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随着我国公路建设的快速发展，长度超过3000m的特长公路隧道大量出现，其运营安全问题日趋受到广泛的关注。由于稀释中长公路隧道内的有害气体相对较困难，所以中长公路隧道建设及运营中面临的首要问题便是隧道的通风问题。目前，隧道通风研究的焦点集中在机械式通风方式的选择等方面，对自然风、纵向式通风的研究较少。以日本为代表的公路隧道发达国家多采用纵向式通风。本文通过黄土梁隧道的需风量计算，以及对三种常见通风方式的比较，得出了如何选择中长隧道的最优通风方式。
一、隧道通风方式的比较
（一）自然通风
自然通风是依靠自然风力和行驶车辆活塞作用所造成的交通风力使空气在隧道内沿纵向流动，不需专门设置风道和风机，它是一种最经济的通风方式。自然通风仅对于短隧道，车辆行驶活塞作用相当明显。
由于气象条件、自然风力和交通运行条件都是不断变化的，因此，隧道内气流很不稳定，汽车排出的CO等有害物浓度难以控制，此外，在火灾时自然通风的排烟能力很差，这是造成自然通风不可靠性的致命弱点，并限制了它的使用。国内外在选择自然通风方式时,通常根据隧道长度和交通量大小来确定。我国有关规范规定，当LN≥600采用机械通风，当LN＜600，采用自然通风(L一隧道长度，km；N一车辆高峰小时交通量，辆/小时)。
（二）机械通风
1、纵向式通风
纵向式通风是利用在隧道顶部的风机使空气在隧道内纵向流动。其典型方式有全射流通风和竖井吸出式通风二种，如图1与图2。
全射流通风节省通风管道，不增加隧道断面，无需风机房，土建费用低，且由于隧道横断面积大，空气流动阻力小，经常费用也较低；能充分利用汽车交通风。其缺点是空气污染浓度从入口向出口处逐渐增加，为使出口处浓度达到允许值，势必要加大通风量，污染空气集中从隧道出口处排出，对洞口环境造成影响；存在纵向气流，对控制火灾不利。
为解决空气污染浓度限制隧道通风长度间题，发展了射流风机加集中排风竖井的竖井吸出式通风，这种方式既解决了通风区断过长，又解决了桐口环境污染严重的间题。如日本真鹤隧道位处城市，地理位置决定了污染空气不允许从峨口排出，为此在对周围环境影响较小的地方设里了二个排风竖井，有效地解决了通风间题，又消除了对城市的污染。
国内外公认的纵向式通风方式传统长度界限为2000米，但由于纵向式通风经济、方便施工的突出优点，特别是随着射流通风技术不断发展，日趋完善，近几年国内外已有大量工程突破了2000米长度界限，并取得了成功经验!据不完全统计，欧美、日本有40座2000米以上长隧道继续采用射流通风方式，日本第二神户隧道，全长7175米，仍采用竖井射流纵向通风，完全达到横向通风的使用和环保要求3；我国成渝高速公路上的中梁山隧道（左3165m，右3103m），缙云山隧道（左2528m，右2478m）也打破了2000米界限，在国内首次变半横向通风为竖井吸出式通风，取得显著经济效益。
全纵向射流风机式通风方式是一种经济的，对环境污染小的通风方式，一般要求机械形成的最大风速不超过10m/s。
2、全横向式通风
全横向式通风即在隧道内设置专用送、排风管道，沿风道均匀设置风口，送入或排出等量空气。CO、烟尘等有害物由送入新风稀释，污染空气经排风吸入纵向排风道，最后排入大气。此种方式由于气体在车道断面上呈横向流动，使CO、烟雾等有害物排出路程短，污染浓度沿车道全程均匀分布，新鲜空气充分利用，且隧道内无明显纵向气流，火灾时火势也不会迅速纵向蔓延，有利防火排烟。这种通风方式虽然投资和日常费用高，但隧道长度不受限制，安全可靠。
全横向通风方式要在隧道内设置专用送、排风道，前期投资和后期的日常费用都非常高，因此，在达到相同标准的情况下，建议不采用这种通风方式。
3、半横向式通风
半横式通风即在隧道内仅设送风道，而利用车道作为相应的排风道，此种方式如图所示。与全横向式相比，由于少了专门排风道，节约了投资和日常运行费用。但由于气流在隧道内呈纵向流动，对防火不利。
二、隧道需风量计算
根据《通风照明设计规范》，隧道需风量应根据通过隧道的交通量、道路等级、设计纵坡参数以及CO与烟雾的控制标准等分别按下式计算：
（1）稀释CO所需新风量的计算公式
QCO = 0.27778€?0-6€譹co€譮a€譮d€譮h€譮iv€譒€住?Nm€譮m) （2—1）
式中：QCO——隧道全长一氧化碳排放量，m3·s-1；qco——CO基准排放量，m3/P(辆/km)；fa——CO的车况系数；fd——车辆密度系数；fh——CO的海拔高度系数；fiv——CO坡度—速度系数；fm为CO的车型系数；L——隧道长度，m；Nm——相应的车型的交通量。
稀释CO需风量为：
Qreq = €? €? €?106 （2—2）
式中：co——CO设计浓度，ppm；p0，p——标准大气压，kPa；隧址大气压，kPa；T0，T——标准气温，273K，隧道夏季设计温度，K。
（2）烟雾计算公式
Qyw = 0.27778€?0-6€譹yw€譮a€譮d€譮h€譮iv€譒€住?Nm€譮m) （2—3）
式中:Qyw——隧道全长烟雾排放量，m3·s-1；qyw——烟雾基准排放量，m3/P(辆/km)；fa——烟雾的车况系数；fd——车辆密度系数；fh——烟雾的海拔高度系数；fiv——烟雾坡度—速度系数；fm为烟雾的车型系数；L——隧道长度，m；Nm——相应的车型的交通量。
稀释烟雾需风量为:
（2—4）
式中:K为烟雾的设计浓度，m-1。
（3）交通阻滞工况及火灾情况
目前，通风计算中所采用的阻滞模式主要有以下两种：全阻模式，交通阻滞。在设计车速为60km/h的隧道中车辆实际行驶速度为10km/h时，车辆交通将逐步由拥挤交通流转化为阻塞交通流。所以，在设计将10km/h作为交通阻滞工况，而将20km/h作为一般工况计算车速。一般长度在1km以上的公路隧道均有交通监控设施，且在野外公路隧道中发生1km以上的交通阻滞概率较低。
火灾工况设计控制风速取火灾时的临界风速。根据美国矿业局研究的结果，临界风速大致在2.75~3.0m/s之间，火灾工况下设计控制风速可取3.0m/s，相当于需风量为300m3/s。
三、工程实例研究
（一）工程概况
黄土梁隧道及引道工程是灾后重建的省道205线中的一段，起于黄土梁隧道出口的阿坝州九寨沟县勿角乡勿角林场，止于绵阳市平武县白马乡罗通坝，与原S205线相接。黄土梁隧道总长4895米。
（二）需风量计算
1、设计交通量
各特征年不同车型的高峰小时设计交通量参考《交通分析及预测》，具体数数据如表1示。
根据交通量预测和车辆构成，取方向不均匀系数取0.55，单洞隧道高峰小时交通量系数为10％。列出车辆构成比例及车辆数、车辆柴油车比例系数等参数。
一般车辆柴油车比例系数为：
小货车：70%中货车：70%大货车：100%拖挂车：100%小客车：0大中客车：65%
2、隧道方案通风系统选择
隧道通风按近期、中期、远期考虑，分别对应年限为2012年、2020年、2031年。
黄土梁隧道长4895m，纵坡+2.0%；右线长4906m，纵坡-2.0%。设计需风量取交通阻滞和20～60km/h车速工况稀释一氧化碳（CO）和烟雾（VI）、除异味（换气）、火灾通风需风量中的最大者，根据需风量计算公式计算出黄土梁隧道左线需风量，由于规范采用的基准排放量是以1995年为起点，按规范要求计算CO、VI的基准折减系数按1.5%计取，需风量计算结果计算如表2。
经计算比较，黄土梁隧道最大设计需风量为592.91m3/s，则设计风速为7.05m/s<10m/s。完全可以满足隧道纵向通风时对设计风速的要求，故隧道采用全纵向射流风机式通风方式。
四、结论
（一）经过通风方式比较，在能达到相同通风标准的前提下，全纵向射流风机式通风方式既能减少前期的施工投资，又能减少日常的费用，并且环境污染也比较小。
（二）黄土梁隧道的需风量结果表明，随着射流通风技术的不断发展，全纵向射流式通风不仅适用于2000m长的隧道，而且能使用于更长的隧道。
（三）在隧道进行通风设计时，首先应根据隧道的特征，周围环境等因素来合理的选择通风方式。
综合比较分析，自然通风方式适合比较短的隧道，而对于中长隧道通风方式的选择，必须选择机械通风方式。采用全横向式通风，隧道长度不受限制，安全可靠。适合各种长度的隧道，但是，这种通风方式的投资和日常费用很高；采用半横向式通风，虽然能节省投资和日常费用，但是在火灾的时候又不方便救援。因此，在达到相同标准和规范的基础上，可以考虑全纵向射流式通风，随着射流通风技术不断发展，日趋完善，全纵向射流通风方式已经可以使用越来越长的隧道了。
（作者单位：长安大学）
一、隧道通风方式的比较
（一）自然通风
自然通风是依靠自然风力和行驶车辆活塞作用所造成的交通风力使空气在隧道内沿纵向流动，不需专门设置风道和风机，它是一种最经济的通风方式。自然通风仅对于短隧道，车辆行驶活塞作用相当明显。
由于气象条件、自然风力和交通运行条件都是不断变化的，因此，隧道内气流很不稳定，汽车排出的CO等有害物浓度难以控制，此外，在火灾时自然通风的排烟能力很差，这是造成自然通风不可靠性的致命弱点，并限制了它的使用。国内外在选择自然通风方式时,通常根据隧道长度和交通量大小来确定。我国有关规范规定，当LN≥600采用机械通风，当LN＜600，采用自然通风(L一隧道长度，km；N一车辆高峰小时交通量，辆/小时)。
（二）机械通风
1、纵向式通风
纵向式通风是利用在隧道顶部的风机使空气在隧道内纵向流动。其典型方式有全射流通风和竖井吸出式通风二种，如图1与图2。
全射流通风节省通风管道，不增加隧道断面，无需风机房，土建费用低，且由于隧道横断面积大，空气流动阻力小，经常费用也较低；能充分利用汽车交通风。其缺点是空气污染浓度从入口向出口处逐渐增加，为使出口处浓度达到允许值，势必要加大通风量，污染空气集中从隧道出口处排出，对洞口环境造成影响；存在纵向气流，对控制火灾不利。
为解决空气污染浓度限制隧道通风长度间题，发展了射流风机加集中排风竖井的竖井吸出式通风，这种方式既解决了通风区断过长，又解决了桐口环境污染严重的间题。如日本真鹤隧道位处城市，地理位置决定了污染空气不允许从峨口排出，为此在对周围环境影响较小的地方设里了二个排风竖井，有效地解决了通风间题，又消除了对城市的污染。
国内外公认的纵向式通风方式传统长度界限为2000米，但由于纵向式通风经济、方便施工的突出优点，特别是随着射流通风技术不断发展，日趋完善，近几年国内外已有大量工程突破了2000米长度界限，并取得了成功经验!据不完全统计，欧美、日本有40座2000米以上长隧道继续采用射流通风方式，日本第二神户隧道，全长7175米，仍采用竖井射流纵向通风，完全达到横向通风的使用和环保要求3；我国成渝高速公路上的中梁山隧道（左3165m，右3103m），缙云山隧道（左2528m，右2478m）也打破了2000米界限，在国内首次变半横向通风为竖井吸出式通风，取得显著经济效益。
全纵向射流风机式通风方式是一种经济的，对环境污染小的通风方式，一般要求机械形成的最大风速不超过10m/s。
2、全横向式通风
全横向式通风即在隧道内设置专用送、排风管道，沿风道均匀设置风口，送入或排出等量空气。CO、烟尘等有害物由送入新风稀释，污染空气经排风吸入纵向排风道，最后排入大气。此种方式由于气体在车道断面上呈横向流动，使CO、烟雾等有害物排出路程短，污染浓度沿车道全程均匀分布，新鲜空气充分利用，且隧道内无明显纵向气流，火灾时火势也不会迅速纵向蔓延，有利防火排烟。这种通风方式虽然投资和日常费用高，但隧道长度不受限制，安全可靠。
全横向通风方式要在隧道内设置专用送、排风道，前期投资和后期的日常费用都非常高，因此，在达到相同标准的情况下，建议不采用这种通风方式。
3、半横向式通风
半横式通风即在隧道内仅设送风道，而利用车道作为相应的排风道，此种方式如图所示。与全横向式相比，由于少了专门排风道，节约了投资和日常运行费用。但由于气流在隧道内呈纵向流动，对防火不利。
二、隧道需风量计算
根据《通风照明设计规范》，隧道需风量应根据通过隧道的交通量、道路等级、设计纵坡参数以及CO与烟雾的控制标准等分别按下式计算：
（1）稀释CO所需新风量的计算公式
QCO = 0.27778€?0-6€譹co€譮a€譮d€譮h€譮iv€譒€住?Nm€譮m) （2—1）
式中：QCO——隧道全长一氧化碳排放量，m3·s-1；qco——CO基准排放量，m3/P(辆/km)；fa——CO的车况系数；fd——车辆密度系数；fh——CO的海拔高度系数；fiv——CO坡度—速度系数；fm为CO的车型系数；L——隧道长度，m；Nm——相应的车型的交通量。
稀释CO需风量为：
Qreq = €? €? €?106 （2—2）
式中：co——CO设计浓度，ppm；p0，p——标准大气压，kPa；隧址大气压，kPa；T0，T——标准气温，273K，隧道夏季设计温度，K。
（2）烟雾计算公式
Qyw = 0.27778€?0-6€譹yw€譮a€譮d€譮h€譮iv€譒€住?Nm€譮m) （2—3）
式中:Qyw——隧道全长烟雾排放量，m3·s-1；qyw——烟雾基准排放量，m3/P(辆/km)；fa——烟雾的车况系数；fd——车辆密度系数；fh——烟雾的海拔高度系数；fiv——烟雾坡度—速度系数；fm为烟雾的车型系数；L——隧道长度，m；Nm——相应的车型的交通量。
稀释烟雾需风量为:
（2—4）
式中:K为烟雾的设计浓度，m-1。
（3）交通阻滞工况及火灾情况
目前，通风计算中所采用的阻滞模式主要有以下两种：全阻模式，交通阻滞。在设计车速为60km/h的隧道中车辆实际行驶速度为10km/h时，车辆交通将逐步由拥挤交通流转化为阻塞交通流。所以，在设计将10km/h作为交通阻滞工况，而将20km/h作为一般工况计算车速。一般长度在1km以上的公路隧道均有交通监控设施，且在野外公路隧道中发生1km以上的交通阻滞概率较低。
火灾工况设计控制风速取火灾时的临界风速。根据美国矿业局研究的结果，临界风速大致在2.75~3.0m/s之间，火灾工况下设计控制风速可取3.0m/s，相当于需风量为300m3/s。
三、工程实例研究
（一）工程概况
黄土梁隧道及引道工程是灾后重建的省道205线中的一段，起于黄土梁隧道出口的阿坝州九寨沟县勿角乡勿角林场，止于绵阳市平武县白马乡罗通坝，与原S205线相接。黄土梁隧道总长4895米。
（二）需风量计算
1、设计交通量
各特征年不同车型的高峰小时设计交通量参考《交通分析及预测》，具体数数据如表1示。
根据交通量预测和车辆构成，取方向不均匀系数取0.55，单洞隧道高峰小时交通量系数为10％。列出车辆构成比例及车辆数、车辆柴油车比例系数等参数。
一般车辆柴油车比例系数为：
小货车：70%中货车：70%大货车：100%拖挂车：100%小客车：0大中客车：65%
2、隧道方案通风系统选择
隧道通风按近期、中期、远期考虑，分别对应年限为2012年、2020年、2031年。
黄土梁隧道长4895m，纵坡+2.0%；右线长4906m，纵坡-2.0%。设计需风量取交通阻滞和20～60km/h车速工况稀释一氧化碳（CO）和烟雾（VI）、除异味（换气）、火灾通风需风量中的最大者，根据需风量计算公式计算出黄土梁隧道左线需风量，由于规范采用的基准排放量是以1995年为起点，按规范要求计算CO、VI的基准折减系数按1.5%计取，需风量计算结果计算如表2。
经计算比较，黄土梁隧道最大设计需风量为592.91m3/s，则设计风速为7.05m/s<10m/s。完全可以满足隧道纵向通风时对设计风速的要求，故隧道采用全纵向射流风机式通风方式。
四、结论
（一）经过通风方式比较，在能达到相同通风标准的前提下，全纵向射流风机式通风方式既能减少前期的施工投资，又能减少日常的费用，并且环境污染也比较小。
（二）黄土梁隧道的需风量结果表明，随着射流通风技术的不断发展，全纵向射流式通风不仅适用于2000m长的隧道，而且能使用于更长的隧道。
（三）在隧道进行通风设计时，首先应根据隧道的特征，周围环境等因素来合理的选择通风方式。
综合比较分析，自然通风方式适合比较短的隧道，而对于中长隧道通风方式的选择，必须选择机械通风方式。采用全横向式通风，隧道长度不受限制，安全可靠。适合各种长度的隧道，但是，这种通风方式的投资和日常费用很高；采用半横向式通风，虽然能节省投资和日常费用，但是在火灾的时候又不方便救援。因此，在达到相同标准和规范的基础上，可以考虑全纵向射流式通风，随着射流通风技术不断发展，日趋完善，全纵向射流通风方式已经可以使用越来越长的隧道了。
（作者单位：长安大学）