高速公路特長(zhǎng)隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

常國(guó)偉

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

1 工程概況

近年來(lái)我國(guó)公路隧道建設(shè)規(guī)模逐步擴(kuò)大，特別是山西省高速公路10 km以上的超特長(zhǎng)隧道不斷增多，特長(zhǎng)隧道通風(fēng)系統(tǒng)的建設(shè)與運(yùn)營(yíng)積累了較多經(jīng)驗(yàn)，相關(guān)技術(shù)也得到不斷的提升。特長(zhǎng)隧道通風(fēng)系統(tǒng)特別是風(fēng)機(jī)房、通風(fēng)斜豎井位置設(shè)置方案的設(shè)計(jì)，將影響整個(gè)隧道工程通風(fēng)系統(tǒng)的土建費(fèi)用、前期設(shè)備費(fèi)用及運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。

本文以山西省大萬(wàn)山特長(zhǎng)公路隧道作為依托工程，開(kāi)展特長(zhǎng)隧道通風(fēng)系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)研究與方案比選。該隧道為雙洞四車(chē)道分離式隧道，設(shè)計(jì)行車(chē)車(chē)速80 km/h，隧道斷面面積62.8 m2，隧道限寬10.25 m（ 0.75+0.5+2×3.75+0.75+0.75），建筑限高 5.0 m。 隧道交通量方向不均勻系數(shù)取值0.52，設(shè)計(jì)高峰小時(shí)交通量系數(shù)取值0.09，通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)年限近期為2030年，遠(yuǎn)期為2039年，隧道設(shè)置基本情況見(jiàn)表1。

表1 大萬(wàn)山特長(zhǎng)隧道基本情況一覽表

2 通風(fēng)方式及通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 通風(fēng)方式

通常根據(jù)隧道條件，采用一種或多種通風(fēng)方式組合構(gòu)成更合理的通風(fēng)方式。目前我國(guó)特長(zhǎng)隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)普遍采用“通風(fēng)井送排式+射流風(fēng)機(jī)”組合的通風(fēng)方式，該通風(fēng)方式具有以下優(yōu)點(diǎn)：非火災(zāi)工況的適用隧道長(zhǎng)度不受限制、噪聲很小、火災(zāi)情況下排煙較方便。因此大萬(wàn)山隧道通風(fēng)系統(tǒng)仍采用上述組合方式的分段縱向通風(fēng)方式。

2.2 通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)

公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)的安全標(biāo)準(zhǔn)以稀釋機(jī)動(dòng)車(chē)排放的煙塵為主，煙塵設(shè)計(jì)濃度為0.007 g/m3；衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)以稀釋機(jī)動(dòng)車(chē)排放的一氧化碳為主，一氧化碳設(shè)計(jì)濃度為100 cm3/m3；舒適性標(biāo)準(zhǔn)以換氣稀釋機(jī)動(dòng)車(chē)帶來(lái)的異味為主[1]，最小換氣頻率不低于每小時(shí)3次?；谖覈?guó)公路隧道數(shù)量眾多及經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)于稀釋洞內(nèi)粉塵污染、NO2、富余熱量等，原則上不是隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的對(duì)象。

3 需風(fēng)量的計(jì)算

需風(fēng)量計(jì)算中，設(shè)計(jì)小時(shí)交通量以及相對(duì)應(yīng)的機(jī)動(dòng)車(chē)有害氣體排放量均應(yīng)與各設(shè)計(jì)目標(biāo)年份相匹配。確定需風(fēng)量時(shí)，應(yīng)對(duì)稀釋煙塵、CO按隧道設(shè)計(jì)速度以下各工況車(chē)速10 km/h為一檔分別進(jìn)行計(jì)算，并計(jì)算交通阻滯和換氣的需風(fēng)量，取其較大者作為設(shè)計(jì)需風(fēng)量[1]。

3.1 交通量的計(jì)算

根據(jù)大萬(wàn)山特長(zhǎng)公路隧道所屬項(xiàng)目工程可行性研究報(bào)告對(duì)交通量的預(yù)測(cè)及車(chē)型比例構(gòu)成，結(jié)合各汽車(chē)代表車(chē)型及車(chē)輛折算系數(shù)。首先將工可報(bào)告中各設(shè)計(jì)年（預(yù)測(cè)）年平均日交通量換算成標(biāo)準(zhǔn)小客車(chē)設(shè)計(jì)高峰小時(shí)交通量；其次按照工可報(bào)告中提出的交通組成百分比，分別計(jì)算出各車(chē)型對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)小客車(chē)設(shè)計(jì)高峰小時(shí)交通量；最后按《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01—2014）“各汽車(chē)代表車(chē)型與車(chē)輛折算系數(shù)”，將各車(chē)型對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)小客車(chē)高峰交通量換算成混合車(chē)型設(shè)計(jì)高峰小時(shí)交通量。大萬(wàn)山隧道路段實(shí)際交通量見(jiàn)表2所示。

表2 隧道交通量計(jì)算

3.2 設(shè)計(jì)需風(fēng)量計(jì)算結(jié)果

隧道通風(fēng)以車(chē)輛在隧道內(nèi)行駛時(shí)排出的CO、煙塵和異味為稀釋對(duì)象，取其較大者作為計(jì)算通風(fēng)量。計(jì)算中分車(chē)型計(jì)算排污量，按行駛車(chē)速、火災(zāi)、換氣工況進(jìn)行計(jì)算隧道內(nèi)稀釋CO和煙塵等的需風(fēng)量考慮。設(shè)計(jì)近期和遠(yuǎn)期對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)需風(fēng)量見(jiàn)表3所示。

表3 隧道設(shè)計(jì)近、遠(yuǎn)期對(duì)應(yīng)不同控制指標(biāo)的設(shè)計(jì)需風(fēng)量 m3/s

根據(jù)表3的計(jì)算結(jié)果可知，大萬(wàn)山隧道左線的需風(fēng)量由稀釋異味的需風(fēng)量決定；右線的需風(fēng)量由稀釋煙塵的需風(fēng)量決定。

4 通風(fēng)方案

4.1 大萬(wàn)山隧道通風(fēng)方案

大萬(wàn)山隧道如果采用全射流縱向通風(fēng)方式，近期和遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)風(fēng)速均已超過(guò)8 m/s，超過(guò)規(guī)范對(duì)隧道洞內(nèi)最大設(shè)計(jì)風(fēng)速的要求。考慮該隧道防災(zāi)救災(zāi)需要并結(jié)合隧道所處位置的地質(zhì)、地形、工程經(jīng)濟(jì)等多方面因素，大萬(wàn)山隧道的通風(fēng)系統(tǒng)采用斜（豎）井分段送排式+射流風(fēng)機(jī)縱向式通風(fēng)的方式。

4.2 大萬(wàn)山隧道通風(fēng)方案設(shè)計(jì)

結(jié)合隧道通風(fēng)系統(tǒng)近遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)計(jì)算所需需風(fēng)量、隧道內(nèi)通風(fēng)排煙要求及隧道長(zhǎng)度，大萬(wàn)山隧道左線利用其左側(cè)的一處1號(hào)施工斜井和右線右側(cè)的1號(hào)豎井將隧道左線分為3個(gè)通風(fēng)區(qū)段，采用一處斜井送排式+1號(hào)豎井（YK39+050）排出式+射流風(fēng)機(jī)縱向式通風(fēng)；大萬(wàn)山隧道右線利用其右側(cè)的兩處豎井同樣劃分為3個(gè)通風(fēng)區(qū)段，采用1號(hào)豎井（YK39+050）送排式+2號(hào)豎井（YK42+300）送排式+射流風(fēng)機(jī)縱向式通風(fēng)。通風(fēng)方案區(qū)段劃分及長(zhǎng)度示意圖見(jiàn)圖1所示。

圖1 大萬(wàn)山隧道通風(fēng)方案區(qū)段劃分及長(zhǎng)度示意圖（單位：m）

射流風(fēng)機(jī)選用直徑1120 mm、單機(jī)功率30 kW的雙向射流風(fēng)機(jī)，送、排風(fēng)機(jī)采用大風(fēng)量、低風(fēng)壓、靜葉可調(diào)的軸流風(fēng)機(jī)，隧道軸流風(fēng)機(jī)房采用地上風(fēng)機(jī)房。隧道分段需風(fēng)量計(jì)算見(jiàn)表4所示，斜豎井及風(fēng)道參數(shù)見(jiàn)表5所示。

表4 大萬(wàn)山隧道分段需風(fēng)量計(jì)算表

表5 大萬(wàn)山隧道斜豎井及風(fēng)道參數(shù)

隧道左右線各區(qū)段的風(fēng)速通過(guò)試算確定以后，再根據(jù)壓力平衡原理判斷各通風(fēng)段是否需要設(shè)置射流風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)壓。軸流風(fēng)機(jī)功率的確定結(jié)合風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓、風(fēng)量等特點(diǎn)，考慮近遠(yuǎn)期相結(jié)合的原則，并以遠(yuǎn)期參數(shù)進(jìn)行配置，選用的軸流風(fēng)機(jī)經(jīng)濟(jì)、可行，并考慮一定的富余量。當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，為保證滿足規(guī)范要求的隧道火災(zāi)臨界風(fēng)速為3 m/s，在不開(kāi)啟軸流風(fēng)機(jī)的情況下，以射流風(fēng)機(jī)提供推力，對(duì)火災(zāi)工況下的通風(fēng)方案設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)算，左線需要設(shè)置射流風(fēng)機(jī)24臺(tái)，右線需要設(shè)置射流風(fēng)機(jī)26臺(tái)。隧道通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)配置見(jiàn)表6所示。

表6 大萬(wàn)山隧道風(fēng)機(jī)配置表

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合大萬(wàn)山特長(zhǎng)公路隧道的工程特性，提出通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案并確定了通風(fēng)斜豎井的合理位置?？傊?，高速公路特長(zhǎng)隧道通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與隧道長(zhǎng)度、坡度、設(shè)計(jì)交通量及通風(fēng)井的位置密切相關(guān)[2]，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從土建費(fèi)用、前期設(shè)備費(fèi)用、運(yùn)營(yíng)用電等經(jīng)濟(jì)方面對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)方案做進(jìn)一步的比選，使通風(fēng)系統(tǒng)工程造價(jià)與風(fēng)險(xiǎn)最小化，并降低后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用。