张华廷，毛伟
（中机中联工程有限公司，重庆 400039）
交通拥堵问题给人们的出行以及社会经济的发展造成了巨大影响，提升城市道路互联互通水平、便捷道路间切换效率已成为趋势。多匝道隧道是实现城市道路互联互通的重要技术措施，近年来正悄然兴起。多匝道城市道路隧道如图1所示，由一条主线隧道衔接多个分支隧道（匝道隧道），作为一种新形式的隧道，目前国内对其通风设计的研究还相对较少。李俊梅等[1]借助IDA RTV隧道通风模拟软件对某多匝道城市地下道路纵向排烟系统的运行进行了优化研究；
阳东等[2]针对某一多分支隧道的防排烟工况，利用理论分析建立了各种气流模式的控制方程，通过数学方法获得了理论解；
傅琼阁等[3]搭建了1:10的包含多匝道的隧道模型，对城市隧道出口匝道气流组织形式进行了试验研究；
陈玉远[4]以某一实际工程为例，介绍了SES模拟软件在多匝道公路隧道通风系统中的应用；
王艳等[5]采用SES软件对某一具体工程的通风系统进行了模拟，优化了通风系统运行模式。总体来讲，目前的研究还主要集中在排烟理论问题和通风模拟软件的应用上，而对通风工程设计的系列可操作性关键问题尚未明晰，如适宜通风方式的选择、通风量计算、不同通风方案下风机动力与通风阻力匹配的问题，各匝道隧道与主线隧道之间的水力平衡问题等。
图1 多匝道城市道路隧道范例
1.1 多匝道城市道路隧道特征
从通风设计的角度来看，多匝道城市道路隧道具有以下几方面的特征。
（1）匝道长度短。匝道隧道主要起衔接作用，长度较短，一般在1000m以内。
（2）速度多样。多匝道隧道的速度至少两种以上，主线隧道的车速一般为40~60km/h，匝道隧道的速度一般为主线隧道速度的40%~70%。
（3）单向交通为主。就目前所能统计的项目而言，其交通形式以单向交通为主，极少数为双向交通。
（4）交通量日变化幅度大。城市公路隧道交通量日变化具有早高峰与晚高峰特性，如图2所示，高峰时段交通量特别大，其余时段交通量明显较小。
图2 某城市隧道交通量日分布图
（5）以轻型车为主。文献[7]对位于重庆市区的两条公路隧道的通行车型比例进行了实测，实测数据详见表1，数据表明城市公路隧道的车型中轻型车占据主导地位。
表1 城市隧道车型比例实测数据
1.2 多匝道城市道路隧道的通风方式
自然通风在隧道工程中的适用面相对较窄，本文只讨论机械通风。隧道通风技术发展至今，其机械通风的基本通风方式有如图3所示的种类，组合通风方式有纵向组合式、纵向+半横向通风方式、纵向+集中排烟式。20世纪70年代以前，国外特长隧道基本上采用半横向式通风或者横向式通风，20世纪70年代以后，特长隧道基本上采用纵向式通风。从国内外特长公路隧道的通风方式发展规律来看，有向分段式纵向通风发展的趋势。在我国，目前新建或即将建设的特长隧道，均采用分段纵向通风，即通风井送排式+射流风机的组合形式，纵向通风方式已成为长大隧道通风方式的主流[8]。
图3 隧道通风基本方式
多匝道城市道路隧道具有多个分支隧道，主线隧道与各分支隧道均有各自的长度、交通量以及其他特性，均需匹配相应的通风量。显然洞口集中送入式与通风井集中排出式无法在各隧道之间进行风量分配，必然会产生一部分隧道风量过剩而另外一部分隧道风量不足的现象，因此洞口集中送入式与通风井集中排出式不适用于多匝道城市道路隧道。
吸尘式通风通过吸收隧道内烟尘，以减少隧道通风量。烟尘由柴油车产生，只有当柴油车达到一定的比例后，采用吸尘式通风才能减少隧道通风量，而如前文所述，城市公路隧道的车型以小型车为主，柴油车较少。此外，目前国内对隧道空气净化系统仅停留在试验室研究阶段，尚无相关成熟的大型空气净化设备，更没有工程应用实例[9]。因此，吸尘式通风系统也不适用于多匝道城市道路隧道。
综合上述分析，适用于多匝道城市道路隧道的基本通风方式仅为全射流式与通风井送排式，这两种通风方式具有较强的灵活性，能够与多匝道城市道路隧道的特征相匹配。
1.3 多匝道城市道路隧道的通风方案
图5 分流模型-1
图6 合流模型-2
图7 分流模型-2
为了便于讨论，将图1所示的多匝道城市道路隧道简化为图4—图9所示的模型。《公路隧道通风设计细则》（简称“设计细则”）指出通风井送排式宜与射流风机组合使用，基于前文对通风方式的讨论，提出如表2所示的适用于多匝道城市道路隧道的通风方案。
图4 合流模型-1
图9 分流模型-3
表2 通风方案
2.1 设计参数取值
设计细则提供了传统单线型隧道的设计参数取值，对于多匝道隧道未提及。根据设计细则，正常交通情况下，烟尘设计浓度取值主要与光源种类和设计行车速度有关，CO的设计浓度取值主要取决隧道长度。概言之，光源种类、设计行车速度、隧道长度是影响设计浓度取值的三项因素。
对于设计参数取值，设计上存在两种处理方式：一种是将主线隧道和匝道隧道视为整体，按同一标准进行确定；
另一种是将主线隧道和匝道隧道分别视为独立的隧道，按照各自的光源种类、设计行车速度、隧道长度进行确定。光源种类在同一隧道中，无论是主线隧道还是匝道隧道都是同一种光源。主线隧道和匝道隧道二者是联通的，将其分别视为完全独立的隧道不符合实际，因此第一种方式更为合理，同时第一种方式也有利于简化通风量的计算。
2.2 风量计算
从通风水力是否相关的角度，可将表2中提出的三种方案划分为水力相关型通风方案和水力无关型通风方案，表中的第一种方案与第二种方案属于主线隧道与匝道隧道通风水力无关型方案，即各隧道之间的通风量计算以及相应的水力计算均不相互影响，第三种方案属于水力相关型方案。对于水力无关型方案的通风量，将主线隧道与各匝道隧道分别当作独立隧道，按照设计细则上的方法计算即可。
对于水力相关型方案即方案三（图8、图9），隧道进风（对应分流型隧道）或出风（对应合流型隧道）均由一个洞口进或者出，主线隧道与匝道隧道相互交织影响，显然不能将各匝道隧道的通风量简单相加得出主线隧道的通风量，因此，整个隧道的总风量如何确定，各个匝道内的通风量又该如何确定，需要进一步研究。针对这些问题，本文提出“需风量逐次比例分配法”，即先根据隧道污染物排放总量计算隧道总通风量，然后根据各匝道隧道污染排放量占其上游（合流时）或下游（分流时）的污染物比例计算各匝道隧道通风量。以图8、图9所示的模型为例，其具体计算步骤如表3所示。
高速铁路运输是一种新型的交通运输方式，对我国交通运输结构有着重大影响，促进交通业转型。目前高铁的客流运输极大地改善了我国的交通运输情况，促进我国向高速运输时代迈进。京沪线高铁的运营对民航业带来了一定程度的影响，目前要根据旅客出行方式具体情况进行分析研究，协调二者的发展。
图8 合流模型-3
表3 需风量逐次比例分配法计算步骤示例
2.2.1 总通风量计算
通风的目的在于将隧道内的污染物浓度控制在一定限值的范围内，因此总风量应该与总污染物排放量相匹配。以图8、图9所示的模型为例，将匝道隧道与主线隧道之间的连接点作为分断点，将整个隧道分成5段，则相应的计算可按式（1）—式（4）进行：
式中：QVIZ——隧道烟尘排放总量（m2/s）；
QVI1~5——各段隧道烟尘排放量（m2/s），按细则进行计算；
QCOZ——隧道CO排放总量（m2/s）；
QCO1~5——各段隧道CO排放量（m2/s），按细则进行计算；
Qreq(VI)Z——隧道稀释烟尘的需风总量（m3/s）；
Qreq(CO)Z——隧道稀释CO的需风总量（m3/s）；
K——烟尘设计浓度（m-1）；
δ——CO浓度；
p0——标准大气压（kN/m2）；
p——隧址大气压（kN/m2）；
T0——标准气温（K）；
T——隧址夏季气温（K）。
2.2.2 各段隧道通风量计算
各段隧道通风量按式（5）—式（9）进行计算：
式中：QreqZ——隧道需风总量（m3/s），烟尘或CO的需风总量；
Qreq1~5——各段隧道通风量（m3/s）；
QPO1~5——各段隧道污染物排放量，烟尘（m2/s）或者CO（m3/s）。
对于匝道数量在2条以上的隧道，可参照上述方法进行类推计算。
火灾排烟时，隧道运行应遵循如下原则：
（1）首先关闭整个隧道，禁止后续车辆驶入；
（2）主线隧道发生火灾时，排烟仅从主线隧道排出。对于合流型多匝道隧道，当主线隧道发生火灾时，匝道隧道射流风机按正常运转方向运行。对于分流型多匝道隧道，当主线隧道发生火灾时，匝道隧道射流风机反转运行；
（3）对于合流型多匝道隧道，当匝道发生火灾时，火灾烟气沿着车流方向通过主线隧道排出去；
对于分流型多匝道隧道，当匝道发生火灾时，火灾烟气沿着车流方向通过匝道隧道排出去。
根据纵向排烟风速不小于火灾临界风速，并按排烟路径中最大隧道截面尺寸进行计算。射流风机选型与数量设置应同时满足通风需求和排烟需求，通过对射流风机进行台数控制、变频控制、正反转控制（对于匝道隧道）实现不同工况下动力需求匹配。
水力无关型通风方案，主线隧道与匝道隧道通风完全独立，只需将各隧道的风机动力与该隧道段所需风量下的总阻力相匹配就能实现水力平衡达到所需风量。
对于水力相关型通风方案，则存在水力失衡的风险。要化解此风险，应处理好两方面的问题：一方面要充分发挥射流风机的灵活性，根据风压需求，设计时合理配置射流风机的型号大小与数量，以提升风机选型对系统通风阻力的适应能力；
另一方面从通风系统整体角度考虑，处理好设于各段隧道内的射流风机组之间的通风阻力分配问题。以图8所示的射流风机布置方案为例（图中风机数量仅为示意），布置于第3、5段的射流风机可只考虑第3、5段各自的通风阻力，但对于第2段，由于未布置风机，其通风阻力应分摊到其他段的射流风机上，在此案例中第2段的通风阻力应分配给布置于第1、4段的射流风机，因此布置于第1、4段的射流风机不仅需要承担自身所在段的阻力，还需要承担第2段的通风阻力。处理好上述两方面的问题，则可一定程度实现各段隧道间的水力平衡。
综合全文分析讨论，可以得出以下结论：
（1）多匝道城市道路隧道具有匝道长度短、速度多样、单向交通为主、交通量变化日变化幅度大的特征，适合采用全射流式、通风井送排式的通风方式；
（2）水力相关型通风方案的通风量计算，可采用“需风量逐次比例分配法”，即先根据隧道污染物排放总量计算隧道总通风量，然后根据各匝道隧道污染排放量占其上游（合流时）或下游（分流时）的污染物比例计算各匝道隧道通风量；
（3）合理确定射流风机的型号大小与数量，合理分配各段隧道射流风机组所承担的通风阻力，可一定程度实现多匝道城市道路隧道的水力平衡。
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