呂梁山特長公路隧道通風(fēng)方案研究

李志鵬

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

隨著高速公路向山區(qū)的延伸，特長隧道甚至超長隧道將日漸增多。特長隧道運(yùn)營通風(fēng)方案的優(yōu)劣將直接影響到整個隧道工程的工程造價、運(yùn)營效益、行車環(huán)境以及防災(zāi)救災(zāi)的功能。因此根據(jù)隧道自身的特點(diǎn)，選取合理的通風(fēng)方案，是隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)階段必須認(rèn)真研究的課題。

國內(nèi)外長大公路隧道的通風(fēng)方式一般分為分段縱向、半橫向、全橫向和組合通風(fēng)方式。由于橫向通風(fēng)方式保持隧道內(nèi)衛(wèi)生狀況及防火排煙效果良好，但其缺點(diǎn)是初期土建費(fèi)用及后期的運(yùn)營費(fèi)用均很大。縱向通風(fēng)方式出現(xiàn)以后彌補(bǔ)了橫向通風(fēng)方式的不足，成為多數(shù)國家長大公路隧道首選的通風(fēng)方式。

國內(nèi)雖然現(xiàn)在已建成將近10座8.0～12.0 km的特長隧道，但通風(fēng)形式各不相同，通風(fēng)效果相差甚遠(yuǎn)。由于運(yùn)營期較短，所積累的經(jīng)驗(yàn)還不能滿足呂梁山隧道建設(shè)的需要。因此，必須結(jié)合呂梁山隧道的實(shí)際情況，對其通風(fēng)方式、通風(fēng)方案進(jìn)行研究，提出適合于呂梁山公路隧道實(shí)際情況的通風(fēng)方案。

1 工程概況

1.1 隧道的基本情況

呂梁山隧道是山西省祁縣至離石高速公路中的控制性工程，隧道位于山西省中部，東西向展布，橫貫呂梁山脈中部，地形地貌復(fù)雜，溝壑縱橫，山勢險峻，林木茂盛。

隧道為分離式雙洞單向交通，兩洞軸線相距50 m，最大埋深約430 m。左線設(shè)計(jì)長度9 818 m，進(jìn)口標(biāo)高1 471.509 m，出口標(biāo)高1 624.147 m，平均海拔高度1 547.828 m，坡度1.58%（上坡）。右線設(shè)計(jì)長度9 818 m，進(jìn)口標(biāo)高 1 624.154 m，出口標(biāo)高1 471.109 m，平均海拔高度 1 547.632 m，坡度-1.58%（下坡）。隧道設(shè)計(jì)行車速度80 km/h，隧道區(qū)域夏季平均溫度20℃。

1.2 設(shè)計(jì)原則

a）近期與遠(yuǎn)期相結(jié)合的原則。

b）前期建設(shè)投資與后期運(yùn)營費(fèi)用并重的原則。

c）適用于多種工況的原則。

d）應(yīng)滿足運(yùn)營安全、環(huán)保等的要求。

1.3 通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)

a）隧道通風(fēng)的安全標(biāo)準(zhǔn)以稀釋機(jī)動車排放的煙塵為主。b）衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)以稀釋機(jī)動車排放的一氧化碳為主。c）舒適性標(biāo)準(zhǔn)以換氣稀釋機(jī)動車帶來的異味為主。

d）火災(zāi)排煙按隧道全線同一時間發(fā)生一次火災(zāi)考慮。

2 需風(fēng)量計(jì)算

確定需風(fēng)量時，應(yīng)對稀釋煙塵、CO按隧道設(shè)計(jì)速度以下各工況車速10 km/h為一檔分別進(jìn)行計(jì)算，并計(jì)算交通阻滯、換氣和火災(zāi)排煙的需風(fēng)量，取其大者作為設(shè)計(jì)需風(fēng)量。

2.1 交通流組成

根據(jù)《祁縣至離石高速公路工程可行性研究報告》對交通量的預(yù)測，將呂梁山隧道路段的標(biāo)準(zhǔn)小客車交通量換算成混合車型設(shè)計(jì)高峰小時交通量，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 交通量計(jì)算表

按照工可提供的車型比例、各汽車代表車型、車輛折算系數(shù)以及各類車輛的發(fā)動機(jī)類型比例計(jì)算出近、遠(yuǎn)期各類型車輛的實(shí)際數(shù)量，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 各類型車輛實(shí)際數(shù)量計(jì)算表 veh/h

2.2 稀釋煙霧濃度的需風(fēng)量

根據(jù)《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D70/2-02—2014以下簡稱《細(xì)則》），隧道內(nèi)的煙塵排放量計(jì)算公式為：

稀釋煙霧的需風(fēng)量計(jì)算公式為：

2.3 稀釋CO的需風(fēng)量

根據(jù)《細(xì)則》，隧道內(nèi)的CO排放量計(jì)算公式為：

稀釋CO的需風(fēng)量計(jì)算公式為：

2.4 稀釋空氣中異味的需風(fēng)量

稀釋空氣中異味的需風(fēng)量公式為：

2.5 考慮火災(zāi)時排煙的需風(fēng)量

考慮火災(zāi)時排煙的需風(fēng)量公式為：

需風(fēng)量的計(jì)算結(jié)果見表3。

由于呂梁山隧道將配備完善的監(jiān)控系統(tǒng)，故不需考慮全程怠速行駛（平均車速20 km/h）的情況。結(jié)合國內(nèi)隧道實(shí)際運(yùn)營情況，大車在隧道內(nèi)實(shí)際車速較低，故本隧道近期控制需風(fēng)量取70 km/h車速對應(yīng)的風(fēng)量作為控制需風(fēng)量。遠(yuǎn)期取50 km/h車速對應(yīng)的風(fēng)量作為控制需風(fēng)量。

表3 各工況需風(fēng)量計(jì)算結(jié)果表 m3/s

3 呂梁山隧道通風(fēng)方案

3.1 方案一

根據(jù)隧道近、遠(yuǎn)期的控制需風(fēng)量、排煙要求及隧道長度，利用主體工程為了滿足工期要求而修建的兩處施工斜井（1號、2號斜井均位于隧道左線左側(cè)），將隧道左線分為3段，采用兩處斜井送排式+射流風(fēng)機(jī)縱向式通風(fēng)；右線同樣劃分為3個通風(fēng)區(qū)段，利用1號斜井排出式+豎井（YK74+600）送排式+射流風(fēng)機(jī)縱向式通風(fēng)。通風(fēng)方案一平面示意圖如圖1所示。

圖1 呂梁山隧道通風(fēng)方案一平面示意圖

3.2 隧道分段通風(fēng)計(jì)算

各分段需風(fēng)量應(yīng)結(jié)合隧道實(shí)際坡度分別計(jì)算，避免出現(xiàn)風(fēng)量不足和過剩的情況，對于呂梁山隧道左線兩斜井送排式通風(fēng)計(jì)算中，需假定各通風(fēng)區(qū)段排風(fēng)量Qei進(jìn)行試算，利用各設(shè)計(jì)判定條件檢驗(yàn)假定風(fēng)量的合理性。

通過分析左線各區(qū)段近、遠(yuǎn)期的送排風(fēng)量，暫定1號斜井排風(fēng)口面積Ae=50.3 m2，送風(fēng)口面積Ab=12.64 m2，2號斜井排風(fēng)口面積Ae=53.8 m2，送風(fēng)口面積Ab=16.56 m2，結(jié)合原始設(shè)計(jì)資料，可確定如下各量：取 Ke=0.9，Kb=1.0；左線第Ⅰ段排風(fēng)量 Qe1=206.75 m3/s，第Ⅱ段送風(fēng)量Qb2=530.0 m3/s，排風(fēng)量Qe2=424.0 m3/s，第Ⅰ段排風(fēng)風(fēng)速ve1=3.84 m/s，第Ⅱ段排風(fēng)風(fēng)速ve2=7.88 m/s，對左線遠(yuǎn)期分段通風(fēng)進(jìn)行試算見表4。

表4 左線遠(yuǎn)期分段通風(fēng)試算表

通過計(jì)算可以確定以下各量（見表5）。

表5 試算結(jié)果

對試算結(jié)果進(jìn)行合理性驗(yàn)算，結(jié)果如下：

1號斜井排風(fēng)口的濃度C1=Qe1/Qr1=0.939∈[0.9，1.0]，

2號斜井排風(fēng)口的濃度C2=Qe2/Qr2=0.902∈[0.9，1.0]，

隧道出口內(nèi)側(cè)處的濃度C3=1∈[0.9，1.0].

Qe1/Qr1=0.70＜1.0，1號斜井底部短道不產(chǎn)生回流，Qe1/Qr1=0.68＜1.0，2號斜井底部短道不產(chǎn)生回流。通過驗(yàn)算可知以上通過試算確定的各量合理，可以進(jìn)行下一步計(jì)算。

3.3 射流風(fēng)機(jī)調(diào)壓計(jì)算

根據(jù)壓力平衡條件判斷左線遠(yuǎn)期各通風(fēng)區(qū)段是否需要射流風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)壓，計(jì)算汽車產(chǎn)生的交通風(fēng)壓時，取vt=50 km/h進(jìn)行計(jì)算，壓力計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 左線遠(yuǎn)期壓力計(jì)算結(jié)果 Pa

通過計(jì)算，左線遠(yuǎn)期第一區(qū)段、第二區(qū)段、第三區(qū)段計(jì)算結(jié)果分別為-7.34（不需要設(shè)置調(diào)壓風(fēng)機(jī)，但要配置適量的排煙風(fēng)機(jī)）、37.27（需要設(shè)置38臺）和17.94（需要設(shè)置18臺），正常運(yùn)營條件下左線遠(yuǎn)期需要開啟56臺1120型射流風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)壓。同理，可算出右線3個區(qū)段所需射流風(fēng)機(jī)的臺數(shù)。

3.4 軸流風(fēng)機(jī)功率及送排風(fēng)機(jī)所需全壓計(jì)算

隧道左、右線所需設(shè)置的斜、豎井及風(fēng)道參數(shù)匯總?cè)绫?所示。

表7 斜、豎井及風(fēng)道參數(shù)匯總表

當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時，為保證隧道火災(zāi)臨界風(fēng)速為3 m/s，在不開啟軸流風(fēng)機(jī)的情況下，以射流風(fēng)機(jī)提供推力，對火災(zāi)工況進(jìn)行驗(yàn)算，左線需要設(shè)置射流風(fēng)機(jī)24臺，右線需要設(shè)置射流風(fēng)機(jī)24臺。最后得出整個隧道通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)配置見表8、表9。

表8 風(fēng)機(jī)配置表（左線）

表9 風(fēng)機(jī)配置表（右線）

3.5 方案二

通過方案一的計(jì)算結(jié)果可知，由于呂梁山隧道左線是上坡，需風(fēng)量較大，充分利用了1號和2號兩處施工斜井進(jìn)行分段通風(fēng)，通過驗(yàn)算，滿足要求。隧道右線需風(fēng)量較小，需要選取一處豎井，并為了滿足火災(zāi)煙霧在隧道內(nèi)最大行程不宜大于5 000 m的要求，右線同樣劃分為3個通風(fēng)區(qū)段，與左線共用一個排煙斜井，采用1號斜井排出式+豎井（YK74+600）送排式+射流風(fēng)機(jī)縱向式通風(fēng)，通過驗(yàn)算，也滿足要求。但是，豎井位置的選擇還不是唯一的，右線隧道還可以選擇豎井（YK72+400）送排式+2號斜井排出式+射流風(fēng)機(jī)縱向式通風(fēng)，作為方案二進(jìn)行同深度比選，通風(fēng)方案二的平面示意圖如圖2所示。

圖2 呂梁山隧道通風(fēng)方案二平面示意圖

此方案主要是在右線的通風(fēng)方式上和方案一有所區(qū)別，方案二中右線的計(jì)算結(jié)果見表10。

表10 風(fēng)機(jī)配置表（右線）

3.6 方案比較

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可知，方案一和方案二從技術(shù)上均是可行的。左線隧道由于通風(fēng)的分段與施工分段基本一致，充分利用了左線左側(cè)的兩處施工斜井作為通風(fēng)斜井，兩套方案的主要區(qū)別在于右線隧道豎井位置的不同，導(dǎo)致通風(fēng)方案差異。下面從環(huán)境影響角度對通風(fēng)方案做進(jìn)一步比選。

方案二豎井出口及地上風(fēng)機(jī)房所處位置地勢較低，附近有季節(jié)性地表溪流，距離風(fēng)機(jī)房500 m左右有村莊。選在此處施工，前期對周圍環(huán)境破壞較大，后期風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲以及排出的有害氣體會對周圍村民產(chǎn)生影響（秋、冬兩季排風(fēng)口處于村莊的上風(fēng)方向），方案一則不存在此類問題。

綜合比較，將方案一作為呂梁山隧道通風(fēng)系統(tǒng)的推薦方案。

4 結(jié)語

根據(jù)呂梁山隧道的具體情況，分析研究了適合于呂梁山隧道的通風(fēng)方案，利用了兩處施工斜井，采用了左、右線共用一處斜井排風(fēng)（一井兩用）的思路，并合理地選擇了豎井出口位置，充分考慮了運(yùn)營安全、技術(shù)可行性和環(huán)境保護(hù)的要求，最終給出了推薦方案，對類似隧道工程的研究具有參考和指導(dǎo)意義。