[0001] 本发明涉及公路隧道通风技术领域，具体涉及一种寒区公路隧道通风管道与风机的组合通风设计方法及装置。

[0002] 高海拔高寒地区地理环境恶劣，冬季温度通常在0℃以下，使得大量寒区公路隧道存在不同程度的冻害问题。空气幕防冻系统，作为一种高效的寒区公路隧道防冻措施，已在部分寒区隧道工程中得到应用。空气幕防冻系统能有效地防止外界寒冷空气进入隧道，但同时也阻挡了新鲜空气的进入及污染空气排出，给寒区公路隧道通风系统设计提出了新的挑战。因此，针对布设空气幕防冻系统的寒区公路隧道，亟需一种新的通风方式以保证寒区公路隧道的通风性。

[0060] 下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

[0061] 需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。本公开实施例的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开实施例的实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。除非另有说明，术语“多个”表示两个或两个以上。本公开实施例中，字符“/”表示前后对象是一种“或”的关系。例如，A/B表示：A或B。术语“和/或”是一种描述对象的关联关系，表示可以存在三种关系。例如，A和/或B，表示：A或B，或，A和B这三种关系。术语“对应”可以指的是一种关联关系或绑定关系，A与B相对应指的是A与B之间是一种关联关系或绑定关系。

[0062] 结合图1所示，本实施例提供了一种寒区公路隧道通风管道与风机的组合通风设计方法，包括：

[0063] 步骤S01、确定初始隧道通风管道；

[0064] 步骤S02、根据初始隧道通风管道确定对应的第一隧道通风区段和第二隧道通风区段；

[0065] 步骤S03、获取初始隧道通风管道、第一隧道通风区段和第二隧道通风区段的设计风速；

[0066] 步骤S04、根据各设计风速对初始隧道通风管道进行优化处理，确定最终隧道通风管道；

[0067] 步骤S05、确定与最终隧道通风管道组合通风的风机配置。

[0068] 在一些实施例中，公路隧道通风管道与风机的组合通风方式为分段式通风方式，布设关系如图2所示，寒区公路隧道结构中分为第一隧道通风区段和第二隧道通风区段，风速分别为Vr1和Vr2，隧道结构中的第二通风区段与通风管道部分重合，通风管道的风速为Ve。通风管道表示初始隧道通风管道或最终隧道通风管道。第一隧道通风区段采用常规的纵向通风方式，沿程布置射流风机，通过射流风机送入新风，保证较好通风效率。第二隧道通风区段采用通风管道排出通风方式。通风管道进口段布置排风轴流风机，另一端与布设在明洞结构的定制风幕机连接，通过通风管道排出的风幕热空气来排出隧道内污染空气，保证较好通风效率。这样，采用寒区公路隧道通风管道与射流风机组合通风方式，能在保证隧道空气幕防冻系统保温性能的同时，提高隧道通风系统运行效率，解决空气幕防冻系统的保温性与隧道内空气的流动性相互制约的难题，切实保障寒区公路隧道运营安全。

[0069] 可选地，通过以下公式确定初始隧道通风管道确定对应的第一隧道通风区段和第二隧道通风区段：

[0070] L2＝L’‑L0

[0071] L1＝L‑L2

[0072] 在上式中，L为隧道总长度，m；L1为第一隧道通风区段的长度，m；L2为第二隧道通风区段的长度，m；L’为隧道通风管道长度，m，L0为隧道明洞结构通风管道长度，m。

[0073] 可选地，隧道通风管道长度不超过隧道总长度的1/2。

[0074] 可选地，获取初始隧道通风管道、第一隧道通风区段和第二隧道通风区段的设计风速，包括：获取第二隧道通风区段的第二设计风量；根据第二设计风量获取第二设计风速；根据第二设计风速获取第二隧道通风区段的第二通风阻力；根据第二通风阻力获取隧道通风管道的排风设计风速；根据第二设计风速和排风设计风速获取第一隧道通风区段的第一设计风速。

[0075] 在一些实施例中，第一隧道通风区段的需风量按照隧道设计速度以下10km/h为一档，分别计算针对稀释烟尘、CO的需风量，并计算换气需风量，取其较大者作为第一隧道通风区段的第一设计风量，第一隧道通风区段的第一设计风量Q1≥max(Qreq1(VI),Qreq1(CO),3
Qreq1(ac))；其中，Q1为第一隧道通风区段的第一设计风量，m /s；Qreq1(VI)为第一隧道通风区段
3 3
的稀释烟尘需风量，m/s；Qreq1(CO)为第一隧道通风区段的稀释CO需风量，m /s；Qreq1(ac)为第
3
一隧道通风区段的换气需风量，m/s。

[0076] 在一些实施例中，第二隧道通风区段的第二设计风量按照隧道设计速度以下10km/h为一档，采用现有技术分别计算针对稀释烟尘、CO的需风量，并计算换气需风量，取其较大者作为第二隧道通风区段的设计风量。第二隧道通风区段Q2≥max(Qreq2(VI),Qreq2(CO),
3
Qreq2(ac))；其中，Q2为第二设计风量，Qreq2(VI)为第二隧道通风区段的稀释烟尘需风量，m/s；
3
Qreq2(CO)为第二隧道通风区段的稀释CO需风量，m/s；Qreq2(ac)为第二隧道通风区段的换气需
3
风量，m/s。

[0077] 可选地，根据第二设计风量获取第二设计风速包括：将第二设计风量除以第二隧道通风区段的净空断面积，获得第二设计风速。

[0078] 可选地，第二设计风速的计算公式为： 其中，v2为第二隧道通风区段的第二设计风速，m/s；A2为第二隧道通风区段的净空断面积。

[0079] 可选地，根据第二设计风速获取第二隧道通风区段的第二通风阻力，包括：获取隧道结构参数、交通参数、环境参数以及第二隧道通风区段的第二区段参数；根据第二设计风速、隧道结构参数、交通参数、环境参数以及第二区段参数计算第二隧道通风区段的第二通风阻力。

[0080] 在一些实施例中，隧道结构参数包括隧道出口局部阻力系数、隧道沿程阻力系数。交通参数包括汽车等效阻抗面积、隧道设计小时交通量、隧道内工况车速。环境参数包括隧道空气密度。第二区段参数包括第二隧道通风区段的长度、第二隧道通风区段的断面当量直径、第二隧道通风区段的净空断面积。

[0081] 可选地，第二通风阻力通过以下公式计算：

[0082]

[0083] 在上式中，ΔP2为第二通风阻力，ξex为隧道出口局部阻力系数，λ为隧道沿程阻力系数，L2为第二隧道通风区段的长度，D2为第二隧道通风区段的断面当量直径，ρ为隧道空气密度，vn为自然风引起的隧道内风速，v2为第二隧道通风区段的设计风速，Am为汽车等效阻抗面积，A2为第二隧道通风区段的净空断面积，N为隧道设计小时交通量，vt为隧道内工况车速。

[0084] 可选地，根据第二通风阻力获取隧道通风管道的排风设计风速，包括：根据第二通风阻力确定隧道通风管道口的升压力；根据隧道结构参数、第一隧道通风区段的第一区段参数、第二隧道通风区段的第二区段参数和升压力计算隧道通风管道的排风设计风速。

[0085] 可选地，根据第二通风阻力确定隧道通风管道口的升压力，包括：根据第二通风阻力确定隧道通风管道口的升压力的取值范围，公式表示为：ΔPe≥ΔP2；其中，ΔP2为第二隧2 2
道通风区段的第二通风阻力，N/m；ΔPe为通风管道口升压力，N/m。

[0086] 可选地，获取隧道通风管道的排风设计风速包括：

[0087]

[0088] 在上式中，ρ为隧道空气密度，kg/m3；Ae为隧道通风管道的断面积，m2；A1为第一隧2
道通风区段的净空断面积，m ；Ke为排风口升压动量系数，ve为隧道通风管道的排风设计风速，m/s；v2为第二隧道通风区段的设计风速，m/s；A2为第二隧道通风区段的净空断面积；Δ
2
Pe为隧道通风管道口升压力，N/m。

[0089] 可选地，根据第一设计风量、第二设计风速和排风设计风速获取第一隧道通风区段的第一设计风速，包括：根据第一设计风量和第一隧道通风区段的净断空面积获取第一备选设计风速；根据第二设计风速和排风设计风速计算第二备选设计风速；选取第一备选设计风速和第二备选设计风速中的最大值作为第一隧道通风区段的第一设计风速。

[0090] 可选地，根据第一设计风量和第一隧道通风区段的净断空面积获取第一备选设计风速，包括：将第一设计风量除以第一隧道通风区段的净断空面积，获得第一备选设计风速。

[0091] 可选地，第二备选设计 其中，A1为第一隧道通风区段的净空2
断面积，m；ve为隧道通风管道的排风设计风速，m/s；v2为第二隧道通风区段的设计风速，m/
2
s；A2为第二隧道通风区段的净空断面积，Ae为隧道通风管道的断面积，m。

[0092] 可选地，选取第一备选设计风速和第二备选设计风速中的最大值作为第一隧道通风区段的第一设计风速，公式表示为：

[0093] 可选地，根据各设计风速对初始隧道通风管道进行优化处理，确定最终隧道通风管道，包括：判断第一设计风速、第二设计风速和排风设计风速是否满足预设通风条件；若满足预设通风条件，则初始隧道通风管道的通风验证成功，将初始隧道通风管道确定为最终隧道通风管道；若不满足预设通风条件，则不断减小初始隧道通风管道的长度，将每次减小长度后的初始隧道通风管道作为新的隧道通风管道进行通风验证，并在新的隧道通风管道的通风验证成功时停止减小初始隧道通风管道的长度，将通风验证成功的新的隧道通风管道确定为最终隧道通风管道。

[0094] 可选地，预设通风条件为第一设计风速、第二设计风速小于或等于第一预设风速指标，排风设计风速小于或等于第二预设风速指标。

[0095] 在一些实施例中，第一预设风速指标为10.0m/s，第一设计风速、第二设计风速小于或等于10.0m/s。特殊情况下，第一预设风速指标为12.0m/s，第一设计风速、第二设计风速小于或等于12.0m/s。第二预设风速指标为20.0m/s，排风设计风速小于或等于20.0m/s。

[0096] 在一些实施例中，获取最终隧道通风管道的流程如下所示：

[0097] 步骤S11、确定初始隧道通风管道；

[0098] 步骤S12、根据初始隧道通风管道确定对应的第一隧道通风区段和第二隧道通风区段；

[0099] 步骤S13、获取第二隧道通风区段的第二设计风速；

[0100] 步骤S14、获取隧道通风管道的排风设计风速；

[0101] 步骤S15、根据第二设计风速和排风设计风速获取第一隧道通风区段的第一设计风速；

[0102] 步骤S16、判断第一设计风速、第二设计风速和排风设计风速是否满足预设通风条件；若满足预设通风条件，则初始隧道通风管道的通风验证成功，执行步骤S17，若不满足预设通风条件，执行步骤S18；

[0103] 步骤S17、将初始隧道通风管道确定为最终隧道通风管道；

[0104] 步骤S18、减小初始隧道通风管道的长度，获得新的隧道通风管道，将新的隧道通风管道作为初始隧道通风管道返回步骤S11。

[0105] 可选地，确定与最终隧道通风管道组合通风的风机配置，包括：确定最终隧道通风管道对应的第三隧道通风区段和第四隧道通风区段；计算第三隧道通风区段的第三通风阻力和第四隧道通风区段的第四通风阻力；根据第三通风阻力和第四通风阻力筛选风机配置。

[0106] 可选地，若最终隧道通风管道为初始隧道通风管道，则第三隧道通风区段和第四隧道通风区段分别为第一隧道通风区段和第二隧道通风区段。若最终隧道通风管道为新的隧道通风管道，则采用与初始隧道通风管道确定第一隧道通风区段和第二隧道通风区段相同的方式，确定其对应的第三隧道通风区段和第四隧道通风区段。

[0107] 可选地，第三隧道通风区段的第三通风阻力与第一隧道通风区段的第一通风阻力计算方式相同。第四隧道通风区段的第四通风阻力与第二隧道通风区段的第二通风阻力计算方式相同。

[0108] 可选地，第一通风阻力或第三通风阻力的计算公式为：

[0109]

[0110] 在上式中，ΔP1为第一隧道通风区段的通风阻力，N/m2；ξe为隧道入口局部阻力系数；ξs为隧道分流局部阻力系数；D1为第一隧道通风区段的断面当量直径，m。

[0111] 可选地，根据第三通风阻力和第四通风阻力筛选风机配置包括：根据第三通风阻力确定射流风机群总升压力的范围，并根据射流风机群总升压力的范围选取射流风机的型号和配置；根据第四通风阻力确定轴流风机群总升压力的范围，并根据轴流风机群总升压力的范围选取轴流风机的型号和配置。

[0112] 在一些实施例中，根据第三通风阻力确定射流风机群总升压力的范围包括：射流风机群总升压力大于或等于第三通风阻力。根据第四通风阻力确定轴流风机群总升压力的范围包括轴流风机群总升压力大于或等于第四通风阻力。

[0113] 在一些实施例中，当第三通风阻力等于第一通风阻力时，射流风机群总升压力的2 2
范围为：∑Pj≥ΔP1；其中，∑Pj为射流风机群总升压力，N/m ；ΔP1为第一通风阻力，N/m 。当第四通风阻力等于第二通风阻力时，轴流风机群总升压力的范围为：∑Pa≥ΔP2；其中，∑Pa
2
为轴流风机群总升压力，N/m，ΔP2为第二通风阻力。

[0114] 结合图3所示，一种寒区公路隧道通风管道与风机的组合通风设计装置，包括：初始隧道通风管道确定模块101，被配置为确定初始隧道通风管道；并根据初始隧道通风管道确定对应的第一隧道通风区段和第二隧道通风区段；设计风速获取模块102，被配置为获取初始隧道通风管道、第一隧道通风区段和第二隧道通风区段的设计风速；通风验证模块103，被配置为根据各设计风速对初始隧道通风管道进行优化处理，确定最终隧道通风管道，风机配置确定模块104，被配置为确定与最终隧道通风管道组合通风的风机配置。

[0115] 在一些实施例中，空气幕防冻系统的关键组成是通风管道，本方案在空气幕防冻系统的基础设施上合理设计隧道通风管道，并配置与隧道通风管道组合的风机，使得隧道通风管道在实现空气幕防冻系统的基础上，实现通风功能。在适用性及经济性上有较大的优势。本方案实现了通风管道长度及相应的通风设计参数的合理确定，具有较好的工程应用价值。

[0116] 下面通过实施例对本发明进行具体的描述，结合具体实例来应用本发明提出的一种寒区公路隧道通风管道与风机的组合通风设计方法及装置。

[0117] 本实施例1以某寒区高海拔公路隧道为例，基本通风设计参数如下：

[0118] 隧道等级为一级公路隧道，设计时速为80km/h，隧道长度为5km，净空面积为2 3
65.65m；隧址平均海拔为2400m，空气密度为0.907kg/m，自然风引起的洞内风速为2m/s；隧道2028年、2035年、2040年及2045年混合车型设计高峰小时交通量分别为315辆/h、548辆/h、769辆/h以及1056辆/h。

[0119] 对于设计交通量较小的寒区高海拔公路隧道，例如本实施例1，隧道内发生交通阻滞的概率非常小，且隧道以及所在路段均设有完善的交通监控系统，即使隧道内出现交通阻滞时，也可以通过交通管制来限制进洞车辆数，因此，相比按照交通阻滞工况设置通风系统，本实施例基于不同工况车速验算设计风速，更符合实际情况，进一步说明了本发明提供的寒区公路隧道通风管道与风机的组合通风设计方法的实用性。

[0120] 一种寒区公路隧道通风管道与风机的组合通风设计方法的具体步骤如下：

[0121] 步骤S31、隧道总长度为5000m，拟定初始隧道通风管道的长度为2050m；第一隧道通风区段的长度为3000m，第二隧道通风区段的长度为2000m。

[0122] 步骤S32、计算第二隧道通风区段的设计风速，结果如图4所示，第一隧道通风区段的设计风速如图5所示，初始隧道通风管道的设计风速如图6所示。图4‑图6分别为考虑2028年、2035年、2040年及2045年的远期交通量的情况下，各种工况车速的设计风速折线图。

[0123] 步骤S33、第二隧道通风区段的设计风速均小于10.0m/s，符合要求；第一隧道通风区段的设计风速最高达到13.1m/s，超过10.0m/s，不符合要求。隧道通风管道内设计风速最高达到25.1m/s，超过20.0m/s，不符合要求。

[0124] 步骤S34、则初始隧道通风管道的长度2050m、第一隧道通风区段的长度3000m，第二隧道通风区段的长度2000m不符合各项指标要求，该隧道通风方案不合理，减少初始隧道通风管道的长度后，重新论证隧道通风管道的通风，直到满足要求为止。

[0125] 实施例2：

[0126] 本实施例2是在实施例1的基础上，进一步合理确定通风管道长度及相应的通风设计参数，具体如下：

[0127] 步骤S41、隧道总长度为5000m，拟定新的隧道通风管道的长度为1550m；新的隧道通风管道对应的第三隧道通风区段的长度为3500m，第四隧道通风区段的长度为1500m。

[0128] 步骤S42、计算第四隧道通风区段的设计风速，结果如图7所示，第三隧道通风区段的设计风速如图8所示，新的隧道通风管道的设计风速如图9所示。图7‑图9分别为考虑2028年、2035年、2040年及2045年的远期交通量的情况下，各种工况车速的设计风速折线图。

[0129] 步骤S43、第四隧道通风区段的设计风速均小于10.0m/s，符合要求；第四隧道通风区段的设计风速均小于10.0m/s，符合要求；隧道通风管道内设计风速均小于20.0m/s，符合要求。

[0130] 步骤S44、计算第三隧道通风区段和第四隧道通风区段的通风阻力，根据通风阻力确定风机群总升压力的范围，进而确定风机的选型与配置为：1120型射流风机，单机功率为30kW，隧道同一断面布置2台防灾射流风机；共配置24台1120型射流风机。

[0131] 本方案针对不同通风管道长度方案以及相应的需风量、设计风量、风速等进行反复试算，通过设计风速确定合理的通风管道长度及相应的通风设计参数，以最终确定合理的隧道通风管道与风机组合，解决空气幕防冻系统的保温性与隧道内空气的流动性相互制约的难题，切实保障寒区公路隧道运营安全。

[0132] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。