特长隧道新建竖井引入自然风的通风节能分析

魏 杰

（山西昔榆高速公路有限公司，山西 晋中 030616）

0 引言

公路隧道运营过程中，车辆行驶会在隧道洞内产生大量废气，加之隧道内空间相对封闭，空气流通受限，导致行车的安全性及舒适性受到严重影响。设计过程中需采取有效措施控制和减少隧道内CO等各种有害气体及烟雾的浓度，为司乘人员及养护维修人员的身体健康提供保障。目前，短隧道一般采用自然通风；特长隧道需要采用机械通风，通过设置1座或多座斜竖井来满足通风或施工进度要求。在特长公路隧道通风计算中均以机械通风为主，将自然风压作为不利因素，但实际运营过程中，自然风在很大程度上对隧道通风是有利的[1-4]。因此，通风设计中，应结合隧道所处地域的地形、地貌，以及气候季节特点，对隧道运营后如何科学合理地利用自然风进行研究，将自然通风和机械通风相结合以满足隧道通风的设计要求。

本文以汾阳至邢台高速公路左权-和顺（省界）段的云山隧道为例，对特长公路隧道引入自然风进行通风节能计算分析。云山隧道设计为分离式隧道，设计行车速度80 km/h，隧道全长11 377 m（右线）/11 408 m（左线），左右线间距30～35 m，为特长隧道，是项目的重点控制性工程。通风方案采取一竖井+三斜井方案。

1 隧道洞内自然风速理论计算

隧道右线进出口高差153 m，有一处竖井、一处斜井。对无竖井及有竖井两种情况下超静压差、热位差及洞内自然风风量（速）计算。

1.1 有竖井和无竖井超静压差对比

表1 无竖井超静压差作用

表2 有竖井超静压差作用

1.2 隧道有无竖井作用效果的对比

通风量计算数据如表3、表4。

表3 隧道无竖井作用计算数据

表4 隧道有竖井作用计算数据

通过比较有无竖井隧道计算结果，可以看出在同样的洞内外温度条件下，有竖井隧道内各区段的风量远远大于无竖井隧道内的风量。因此，可以得知当隧道存在竖井时，温差作用下产生的热位差对洞内的风流影响很大，不仅改变隧道内各段的风量，还改变风流的方向。

2隧道自然风竖井直径及竖井位置的确定

2.1 自然风井断面的确定

计算不同直径的竖井内的通风量和风速，如表5所示。

表5 不同直径的竖井内的通风量和风速

根据以上计算可知，自然风竖井直径越大，竖井内自然风速就越大，但是当竖井直径达到3 m后，风速增长趋于平缓（如图2所示）。

图1 云山隧道斜竖井平面布置图

图2 竖井直径与风速关系图

因此在考虑提高自然风利用率，减少主隧道自然风阻，以及竖井经济性的情况下，建议采用直径为4 m以下的通风竖井作为引入自然风的竖井。本文取直径3 m的自然风井作为断面直径，断面形式取圆形，见图 3、图 4。

图3 竖井与隧道主洞联接处断面示意图

图4 自然风竖井及联络风道断面尺寸图（单位：cm）

竖井与隧道主洞之间距离尽可能近，竖井与主隧道之间用45°的联络风道联接，减小洞口损失，联络风道断面采用马蹄形[5-7]。

2.2 自然风井位置的选择

对于右线，从隧道入口处到1号竖井处距离较长，大约4 500 m，已接近规范规定分段式通风每段的极限长度；且右线本来就是处于上坡侧，在大型货车频繁出入的云山隧道将产生大量烟雾和废气，这需要很多射流风机来稀释。在施工条件及造价允许的情况下，为保证风量和风速平衡，考虑在此通风段中部选择竖井位置为最佳，此区域属于迎风面。作为典型，考虑在这一段中部左右位置新建竖井引入自然风，见图5。

图5 云山自然风竖井选址平面位置示意图

根据地形条件，考虑从该段中部位置向两侧每间隔一段距离取一个工况。因此，根据不同位置的可能性，共设置6个工况，根据纵断面图可以得出每个工况对应的竖井深度，如图6所示。

图6 云山隧道自然风竖井选址纵断面示意图

假设自然风通风竖井各种可能的最适宜井址处的不同地理位置，不同季节温度，根据自然风通风网络节点理论，利用计算机编程循环计算，分别计算出自然风竖井可能井址在不同气候条件下相对应的自然风速度和通风量，选出通风效率最高的情况，作为自然风井井址的最佳位置：右线入口大约2 200 m处（工况4），位于第一通风段中部，处于迎风面，风向常年稳定为西北风，根据此处海拔、温度、湿度可以计算出自然风竖井内风速平均能达到5 m/s左右，并且竖井深度约120 m，长度最短，成本最小，地质条件不复杂，施工难度不高。

3 隧道新建竖井引入自然风的运营通风节能方案模拟分析

3.1 原通风方案模拟

根据云山隧道右线1∶1建立整体隧道模型。右线长度11 377 m，单向人字坡，榆社端进口里程YK43+590，标高 1 219.45 m；和顺端出口里程YK54+967，标高1 325.21 m，采用3区段式通风，4号斜井、1号竖井送排式通风方案，均采用地下风机房。模型如图7所示。

图7 云山隧道1号竖井模型

基于CFD原理，获得竖井送排风口及风机房局部风速的计算结果，如图8所示。

图8 1号竖井送排风口及风机房局部风速图

在送风口，容易产生回流现象，而且由于截面突然变小，加上出风风速本身较大，在此区域风速极大，对壁口的撞击较大，能量损失也较大。风机房内射流风机主要提供x方向的推力，使得局部风速在短时间内增加到12～15 m/s，主要作用是提供推力将大量的新鲜风或者需要排除的废气贯入或者吸出主隧道。

3.2 引入自然风竖井方案模拟

在既有隧道的基础上新建自然通风竖井，在自然通风竖井进出口加以实践计算得到压差和温度差，其余边界条件和原始通风系统一致不改变。竖井高度120 m，直径取3 m，接口处成45°斜角，位于主隧道斜上方处。

图9 自然风竖井局部模型

自然风竖井不同断面的风速云图见图10。

图10 自然风竖井不同断面风速云图（单位：m/s）

图11 自然风竖井沿深度变化自然风风速值

由不同断面风速云图和沿程风速图可知，自然风在自然风竖井内风速较为稳定，而在竖井断面上的分布也并不紊乱，可以为主隧道提供持续且稳定的自然风。并且根据井位的选择，竖井深度只有120 m，沿程损失不大，在发生火灾后，竖井将会产生十分有效的烟囱效应，有助于防灾减灾。

由图12、图13可知，该方案各通风区段平均风速远超出设计风速，且也超出规范建议最优风速范围。因此，自然风的引入使通风系统的通风能力过剩，需作优化。

图12 竖井通入自然风后主隧道风速图（单位：m/s）

图13 通入自然风后主洞内风速沿隧道全程变化图

3.3 方案优化及结果对比

对比新旧通风方案的通风效率，发现在引入自然风后云山隧道右线44台射流风机通风能力过剩，通过计算在保持和原通风系统平均风速不变的情况下可以减少10到12台射流风机，如图14、图15所示，以此达到节能的目的。

图14 原通风系统风速全程变化图

图15 引入自然风系统风速全程变化图

将数值模拟结果与理论计算结果进行对比验证其正确性，见表6、表7。

表6 云山隧道各通风段平均风速理论计算和数值模拟结果对比m/s

表7 理论计算与数值模拟结果对比

理论公式计算结果和使用数值模拟软件FLUENT计算出来的各通风段平均风速结果较为接近，虽理论计算公式值大于数值模拟值，但两者误差小于15%，可认为数值模拟结果较为准确。

3.4 通风节能方案经济性评价

3.4.1 20年内的新方案和原方案运营总费用

经计算，20年内新方案和原方案运营总费用，如表8所列。

表8 节能通风方案与原通风方案20年运营总费用对比 万元

新方案每年可以节约324 000元，这相当于原通风方案每年总费用的9%到10%；如果考虑电费的动态增长在远期这一比率可以达到15%左右。

3.4.2 新建竖井造价

自然风竖井建设费用约2 261 563元，而新建自然风竖井每年可节省324 000元（减少10台风机）。在6～7年内就可以收回土建成本，如果考虑每年费用的动态上涨，回收周期将更短。

4 结语

本文以榆和高速公路云山特长隧道为依托，对特长公路隧道新建竖井引入自然风进行了分析，得到以下结论：

a）探明了超静压差与热位差对隧道自然风竖井通风效率的影响规律，结合提高自然风利用率和减少主隧道自然风阻，确定了最优竖井直径和断面形式。

b）采用通风网络节点理论，对不同地理位置、不同季节温度条件下自然风井内的风速和通风量进行了计算，探明了自然风井址的最佳选址位置。

c）基于对比分析，提出特长公路隧道新建竖井引入自然风辅助机械通风降低隧道运营通风能耗的节能方法，降低了后期运营通风能耗，节省了维护资金。