公路隧道通风井经济风速研究

公路隧道通风井经济风速研究

陈大飞1牛婷婷2

1.招商局重庆交通科研设计院有限公司重庆400067

2.重庆市轨道交通设计研究院有限责任公司重庆401122

摘要：从公路隧道通风系统全寿命周期总费用角度出发，综合考虑通风井土建费用、风机设备购置及相关附设设施费用、运营费用和资金成本等因素，提出了隧道通风系统全寿命周期总费用计算方法，并以东天山隧道为例，对隧道通风系统通风井经济风速的选择进行了案例分析。

关键词：公路隧道；通风系统；全寿命周期；经济风速

1.概述

通风井的经济断面和经济风速是土建投资、设备投入和运营能耗的最优匹配结果。通风井断面积的确定应综合考虑工程造价和营运费用。当通风量一定时，通风井风速低，阻力小，通风井风机消耗功率小，营运费用低，但通风井面积增大，工程造价增加；通风井风速高，通风井面积减少，造价降低，但通风井风机功率消耗增大，营运费用增加。因此，应该权衡工程造价和营运费用之后，确定通风井风速和通风井面积。在选择断面形式和尺寸时主要考虑营运阶段各通风工况下风速和风量的要求和工程可行性，技术上要求安全、经济、合理，同时结合施工的基本要求而拟定。需满足提升容器尺寸、人行道宽度、梯子间尺寸、管路布置、以及设备之间的安全间距等因素，同时满足凿井设备的布置要求，有利于施工通风及布设电线、通信线；并且满足施工能力、运输的要求。

2.现行规范要求

《公路隧道设计规范第二册交通工程与附属设施》（JTGD70/2-2014）（以下简称《规范》）与《公路隧道通风设计细则》（JTG/TD70/2-02-2014）（以下简称《细则》）中关于通风井经济断面积的确定没有明确规定，设计过程中主要根据风道风速与设计风量进行通风井断面计算。《规范》对于隧道通风井设计风速并无明确要求。根据《细则》第9.4.6条的规定，隧道通风井设计风速宜取13.0~20.0m/s。

通风井的设计风速取值直接影响通风井的断面大小，从而较大程度影响工程初期投资。通风井风速取值与其断面大小成反比。通风井断面偏小有利于节约工程投资，但较大的通风井风速势必增加通风系统风机的配置电机功率，导致通风系统长期运营费用增加。因此，根据国内外技术资料、工程应用情况及研究成果总结，通风井设计风速在13.0~20.0m/s范围内较为经济合理。

然而13.0~20.0m/s的风速取值范围仍较大，为了方便设计人员对通风井设计风速的选取，《细则》编制过程中综合考虑斜井长度等因素，《细则》9.4.9条对通风井设计风速给出了一般情况下的建议值，即“当斜井长度不大于700m时，斜井内设计风速可取16.0~20.0m/s；当斜井长度大于700m时，斜井内设计风速可取13.0~16.0m/s。”具体设计过程中应综合考虑通风井土建成本与机电相关费用等因素，通过经济技术比选后确定。

3.国内外研究现状

3.1国外研究现状

目前国际上针对公路隧道通风技术研究成果较多的为世界道路协会和日本道路协会。

1、世界道路协会（PIARC）

截止目前，世界道路协会（PIARC）尚无有关通风井经济断面积与经济风速的专题研究报告，仅在《RoadTunnels:VehicleEmissionsandAirDemandForVentilation》（2004）中针对公路隧道车辆排放标准和需风量进行相关研究工作。

2、日本道路协会

日本道路协会所发布的《道路隧道技术标准（通风换气篇）及其解说》（2001年10月）中关于隧道通风井经济风速及其计算有明确规定。

日本道路协会《道路隧道技术标准（通风换气篇）及其解说》（2001年10月）第3-5条规定，“设计通风风管时，必须确保其在空气力学方面是合理的，且从建设费、维护费方面来考虑，其也必须是经济合理的”。“另外，关于风管内的风速，…，一般认为20m/s左右是比较经济的。”

3.2国内研究现状

目前国内几乎没有关于隧道通风井经济风速相关的研究成果，仅在西南交通大学王明年教授所主持的交通部西部建设科技项目《大相岭泥巴山深埋特长隧道关键技术研究》及其相关学术论文中有所涉及。然而由于其研究内容仅针对泥巴山隧道开展，而通风井经济风速与经济断面受隧道长度、设计高程、地质条件、交通量与交通组成、隧道通风区段划分等诸多因素影响，其研究结论并不具有普遍性，对国内其他特长公路隧道通风井设计不具有指导性。

4.经济技术比选方法

为了保证通风井的经济性，在进行设计时，首先应根据通风区段划分、通风井断面积以及相关的联络风道设计方案，来预估建设费用（隧道通风井建设费用、风机房建设费用、通风设备费用、电力相关设备运营费用等），最后在考虑折旧年数的基础上，计算通风系统总费用并进行技术经济比较。通风系统总费用通过下式进行计算：

5.案例分析

东天山隧道左线长11764m，右线长11775m，采用采用双斜井分三段纵向通风方式，各通风区段划分及各通风区段设计风量、风速如下图所示。

根据隧道通风井设计风速的不同，提出两个比选方案。其中方案一通风井设计风速为18~20m/s，方案二为14~16m/s，通过20年全寿命周期的技术经济比选，确定通风井设计经济风速。比选结果如下表所示：

比选结果表明，两个通风方案技术上均合理可行；经济上方案一通风系统总费用最省。方案一与方案二相比，初期投资减少0.64亿元，总费用（20年）减少2.34亿元，具有较好的经济效益。针对东天山隧道，通风井经济风速约为20m/s。

6.小结

通风井经济风速是土建投资、设备投入和运营能耗的最优匹配结果，经济风速的选择对公路隧道通风系统总费用具有重大影响，直接决定了通风井的土建费用与风机的设计风压。本文从公路隧道通风系统全寿命周期总费用角度出发，综合考虑通风井土建费用、风机设备购置及相关附设设施费用、运营费用和资金成本等因素，提出了隧道通风系统全寿命周期总费用计算方法，并以东天山隧道为例，对隧道通风系统通风井经济风速的选择进行了案例分析，以期对公路隧道通风系统设计具有一定参考与借鉴意义。

参考文献

[1]《公路隧道通风设计细则》（JTG/TD70/2-02-2014）.

[2]《公路隧道设计规范第二册交通工程与附属设施》（JTGD70/2-2014）.

[3]《RoadTunnels:VehicleEmissionsandAirDemandForVentilation》（PIARC，2004）.

[4]《道路隧道技术标准（通风换气篇）及其解说》（日本道路协会，2001年10月）.

[5]高旭，王明年，郭春.泥巴山隧道通风井经济风速和经济断面的研究[C].全国公路隧道学术会议，2007.