中国交通隧道运营及防灾通风技术发展与展望.pdf

中国交通隧道运营及防灾通风技术发展与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版Vol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024收稿日期：2024-02-22修回日期：2024-03-08作者简介：王明年（1965-），男，博士，教授，主要从事隧道及地下工程通风防灾研究及教学工作，E-mail:.通讯作者：于 丽（1978-），女，博士，教授，主要从事隧道及地下工程通风防灾研究及教学工作，E-mail:yuli-.中国交通隧道运营及防灾通风技术发展与展望王明年1,2邓 涛3于 丽1,2（1.西南交通大学土木工程学院,成都 610031；2.交通隧道工程教育部重点实验室,成都 610031；3.西南交通大学智慧城市与交通学院,成都 610031）摘要：从运营和防灾两个维度，综述了我国交通隧道运营期通风在标准和技术方法两个层面的研究现状，总结了我国交通隧道运营及防灾通风的技术进步并指出了未来的发展方向。结果表明：新世纪以来我国交通隧道呈现出建造长度特长化、建造环境多元化、建造形式复杂化以及服务对象低碳化的发展趋势，对我国交通隧道运营及防灾通风的技术进步起到了显著推动作用；针对特长山岭隧道、高海拔隧道、水下隧道以及曲线和互通等复杂隧道类型，已发展出了成熟的通风技术体系，但现行运营通风标准在匹配汽车行业的技术进步方面存在一定滞后性；未来我国交通隧道运营及防灾通风朝向低碳和数字智慧化方向发展将成为必然趋势。关键词：公路隧道；铁路隧道；运营通风；防灾通风；研究综述中图分类号：U458.1文献标志码：A文章编号：1009-6582（2024）02-0152-15DOI:10.13807/ki.mtt.2024.02.014引文格式：王明年，邓 涛，于 丽.中国交通隧道运营及防灾通风技术发展与展望J.现代隧道技术,2024,61(2):152-166.WANGMingnian,DENGTao,YULi.DevelopmentandProspectsofOperationandDisasterPreventionVentilationTechnologyin Chinas Traffic TunnelsJ.Modern Tunnelling Technology,2024,61(2):152-166.1引 言我国交通隧道的运营及防灾通风技术起步于上世纪80年代1，发展至今，技术不断创新突破，为我国公路与铁路隧道的舒适、安全运营提供了良好保障。交通隧道运营期通风服务于隧道正常运营与隧道发生火灾两种场景模式2。正常运营情况下，隧道通风以保障隧道舒适、安全、卫生为目的，通风技术手段主要用于稀释隧道内机车行驶污染物，包括烟尘、异味、碳氧化物以及氮氧化物等；隧道发生火灾事故时，隧道通风服务目的转换为烟气控制，通风技术手段用于控制烟气流动方向（纵向通风排烟模式）或者实现烟气及时抽离（横向排烟模式），为人员提供疏散条件。以典型纵向式通风的公路隧道为例，隧道内正常运营和火灾情况下的通风作用模式如图1所示。随着我国隧道建造技术和工业制造技术的提升，隧道运营及防灾通风技术出现了以下新的特征。（1）建造技术提升下的隧道运营及防灾通风发展21世纪以来，我国隧道建设水平不断提升，呈图 1 公路隧道运营通风作用模式3Fig.1 Operational ventilation modes in highway tunnels3现出建设长度“特长化”、建造环境“多元化”、建造形式“立体化”的发展特点，大量特长隧道、高海拔隧道、海底隧道以及互通型隧道开始涌现，成为我国新世纪交通隧道建设发展的新趋势，如图2所示。该建造趋势对我国公路与铁路隧道的运营及防灾通风带来了显著影响，具体表现在通风控制标准和通风方法两个层面。在通风控制标准层面，隧道运营环境由内陆平原向高海拔以及海底地区的扩展影响着隧道内汽车及机车污染物的排放规律46、通风系统的工作效率7以及隧道内火灾的燃烧效率和火灾烟气流动特性810。在通风方法层面，隧道长度152中国交通隧道运营及防灾通风技术发展与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版的增加使得简单的全射流纵向通风方案不再具备适应性，必须采取将隧道进行通风区段划分的方法进行通风设计，甚至需要考虑采用由多种通风方法结合形成的组合型通风方案11,12。与此同时，各种复杂隧道形式，如大曲率曲线隧道以及地下互通隧道网络的出现对隧道通风力的计算方法提出了新的需求13,14。总体而言，匹配当下隧道建设水平，服务好新发展阶段下隧道运营期成为我国当下交通隧道运营及防灾技术的主流发展方向之一。（2）工业升级下的隧道运营及防灾通风发展我国交通隧道运营服务对象的转变模式如图3所示。在公路隧道方面，随着我国汽车制造工艺的不断提升，以及人们对环境问题的愈发重视，国家开始连续颁布更新机动车的排放标准。目前，国内所遵循的6b阶段排放标准相比于2013年颁布的第阶段标准在 CO 和 NOx允许排放量上分别减少了50%和56%，并额外增加了PM等细颗粒物的排放要求。另一方面，新能源汽车行业自2010年左右开始在国内崛起后，其交通占比逐年攀升，促使公路隧道服务的交通对象正朝向绿色低排方向发展。显然，机动车排放量的持续减少以及新能源车占比的不断增加对隧道通风控制标准提出了新的需求15,16。与此同时，新能源汽车的加入也给隧道运营增加了不同于传统燃油车的火灾事故威胁17,18。对于铁路隧道而言，近年来轨道电气化的快速发展极大地改变了隧道中内燃机车与电气机车的运营比例，这对隧道内排污标准产生了明显影响。同时，高铁技术的发展使得大量高速运行的动车组成为了铁路隧道的新型服务对象，导致隧道的通风设计需要做出新的考虑。因此，适应我国公路隧道服务对象绿色化、铁路隧道服务对象电气化及高速运行化，并以此实现通风标准及方法匹配升级已经成为我国交通隧道运图 3 国内交通隧道运营服务对象的转型及发展趋势Fig.3 Transformation and development trends in Chinastransportation tunnel operation service targets营及防灾通风发展的另一个主要方向。综合以上分析，本文将首先对我国交通隧道运营及防灾通风技术开展回顾，然后结合目前交通隧道的建设趋势以及隧道服务对象的转型总结归纳当下隧道通风防灾的新技术以及面临的新问题，旨在肯定行业目前所取得的成就的同时也为我国交通隧道运营及防灾通风技术的前进方向提供参考和依据。2铁路隧道运营期通风防灾技术从控制标准和技术方法两个层面对我国铁路隧道运营及防灾通风的发展历程以及取得的突破性成果进行总结回顾。2.1铁路隧道运营及防灾通风标准2.1.1铁路隧道运营通风标准铁路隧道运营通风设计规范（TB 100682000）19是我国编制最早的铁路隧道运营通风设计规范。随着隧道建设水平以及铁路列车制造技术的快速发展，该规范与新形势下的铁路隧道通风设计表现出了明显的不匹配性。基于该原因，我国在图 2 我国交通隧道建设发展历程及趋势总览Fig.2 Development process and trends of transportation tunnel construction in China153中国交通隧道运营及防灾通风技术发展与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版Vol.61,No.2(Total No.415),Apr.20242010年对规范进行了修编，形成了现行的新版规范20。新旧规范关于铁路隧道内的运营通风控制标准对比见表1。2.1.2铁路隧道防灾通风标准根据国家铁路局联合西南交通大学编制的新版铁路隧道防灾疏散救援工程设计规范21，长度为表1 铁路隧道新旧运营通风设计规范的控制指标对比Table 1 Comparison of control indexes between two ventilation design standards for railway tunnels in China项目隧道适用范围机械通风条件空气控制标准列车活塞风计算方法2000版规范19客货共线运行、旅客列车最高行车时速140 km 以下标准轨距铁路隧道内燃机车：2 km 以上隧道电气机车：8 km 以上隧道一般隧道电气机车运行隧道补充标准恒定流理论计算方法CO30 mg/m3NO210 mg/m3湿度80%温度28 臭氧 0.3 mg/m3粉尘浓度10 mg/m3（MSiO210%）2010版规范20高速铁路、客运专线、客货共线标准轨距铁路隧道内燃机车：2 km 以上隧道电气机车：20 km 以上（高速铁路、客运专线隧道）15 km以上（货运专线、客货共线隧道）一般隧道电气机车运行隧道补充标准恒定流理论、非恒定流理论计算方法CO30 mg/m3（海拔小于2 000 m）CO20 mg/m3（海拔20003 000 m）CO15 mg/m3（海拔大于 3000 m）NO25 mg/m3（海拔小于3 000 m）湿度80%温度28 臭氧 0.3 mg/m3粉尘浓度8 mg/m3（MSiO210%）粉尘浓度10%）动植物粉尘 m）（8）vm=vT-2AC+2ACetB2+4ACC()B+B2+4AC-C()B-B2+4AC etB2+4AC（Km m）（9）式中：Km为活塞风作用系数；N为列车阻力系数；lt为列车长度（m）；为阻塞比；h为环状空间气流的沿程阻力系数；dh为环状空间的当量直径（m）；S为隧道断面湿周（m）；ST为列车段断面周长（m）；a为列车宽度（m）；m是隧道段除环状空间外的阻力系数；A、B、C由Km、vT、lt、LT、以及m等参数计算所得。值得注意的是，上述计算方法将隧道内空气视为不可压缩流。目前，国内已建和在建高速铁路隧道运营设计时速可达300 km/h 以上，接近0.3马赫数。此时列车进入隧道时对内部空气的挤压已不可忽视。史宪明27基于该现实问题建立了一套一维非定常可压缩流动模型并辅以特征线法对模型进行求解。该方法可用于对高速列车活塞风压力的计算模型进行修正。2.2.2铁路隧道防灾通风方法铁路隧道火灾通风主要用于控制烟气流动、协助人员疏散。水下铁路隧道一般采用轨下廊道作为疏散救援通道28,29，因此其通风排烟方案多采用纵向或集中排烟方式，排烟通风组织关系相对简单。对于山岭隧道，当列车停靠于洞口紧急救援站时，隧道内靠近明线出口位置应安装射流风机向明线段送风，防止烟气入侵隧道内部，如图4所示。图4 洞口救援站火灾排烟通风示意22Fig.4 Illustration of smoke control ventilation for rescuestations at the railway tunnel portal22当列车停靠于洞内紧急救援站时，典型双线铁路隧道救援站内通风组织方法如图5所示。在火灾隧道内，通过开启隧道顶部排烟阀并连通排烟井内轴流风机将烟气抽离隧道；在安全隧道以及联络横通道内，开启射流风机形成朝向火灾隧道的正压可有效防止火灾隧道烟气朝向疏散区域扩散。3公路隧道运营及防灾通风从控制标准和技术方法两个层面对我国公路隧道运营及防灾通风的发展历程以及取得的突破性成果进行总结回顾。表 2 全尺寸铁路列车单车厢火灾峰值热释放速率测试结果统计23Table 2 Statistical analysis of peak heat release rate test results for full-scale railway train fire23测试对象EUREKA城际铁路列车车厢EUREKA城际快运车厢EUREKA混制铁路车厢Carleton 铁路车厢澳大利亚客运铁路车厢年份19921992199220112005峰值热释放速率/MW1219433213达到峰值热释放速率时间/min258053182.3实验工况德国IC列车、钢制车身、内部采用旧式材料德国ICE列车、钢制车身、内部采用当时材料车厢由半节铝制车身和半节钢制车身组合而成韩国铁路车厢车体内部采用不锈钢包裹，点火源为1 kg旧报纸155中国交通隧道运营及防灾通风技术发展与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版Vol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024图 5 洞内救援站火灾排烟通风组织示意30Fig.5 Illustration of smoke control ventilation for rescuestations within railway tunnels303.1公路隧道运营及防灾通风控制标准3.1.1公路隧道运营通风控制标准公路隧道通风照明设计规范（1999）31（以下简称通风规范）是我国颁布最早的公路隧道运营通风设计参照规范。随着隧道建设、运营管理经验的积累，以及汽车工业技术的进步，交通部在2014年颁布了 公路隧道通风设计细则2（以下简称细则）替代原通风规范。与原规范相比，细则降低了隧道内CO及烟尘的设计浓度，并削减了隧道内所需的自然换气频率。尽管如此，自细则颁布以来我国的汽车排放标准以及隧道修建水平又取得了长足的进步，这使得现行的细则标准计算方法与隧道实际通风需求之间表现出了一定的不匹配性，具体分析如下。（1）基本排放率计算模型待升级细则2中的烟气排放计算模型主要参考世界道路协会（PIARC）在1995年和2004发布的Road tunnels:Vehicle emissions and air demand for ventilation 报告（以下简称 PIARC 199532和 PIARC 200433）制定。PIARC 2004发布至今以来，国际路协更新发布了自PIARC 201234和PIARC 201935，持续对早年提出的计算模型进行修正与改进。因此，国内目前仍采用欧盟在本世纪初颁布的排放计算方法设计通风标准及需风量，表现出了明显的滞后性。目前国内众多学者已针对该问题开展了研究分析并揭示了该问题的重要性7,3638。现状背景下，上海地区参照PIARC2012颁布了地方标准 道路隧道设计标准39。3种规范给出的汽车排放率计算模型对比见表3。上海标准与PIARC 2019给出的通风标准不再单独区分污染物类别，并将NOx和由于轮胎与路面摩擦以及隧道外带入的非排放固体颗粒物的稀释纳入了考虑范围。表3中的单车道单路段的汽车排放率计算模型如下：表 3 国内外现行通风设计参考规范给出的CO排放率计算方法对比36Table 3 Comparison of CO emission rate calculationmethods based on current ventilation design standardsat home and abroad36参数排放率计算方法基准排放因子条件因子交通量海拔因子纵坡-车速系数时间因子质量因子非排放颗粒规范2014细则公式（10）q=0.007/0.015fafaL Nmfhfiv每年2%衰减fm2017上海标准公式（11）qexfeNcat=DLcatfhqexftfm4.7vqne/1 0002019PIARC报告公式（12）gcatfeNcat=DLseccatfhgcatftfmgnon-exQv=13.6 106qfafdfhfivLm=1nD()Nm fm（10）Qv=i=1Ncatqex fh ft fe fm+4.7vqne/1000（11）Qv=i=1Ncat(gcat fh ft fe fm+gnon-ex)nveh,i（12）式中：Qv为隧道内CO总排放率（m3/s）；q为设计目标年份的CO基准排放量（m3/(vehkm)）；qex为特定年份的基准排放因子（速度和纵坡的函数）（g/h）；gcat为每种车辆类别的基本排放率（速度和纵坡的函数）（g/(hveh)）；fa为车况系数；fd代表车密度系数；fh为海拔高度系数;fiv为纵坡系数;L为隧道长度（m）；nD为柴油车车型类别数；fm为车型系数或重量因子；Nm代表相应的车型交通量（veh/h）；ft为时间因子，主要用于考虑车辆更新和退化引发的基准排放率变化；gnon-ex为非排气颗粒物等效排放量（g/(hveh)）；D为交通密度（veh/km）；Lsec为路段长度（m）；cat为对应车型所占比例。细则模型（式（10）中的基准排放因子选取2000年为基准排放年，并以2%为衰减速率对汽车排放量的减小进行简单化预测。新模型（式（11）、（12）选取2010年为基准排放年，将基准排放因子考虑为坡度与速度的函数，并引入时间因子考虑车辆近远期的排放量减少速率。王 旭7以PIARC 2019 通风报告中的算例为基准，对3种规范的计算所得的排放率进行了对比，结果如图6所示。显然，修正改进现行细则对我国公路隧道运营通风设计意义明显。156中国交通隧道运营及防灾通风技术发展与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版图6 细则与2017上海标准、PIARC 2019排放模型计算出的隧道需风量对比（以某长江隧道为例）36Fig.6 Comparison of tunnel ventilation rate requirementscalculated by ventilation design standards in China and themethod in PIARC 2019(taking a certain Yangtze River Tunnelas an example)36（2）海拔高度影响下的排放量计算方法待修正高海拔地区隧道内汽车的烟尘和CO排放率计算需要考虑海拔高度修正系数fh。目前细则给出的烟尘海拔高度修正方法借鉴了日本道路公团 公路隧道通风技术基准 和日本道路协会的 道路隧道技术标准（通风换气篇）及其解说 中给出的推荐值2，而CO的修正方法参照了瑞士和美国地区的研究数据4。国内学者依托高海拔公路隧道对CO和烟尘的海拔高度系数开展了较多研究，成果统计见表4。表 4 CO和烟尘海拔高度系数研究成果汇总Table 4Summary of research results on altitudecoefficients for CO and smoke emission rates研究者王明年团队40李永林41郑金龙等42李志厚等4依托隧道隧道名称巴郎山隧道二郎山隧道雀儿山隧道鹧鸪山隧道雀儿山隧道海拔高度/m3 8002 0005 0004 3003 2004 300CO海拔高度系数实测值/规范值0.660.720.880.610.670.69烟尘海拔高度系数实测值/规范值1.071.201.251.361.21除了修正海拔高度系数，郭志杰等43通过直接对比实际排放量与细则方法计算结果对海拔高度的影响进行了分析。研究证实，海拔2 800 m处国柴油车和国汽油车的烟尘排放量相比于400 m海拔高度分别减少了73%和99%以上，因此建议将公式（10）中烟尘和CO排放量的年折减率由2%分别提升至3.5%和2.5%。（3）考虑新能源汽车的通风控制标准待完善与燃油车相比，新能源车虽然不会排放有毒废气和温室气体，但是会因车身重量的增加而产生更多的非排放污染物（由车胎磨损、路面磨损等产生的悬浮颗粒物，具体表现为PM10）。研究表明，一辆普通小轿车行驶过程中产生的非排放污染物与尾气粉尘的排放量可达到4 144，如图7所示。根据2019PIARC报告，稀释非排放污染物浓度已经成为隧道通风必须考虑的现实问题。因此，由新能源车引发的非排放污染物排放量增加以及稀释问题在世界范围内都将是值得关注的新问题。图7 小汽车行驶产生的非排放污染物与尾气排放物对比情况44Fig.7 Comparison of non-exhaust pollutants and exhaustemissions from a passenger car443.1.2公路隧道防灾通风控制标准公路隧道防灾通风主要用于控制隧道火灾烟气，其控制标准应结合排烟方法具体讨论。（1）纵向式排烟通风控制标准当隧道采用纵向通风方式时，隧道通风需达到临界通风风速以防止烟气逆流。结合临界Froude数理论45，决定隧道临界通风风速的关键因素主要为拱顶烟气温度以及烟气的衰减速度46。对于一般隧道形式而言，火源功率是决定隧道拱顶温度的主要因素。国际上关于隧道内汽车火灾的设计规模取值方法统计见表5。表 5 公路隧道火灾规模取值统计（单位：MW）47Table 5 The range of design fire sizes for different vehicletypes as referenced in various international standards(Unit:MW)47车型小汽车多辆小汽车小客车大客车货车油罐车PIARC2.55815202030100法国规范2.558152030200德国规范5105102030203050100美国规范51530150300157中国交通隧道运营及防灾通风技术发展与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版Vol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024当电动汽车在隧道内发生火灾时，火灾规模可通过车内电池容量以及车身内部可燃物容量估算。结合Sun等48研究成果，锂电池容量Eb（Wh）与电池燃烧峰值热释放速率QPHRR（kW）之间满足如图8所示的线性关系。图 8 锂电池容量与电池燃烧火灾峰值规模关系曲线48Fig.8 Correlation between lithium battery capacity and peakheat release rate of battery fire48图8中的线性拟合公式如下：QPHRR=2E0.6B（13）段嘉豪等49曾对汽车内可燃物材料的燃烧特性进行研究并获得了不同材料的峰值热释放速率。夏继豪50结合以上两项研究成果估算出隧道内电动小汽车和客车的火灾规模分别在5.276.40 MW 和20.09 20.66 MW之间，与对应车型的燃油车火灾规模相当。（2）横向排烟通风控制标准当隧道采用横向排烟模式（又称为集中排烟模式），排烟通风的控制标准取决于隧道火灾烟气的生成速率。目前细则给出的烟气生成率一般参照世界道路协会（PIRAC）及欧洲等的实验结果制定，具体见表6。表 6 不同火灾规模下隧道烟气生成率2Table 6 Details smoke production rates for various firesizes2火灾热释放率/MW203050烟气生成率/（m3 s-1）56606080801003.2公路隧道运营及防灾通风方法3.2.1公路隧道运营通风方法公路隧道常用运营通风方式分为自然通风和机械通风两类，其中机械通风又可细分为纵向通风、半横向通风、全横向通风以及上述几种通风方式搭配形成的组合式通风模式。（1）自然通风自然通风方法是指在不采用机械设备情况下借助自然气象因素在隧道内形成气流流动并实现隧道换气效果的通风方式。国内曾艳华51、王光辉52、仇玉良等53最早对公路隧道内的自然风利用开展了研究。西南交通大学王明年团队则通过对泥巴山隧道洞口气象长期监测首次明确了隧道内形成自然风的因素包括：隧道两端洞口间大气压梯度形成的超静压差、洞外自然风在洞口形成的风墙式压差以及隧道内外气温差异引发的热位差54，具体如图9所示。该研究成果为泥巴山隧道的节能风道设计以及由此为基础制定的特长隧道分段纵向式节能通风技术奠定了重要理论基础。图 9 隧道内形成自然风的条件因素55Fig.9 The driving mechanism of natural ventilation intunnels55根据上述研究，各因素所形成的隧道洞口间压差计算方法如下54：超静压差：P超=P1-P2-0gh（14）风墙式压差：P墙=0.712v21-0.722v22（15）热位压差：P热=()1+22-0gh（16）式中，P、T、v和分别为大气压力、温度、流向洞口的风速以及空气密度。基于以上成果，该团队利用气象数据长期监测方法对六盘山隧道的自然风压影响系数进行了研究，并提出了基于六盘山隧道交通流与自然风双因素的前馈式智能控制节能模型56；然后基于杨林隧道洞口的开源气象参数利用神经网络算法对隧道洞内自然风速进行实时预测，以此建立了隧道内风机按时段控制的智能通风节能设计57。除上述隧道外，高海拔的雀儿山隧道也是自然通风技术应用的成功案例。通过在隧道洞口建立气158中国交通隧道运营及防灾通风技术发展与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版象站获取长期气象数据并结合监测数据对自然通风合理利用，该隧道在通风节能以及防冻害方面取得了良好成效58。（2）纵向式通风纵向式运营通风设计需要考虑隧道环境以及隧道形式的影响。水下环境。我国长大水下公路隧道均采用设置通风井的分段纵向式通风方法6,5961，且通风井一般设置在隧道两端陆域地段，并多建造为高塔形式的排风井，以达到向高空排放污浊空气、保护洞口环境的目的，典型代表为厦门翔安海底隧道，如图 10所示。当隧道修建在海底时，海底空气中具有的湿度与盐分会对风机叶片造成腐蚀，因此腐蚀效应引发图10 适用于水下长大隧道的分段纵向通风方法（以翔安隧道为例）Fig.10 Thesectionlongitudinalventilationmethodsuitableforlongunderwaterhighwaytunnels(exampleofXianganTunnel)的风机升压效率降低在通风设计中需要给予考虑。根据Wang等7的研究成果，海底腐蚀环境对叶片锈蚀作用引发的风机升压力修正可按表7中式（17）式（19）计算。表 7 海底隧道腐蚀环境下的风机升压力计算方法7Table 7 Calculation method of jet fan boost pressure considering corrosive environment in subsea tunnels7类别基于表面粗糙度的风机升压力计算方法基于腐蚀深度的风机升压力计算方法基于腐蚀时间的风机升压力计算方法风机升压力计算方法pj=(3 10-6R3a-7 10-4R2a+0.073Ra+0.014)v2jAjAr()1-vrvj2pj=(4.36 10-4R2y+0.0177Ry+0.0253)v2jAjAr()1-vrvj2pj=(-2 10-5t4+2.3 10-3t3-0.111t2+2.542t-0.57)v2jAjAr()1-vrvj2编号（17）（18）（19）式中：Ra为表面粗糙度；Ry为粗糙深度；vj为射流风机出口风速；Aj和Ar分别为射流风机和隧道断面面积；vr为隧道内通风风速；2为考虑位置摩擦的风机效率折减系数。高海拔环境。高海拔地区风机的升压效率会因为空气密度的降低而产生削弱。李永林等62根据相似理论推导得出风机功率和升压效率与空气密度成反比。严 涛等63进一步推导出海拔高度仅影响风机压力，不会影响风机风量。借助该理论并引入海拔高度对空气密度的影响关系，严 涛5和王峰等64分别推导出巴郎山和雀儿山隧道内风机的升压效率仅为平原地区的43%和65%。互通隧道形式。互通隧道是复杂的隧道网络，对互通隧道进行纵向式通风设计时，确定每条隧道分支内满足新鲜风量需求是通风设计的关键。李 柯等65针对该问题开展研究并建立了一套互通隧道分岔口风流配计算方法。以分流和汇流岔口为例，该风流分配方法遵循的基本原则如图 11所示，图中Qi和Qreqi分别代表第i区段的设计风量和新鲜气流需求量；C1和C2分别代表1、2区段内的新鲜空气使用率；C0和C0分别代表1、2区段上游区段的新鲜空气使用率。曲线隧道形式。曲线隧道的纵向通风设计需要将曲率对沿程阻力的影响纳入考虑。在1999年版图 11 互通隧道纵向通风模式下分流与汇流岔口的风流分配方法65Fig.11 Air volume distribution method at divergence and convergence junctions in interchange tunnel longitudinal ventilationmode65159中国交通隧道运营及防灾通风技术发展与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版Vol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024本的通风规范中，我国公路隧道通风设计给出的沿程阻力一般计算方法为：=1()1.1138-2logD2（20）式中：为平均壁面粗糙度（mm）；D为断面当量直径（m）。该计算公式适用于直线隧道。当隧道平面线形产生弯曲时，切应力的加剧会加速气流在隧道内流动的能量损失，因此需要对上述计算公式进行修正。根据王 峰13研究成果，曲率对沿程阻力的影响仅在隧道线形半径小于2000m时显著，相对应的修正方法为：曲=1.8235直R-0.078（21）式中，R为隧道线形半径。上述修正方法已编写进2014年版本的通风设计细则当中。（3）横向通风横向通风的设计关键在于通过调节送风风阀的开度实现隧道长度范围内风量输送的均匀性。具体而言，送风风道在每一风阀位置处通过风阀与隧道内部空间形成一个三通结构。调节三通结构流通阻力是实现各风阀位置处风流等量输送的关键问题。根据王明年等66的研究成果，多页对开式风阀将是一种适用于隧道横向通风风量调节的送风结构单元，通过建立风阀叶片开角与风阀流通阻力间的关系模型，便可以对整个风道实现风量的均匀输送。多页对开式风阀的叶片开角与通风阻力间关系如图 12所示。图 12 多页对开式风阀开角与通风阻力关系曲线66Fig.12 Correlation between opening angle of the multi-bladeair valve and airflow resistance66（4）组合式通风结合厦门海沧疏港通道-芦澳路地下互通隧道特点，王明年等67,68提出了一种匝道采用半横向搭配主隧道采用纵向式的组合通风方案。该方法能有效减小主隧道的通风压力以及提升匝道内的空气质量，满足了互通隧道通风设计的经济性与舒适性。3.2.2公路隧道防灾通风方法公路隧道火灾情况下的排烟通风方法常用类型分为纵向排烟、横向排烟以及两者搭配形成的组合式排烟方法三种。为公路隧道选择通风排烟方案时需结合隧道的建造环境和建造形式。（1）复杂环境下的公路隧道防灾通风方法 水下隧道。水下公路隧道隧道由于疏散环境受限，其对隧道火灾安全方面有较高要求。因此，目前国内外水下隧道一般采用烟气控制效果更好的横向排烟方式，且绝大多数隧道内的排烟道设置于隧道顶部位置。以上海长江路隧道为例，典型水下隧道排烟方案如图 13所示。图13 水下隧道典型排烟方案设计（以上海长江隧道为例）61Fig.13 Typicalsmokeexhaust scheme designforunderwater tunnels(using the ShanghaiYangtze RiverTunnel as anexample)61 高海拔公路隧道。目前国内高海拔地区公路隧道一般采用纵向排烟模式。高海拔隧道环境存在大气压力低、密度低以及温度低的特点，对隧道内火灾的燃烧特性、烟气流动规律产生了严重的影响9,69。对于给定的隧道形式以及火源功率，隧道内的临界通风风速因此会呈现随海拔高度的增加而增加的趋势。在采用无量纲经验模型方法对高海拔地160中国交通隧道运营及防灾通风技术发展与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版区临界风速进行预测时,可采用表 8给出的方法对无量纲化的火源热释放率进行修正。表 8 海拔高度影响下的火源功率无量纲化修正方法Table 8 Dimensionless correction method for fire heatrelease rate considering the influence of altitude研究者王 峰等9Yaoetal.70无量纲化热释放速率修正模型Q*=Q0(-0.009H2-0.125H+1.065)PHcpT0g-1/2H3/2cQ*=Q0()1.02 10-2 PH+0.18 cpT0g1/2H5/2c编号（22）（23）式中：Q*为考虑海拔高度的无量纲化火源热释放率（kW）；Q0为低海拔条件下的火源热释放率（kW）；H为海拔高度（m）；PH为大气压强（Pa）；cp为空气比热容（kJ/（kg K）；T0为空气温度（K）；g为重力加速度（m/s2）；Hc为隧道水力直径（m）。（2）复杂形式公路隧道防灾通风方法 互通隧道。地下互通具有烟气易蔓延、难控制的特点。国内互通隧道目前多借鉴山岭隧道经验进行排烟方案设计，以纵向式排烟模式为主。然而，互通隧道需要承担更大交通量且容易发生拥堵，因此其安全等级相比于一般山岭隧道应该更高。在国外，PIARC统计了欧洲等地区已建成运营的26座地下互通隧道内的排烟通风设计方案71，结果如图 14所示。显然，互通隧道内采用纵向与横向搭配的组合式通风方案是主流设计理念。该理念下，互通隧道内如匝道等重点区域应该采用横向排烟模式，而线形相对简单的主线隧道区域可采用纵向式通风排烟来提高经济性。图 14 国外26座地下互通隧道排烟通风方案统计71Fig.14 Statistics on smoke control ventilation schemes for 26underground interchange tunnels71 曲线隧道。曲线隧道内烟气的流动受到离心力的作用而呈现处凹侧流速大于凸侧的分布形式72，此时凹侧烟气的流动阻力以及向隧道避免的传热效率会高于普通直线隧道形式，使得烟气更容易受控。根据Xu等73的研究结果，对于给定的隧道断面以及火源功率，曲线隧道内的临界风速一般小于直线隧道，且两者间的差距随线形曲率的增加而增加，如图 15所示。图 15 曲率对隧道临界通风风速的影响73Fig.15 Influence of curvature on critical velocity in highwaytunnels734展 望未来我国交通隧道运营及防灾通风的发展方向首先将持续紧密联系隧道建设及汽车和机车制造技术的发展趋势。预计我国交通隧道今后在建设长度和建造环境上会有更大突破，隧道内运行车辆将会更加绿色低排，届时如何设计与二者发展相匹配的运营及防灾通风系统是亟需关注解决的难点问题。其次，随着大数据、人工智能的普及，交通隧道运营及防灾通风也会迎来数字化、智慧化的新方向。如何实现隧道运营及防灾通风的系统化智能设计是未来研究的另一个主要方向。此外，响应低碳时代号召、顺应绿色低碳发展理念，如何有效减少运营及防灾期间通风能耗是我国交通隧道运营及防灾通风技术需要关注的又一重点问题。铁路隧道方面，进一步明确电气机车运行隧道内的环境空气变化特征，制定准确合