化 ，使 某 些 风 路 的 风 量 增 长 ，某
（１．西 南 交 通 大 学 交 通 隧 道 工 程 教 育 部 重 点 实 验 室 成 都 市 ６１００３１；２．重 庆 市 交 通 规 划 勘 察 设 计 院 重 庆 市 ４０１１２１）
摘 要：白芷山隧道是重庆城万二级路上的单洞双向行车隧道，采 用 平 导 压 入 分 段 纵 向 式 通 风 。 运 用 通 风 网 络 理论，对白芷山隧道进行了开启不同横通道条 数 的 数 值 模 拟，比 较 了 各 通 风 方 案 的 通 风 能 耗 及 通 风 网 络 稳 定 性 。 研 究结果表明：白芷山隧道开启１条横通道、３条横通道及５条横通道的通风方案相比，开启１ 条 横 通 道 的 能 耗 最 大，后 两个方案中期能耗分别降低２０％、２８．５％，远期能耗分别 降 低 ２５％、４０％。但 从 网 络 的 稳 定 性 分 析，开 启 ５ 条 横 通 道 的通风方 案 的 稳 定 性 最 差，开 启 ３ 条 其 次，开 启 １ 条 最 稳 定。 综 合 考 虑，白 芷 山 隧 道 中 期 和 远 期 均 采 用 开 启 ３ 号、５ 号 、７ 号 横 通 道 的 通 风 方 案 。
收 稿 日 期 ：２０１２－０７－１７
— ２０８ — 公 路 ２０１３年 第２期
前者 是 满 足 风 量 平 衡 定 律 的 ｍ－１ 个 线 性 方 程，后者是满足风压平衡定律的ｎ－ｍ＋１ 个非线性 方程。以上ｎ 个方程有ｎ 个未知数，方程组有定解。 １．２ 通 风 网 络 的 稳 定 性 ［６］
方 案 一 ：开 启 ５ 号 横 通 道 的 通 风 方 案 ； 方案二：开启３号、５号、７号横通道的通风方案； 方案三：开启 １ 号、３ 号、５ 号、７ 号、９ 号 横 通 道 的通风方案。 其 中 方 案 二 、三 中 ，横 通 道 的 分 风 要 求 满 足 主 隧 道 内 各 段 的 风 速 不 小 于 ２．０ ｍ／ｓ（国 内 规 范 要 求 换 气 风 速 不 小 于 ２．５ ｍ／ｓ［１１］，而 ＰＩＡＲＣ２００４ 年 发 布 的 最 新 报 告 为 １．５ ｍ／ｓ，本 文 中 折 衷 取 ２．０ ｍ／ｓ［１２］）。 ２．１ 通 风 方 案 的 能 耗 分 析 ２．１．１ 各 方 案 风 流 分 配 根据 中 远 期 的 需 风 量 及 阻 力 损 失，方 案 一 满 足 隧道内各段需风量要求的风量分配如图２所示。计 算中，按 ＨＰ３ＬＮ２６号轴流风机的性能参数，中期平 导两端各两台轴流 风 机 并 联 工 作，而 远 期 则 各 设 三 台 并 联 工 作 ，其 余 方 案 相 同 。