公路隧道通风可以有效降低隧道内有害气体浓度和烟雾浓度，提高行车安全和舒适性，确保司乘人员和洞内工作人员的身体健康^{[1, 2, 3]}。高速公路进入山区后存在大量4~7 km的特长公路隧道，由于交通量、坡度等原因，左右线隧道的通风负荷往往存在较大差异，其中一条隧道需风量较大，如果单纯采用全射流纵向通风，会因隧道内风速过大而不能满足通风要求，而另一条隧道需风量较小，需风量通常由换气控制^{[4, 5, 6, 7]}。对于此类隧道的通风设计，传统做法是设置竖井或斜井，进行通风换气。修建通风井会导致通风系统投资大、运营管理费用高，电能浪费严重^{[8, 9, 10]}。针对此类隧道通风负荷不平衡的问题，文献^[11]首先提出了双洞互补的概念，但是并未给出这种通风方式的具体计算过程。胡彦杰^[12]等依托大别山隧道，提出了双洞互补式通风设计理论，分析了两条换气横通道换气风量相同时的设计方法，并运用于大别山隧道。双洞互补式通风技术在国内发展迅速，但是，目前没有该通风方式设计计算的普遍公式，本文考虑上、下行隧道长度不同，推导了两条横通道换气风量不同时地设计计算公式，换气风量的变化可以最大限度地发挥双洞互补式通风运营管理过程中的优势，通过算例分析了互补式通风方式的经济效益，采用模型试验验证了其可行性和可靠性，以期对该通风方式的设计提供参考。

双洞互补式通风系统如图 1所示。基本原理^[13]以纵向通风的方式为基础，辅以横向网络风道，将两条隧道通风系统联系起来构成一个整体，实现左右线隧道相互空气交换，用需风量较小的隧道(如左线隧道)内富裕的新风量去弥补需风量较大隧道(右线隧道)内新风量的不足，从而使得在取消或减少分段竖(斜)井的情况下，仍然保证两条隧道内的空气质量均满足要求。

图 1 互补式通风系统 Fig. 1 Complementary ventilation system

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左右线隧道的设计风量需满足：

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因风机功率与风量的三次方成正比，当隧道左、右线设计风量相等时，风机总功率最小，选取Q_L=Q_R。

图 2中两条斜线表示未设置互补式通风系统时左右线隧道污染物浓度分布，m表示左右隧道污染物浓度相等时距离右线隧道入口的长度；L_n表示右线隧道污染物浓度达到极值时距右线隧道入口的长度。换气横通道需安装在图 2所示L_m和L_n之间，如果安装在L_m左边，左线隧道内污染物浓度比右线还高，达不到换气的目的；如果安装在L_n右边，右线隧道内污染物浓度在换气之前已超过限制值，换气失去意义。

图 2 换气横通道安装范围 Fig. 2 Installation domain of air inter-exchange cross passage

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根据公路隧道通风基本理论，可计算出隧道内污染物浓度。

污染物为CO：

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设

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联立式(2)~(5)，可得

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L_m可根据左右线隧道内污染物浓度相等求得，计算式见式(8)：

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竖井送排式通风借助竖(斜)井与外部进行通风换气，双洞互补式通风利用相邻隧道进行通风换气，所以两条换气横通道间距的取值可参考送排式通风短道，其间距应不小于50 m。

将左右隧道分段如图 3所示，设两条换气横通道换气风量分别为Q_h1，Q_h2，左、右线隧道内共4个污染物浓度控制点，即左线隧道出口、左线隧道短道末端、右线隧道出口、右线隧道短道末端，4个控制点污染物浓度均不超过限制值，即：

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图 3 隧道分段 Fig. 3 Tunnel segments

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假设左右线隧道出口处污染物浓度相等，则：

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计算式(13)，可得：

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如果两条横通道内换气风量相等，换气前后隧道内气流波动较小。则有：

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初步设计完后，需要对左右线隧道内污染物浓度进行校核，公式如下：

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建立互补式通风系统试验模型，验证互补式通风换气的可行性和可靠性，模型总体布置见图 4，左右线隧道入口各布置一台离心送风机模拟隧道自然风、交通风和射流风机，左右线隧道间横向布置两台轴流风机，测试断面布置见图 5。

图 4 互补式通风模型 Fig. 4 Complementary ventilation model

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图 5 测试断面分布 Fig. 5 Layout of test sections

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近期交通量小时，左右线可以均采用全射流纵向通风，研究仅开启左右线离心送风机时隧道内风流流动情况，隧道内风流方向见图 6，各断面风速见表 1。

图 6 隧道内风流方向 Fig. 6 Wind direction inside tunnel

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分析图 6和表 1可知，仅开启离心送风机，如果不关闭2个横向联络风道，隧道可以形成2个U形回路，但是风道内风速较小，风量也较小。

远期交通量增大，仅开启离心送风机，换气风量较小，难以满足通风要求，可以同时开启离心送风机和轴流风机。保持轴流风机功率相同，调节功率分别为15,20,25,30,35 Hz和40 Hz,隧道内风流方向与图 6相同，风速分布见图 7。

图 7 隧道风速曲线 Fig. 7 Wind velocity curves of tunnel

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由图 7可知，随着轴流风机功率增大，隧道内风量增大，断面3风速降低，说明横向联络风道换气风量逐渐增大。左线排风段和右线送风段阻力格栅较多，风速降低较多，风量损失较多。风机功率增大，断面3和断面8风速均降低，需避免短道回流。试验中隧道风网形成了2个稳定的U形回路，换气风量可调节并且能够满足隧道通风要求，试验验证了双洞互补式通风系统的可行性和可靠性。

利用上述推导的双洞互补式通风计算方法，对国内某特长公路隧道进行通风设计。通风设计参数见表 2，左右线近远期需风量计算结果见表 3。由两表可知，右线隧道远期需风量超过其最大允许通风量，如果采用全射流纵向通风，风速将达到9.5 m/s，传统做法是修建通风井，进行分段送排式纵向通风。初步设计通风方案采用右洞斜井加射流风机纵向通风，斜井长约650 m；左洞全射流纵向通风，并在拱顶设置联络风道与右洞斜井连通，用于左洞火灾排烟。计算风机配置规模如表 4所示。

考虑到左右线远期需风量差异较大，且左右线隧道远期需风量之和小于隧道最大允许通风量之和，因此提出远期采用双洞互补式通风方案，互补式通风方案需风量见表 5。

由表 5可看出，与传统纵向式通风方案相比，双洞互补式通风方案有效地利用了隧道内部空间和下坡隧道的富裕通风能力，左线远期控制工况由换气变为交通阻滞。通过方案优化，即使在左右线同时达到最高峰的排放量，左右洞总需风量由979.39 m³/s降至889.31 m³/s，总需风量降低了9.2%。需风量降低使得在保证隧道内空气质量的前提下，通风系统总体规模大幅降低，运营费用下降，可以看出互补式通风方案是先进和合理的。

为了安全，取左右线总的设计风量为900 m³/s，当左右设计风量相等时，即Q_L=Q_R=450 m³/s是最经济合理的通风方案。

换气横通道安装范围计算如下：

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换气横通道间距取100 m，图 8给出了换气系统处于不同位置时的换气量Q_h。由图 8可知，随着互补式系统在允许安装范围内向右移动，通风横通道设计风量呈不断减少的趋势，考虑减小通风横通道设计风量，可将通风横通道安装在允许安装范围的最右端。同时，考虑人行、车行横洞位置及地质条件情况，设计将通风横通道设置在离右线隧道入口3 800 m 处，其通风横通道设计风量为218 m³/s。采用以上数据对隧道内污染物浓度进行校核，C₁,C₂,C₃,C₄均小于1，满足设计要求。

图 8 换气风量变化 Fig. 8 Variation of air inter-exchange volume

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依据风流阻力定律，由需风量可反算通风阻力，再结合自然风压和交通风压，由风压平衡定律可得出各通风段所需风机提供的升压力，最终根据计算的压力和风量确定风机台数，两种方案配机功率对比见表 6。

表 6可以看出，互补式通风方案风机配备电机功率比单斜井方案少885 kW，通风系统规模减小，运营管理费用下降，按照每度电0.6元/(kW·h)，平均每年减少运营管理费用约200万元，通车15 a共产生经济效益3 000万元。考虑到互补式通风方案两条横通道总长约80 m，单斜井方案通风斜井加联络风道总长约650 m，可以节约初期投资约1 500万元，同时，取消修建竖(斜)井可以避免对山体生态环境的破坏。可见，互补式通风方案优势明显，拥有良好的经济和生态效益。深入分析，双洞互补式通风节能主要体现在：(1)下坡隧道作为上坡隧道的换气竖井，下坡隧道稀释异味的风流引入上坡隧道，进行再利用，降低了总需风量。(2)风机功率与风量的三次方成正比，双向换气后，左右隧道风量均衡，总能耗降低，风机功率减小。(3)取消或者减少竖(斜)井，加快工程进度，减小施工风险，初期投资显著降低。

(1)双洞互补式通风方式适用于两洞需风量差异较大的单坡隧道，计算结果表明，单坡坡度大于1.5%，左右洞之间的风量比大于1.5，隧道长度在4~7 km时，可以采用这种通风方式。对于长度超过5 km的隧道，可以设置排烟竖井，与该通风方式结合使用。

(2)模型试验验证了双洞互补式通风方式的可行性和可靠性，随着横向联络风道内轴流风机功率增大，换气风量逐渐增大，短道内顺流风量逐渐减小，应避免出现短道回流。

(3)双洞互补式通风方式兼顾了纵向通风的优点，运营控制模式灵活。近期交通量小时可采用纯射流纵向通风；交通量增大时，可开启一条换气通道，采用单洞送入式纵向通风；交通量进一步增大，可开启两条换气通道，采用双洞互补式通风。

(4)经济性对比表明，双洞互补式通风方式节能优势明显，具有良好的经济效益和生态效益。

(5)该通风方式将左右线联系起来构成一个整体，采用该通风方式后，如何进行通风运营和防灾救援的联动控制，需要进一步深入研究。