高樓山特長(zhǎng)公路隧道通風(fēng)方案研究

李玉平（甘肅交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030）

高樓山特長(zhǎng)公路隧道通風(fēng)方案研究

李玉平（甘肅交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030）

針對(duì)高樓山隧道特殊的工程特點(diǎn)，本文展開通風(fēng)方案研究。首先，借助規(guī)范及以往工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算高樓山隧道的需風(fēng)量，通過計(jì)算分析得出，全射流縱向通風(fēng)不能滿足高樓山隧道運(yùn)營通風(fēng)的需要，宜采用分段式通風(fēng)。其次，通過對(duì)各分段式通風(fēng)方案進(jìn)行定量分析比選得出，高樓山隧道鉆爆法施工采用2斜井送排式與射流風(fēng)機(jī)組合通風(fēng)方案，TBM導(dǎo)洞擴(kuò)挖方案采用1斜+1豎井通風(fēng)方案。

特長(zhǎng)公路隧道；需風(fēng)量；運(yùn)營通風(fēng)；方案比選

1 前 言

從目前國內(nèi)外長(zhǎng)大隧道的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來看，隧道通風(fēng)所需費(fèi)用一般與隧道的長(zhǎng)度成正比，通風(fēng)系統(tǒng)投資約占整個(gè)隧道投資的15%～25%，個(gè)別地形、地質(zhì)條件復(fù)雜的長(zhǎng)大隧道甚至可達(dá)50%；同時(shí)，對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的維護(hù)管理又占隧道運(yùn)營管理費(fèi)的絕大部分，達(dá)到80%左右；因此，合理確定隧道的通風(fēng)方式尤為重要。公路隧道的運(yùn)營期機(jī)械通風(fēng)方式主要有縱向式通風(fēng)、半橫向通風(fēng)及全橫向通風(fēng)?？v向式通風(fēng)主要適用于雙洞單向交通隧道及較短的單洞雙向交通隧道；半橫向通風(fēng)及全橫向通風(fēng)主要適用于單洞雙向交通隧道。表1為國內(nèi)目前部分長(zhǎng)大公路隧道通風(fēng)一覽表。本文結(jié)合高樓山特長(zhǎng)公路隧道的通風(fēng)要求，針運(yùn)營期通風(fēng)方案的研究，旨在選擇最優(yōu)的通風(fēng)方案指導(dǎo)施工，為本地區(qū)進(jìn)口特長(zhǎng)隧道建設(shè)提供借鑒的依據(jù)。

2 工程概況

武都至九寨溝高速公路是國家高速公路網(wǎng)平?jīng)鲋辆d陽高速公路（G8513）中的重要一段，是通達(dá)甘肅隴南市及四川省九寨溝的重要公路。擬建高樓山隧道左右洞平均長(zhǎng)12.25km，屬超特長(zhǎng)隧道，位于文縣尖山鄉(xiāng)老爺廟至文縣城關(guān)鎮(zhèn)凡昌。高樓山區(qū)域具有“山大溝深，峰谷交錯(cuò)，坡陡彎急，且地下水位高”等特點(diǎn)，高樓山隧道具有“三高”，“一大”的地域特點(diǎn)，以及“兩長(zhǎng)”、“兩多”、“兩大”的工程特點(diǎn)。其中“兩長(zhǎng)”指斜井長(zhǎng)(最長(zhǎng)2.98km)、獨(dú)頭通風(fēng)距離長(zhǎng)(4.5km)。因此，本隧道的通風(fēng)方案是設(shè)計(jì)階段的關(guān)鍵技術(shù)重點(diǎn)。高樓山隧道設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

圖1 高樓山隧道地質(zhì)縱斷面圖

表1 國內(nèi)目前長(zhǎng)大公路隧道通風(fēng)一覽表

表2 高樓山隧道設(shè)計(jì)參數(shù)表

3 確定通風(fēng)計(jì)算

3.1 通風(fēng)計(jì)算參數(shù)

通風(fēng)計(jì)算參數(shù)見表3。

1）設(shè)計(jì)交通量：高樓山隧道位于臨江～文縣，2021年、2025年、2030年、2040年交通量預(yù)測(cè)結(jié)果分別為7936、11338、16907、33583（單位為pcu/d），交通組成如表4所示。

2）高峰小時(shí)比例：高峰小時(shí)比例取值為12.7%，方向不均衡系數(shù)取值為0.60。

3.2 通風(fēng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1）隧道內(nèi)CO允許設(shè)計(jì)濃度δ：①正常運(yùn)營時(shí)，隧道洞內(nèi)CO的設(shè)計(jì)濃度取值為δ=100ppm。②交通阻滯時(shí)，隧道內(nèi)各車道均以怠速行駛，平均車速vt≤30km/h，阻滯段長(zhǎng)度不大于1000m，阻滯時(shí)間不超過20分鐘，洞內(nèi)CO的設(shè)計(jì)濃度δ=150ppm，其余段按正常運(yùn)營考慮。

2）隧道內(nèi)煙霧允許設(shè)計(jì)濃度K，見表5。

3）稀釋空氣中異味：根據(jù)交通量和隧道規(guī)模的特點(diǎn)，隧道空間不間斷換氣頻率按每小時(shí)3次取值，同時(shí)應(yīng)保證隧道內(nèi)換氣風(fēng)速Vr≥1.5m/s。

4）火災(zāi)工況：火災(zāi)時(shí)排煙風(fēng)速按Vr＝2～3m/s取值。

5）射流風(fēng)機(jī)參數(shù)，見表6。

3.3 隧道需風(fēng)量計(jì)算原理

1）稀釋CO需風(fēng)量

CO排放量Qco：

稀釋CO所需的新風(fēng)量Qreq(co)：

表3 隧道通風(fēng)計(jì)算參數(shù)

表4 高樓山隧道交通組成（%）

表5 隧道煙霧設(shè)計(jì)濃度K（LED光源）

表6 射流風(fēng)機(jī)型號(hào)

2）稀釋煙霧需風(fēng)量

煙霧排放量QVI：

3）稀釋異味需風(fēng)量

高樓山隧道長(zhǎng)達(dá)13km，屬于特長(zhǎng)隧道，故換氣頻率可以定為每小時(shí)3次。因此，稀釋空氣中異味的需風(fēng)量可用Qreq(異)=L×Ar×n/3600

采用縱向通風(fēng)的隧道，換氣風(fēng)速不應(yīng)低于1.5 m/s。在此規(guī)定下，隧道內(nèi)稀釋空氣中異味的需風(fēng)量應(yīng)同時(shí)滿足Qreq(異 )=1.5×Ar

4）最大需風(fēng)量

在確定需風(fēng)量時(shí)，根據(jù)上述的各種工況分別進(jìn)行需風(fēng)量計(jì)算，最后取Qreq(CO)、Qreq(VI)和中最大值作為設(shè)計(jì)通風(fēng)量Q：

3.4 隧道需風(fēng)量計(jì)算

根據(jù)以上計(jì)算原理進(jìn)行隧道需風(fēng)量計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表7、表8：

從表7、表8計(jì)算結(jié)果可以看出，全射流通風(fēng)高樓山隧道主洞內(nèi)風(fēng)速達(dá)到了13.98m/s，遠(yuǎn)超過了規(guī)范關(guān)于“單向交通隧道設(shè)計(jì)風(fēng)速不宜大于10m/s”的規(guī)定，且需風(fēng)量較大，故不宜采用全射流縱向通風(fēng)，宜采用分段式通風(fēng)。

4 隧道運(yùn)營通風(fēng)方案研究

綜合考慮高樓山隧道的通風(fēng)需求以及隧道沿線地質(zhì)、地形特征。對(duì)縱向全射流通風(fēng)、半橫向式通風(fēng)、全橫向式通風(fēng)、豎（斜）井分段式縱向通風(fēng)+全橫向通風(fēng)、豎（斜）井分段式縱向通風(fēng)等方案從通風(fēng)效果、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、運(yùn)營管理、防火防災(zāi)等方面進(jìn)行綜合比選。

圖2 2斜井分段式縱向通風(fēng)方案示意圖

4.1 隧道運(yùn)營通風(fēng)方案

1）2斜井分段式縱向通風(fēng)方案：設(shè)2座通風(fēng)斜井，均作為左、右線共用的送、排風(fēng)道，送風(fēng)井與排風(fēng)井之間采用隔板分割，風(fēng)機(jī)房設(shè)于地下。1號(hào)斜井布置在距武都端洞口約3.0km處，2號(hào)斜井布置在九寨溝端洞口約4.5km處。三個(gè)通風(fēng)區(qū)段長(zhǎng)度分別為3.0km、4.7km、4.5km。

2）1斜+1豎井分段式縱向通風(fēng)方案：設(shè)1座通風(fēng)斜井、1座通風(fēng)豎井，均作為左右線的送、排風(fēng)道，送風(fēng)井與排風(fēng)井之間采用隔板分割，風(fēng)機(jī)房設(shè)于地下。斜井布置在距武都端洞口約3.3km處，豎井布置在距九寨溝端洞口約4.0m處。三個(gè)通風(fēng)區(qū)段長(zhǎng)度分別為3.3km、4.9km、4.0km。

圖3 1斜+1豎井分段式縱向通風(fēng)方案示意圖

表7 隧道左線需風(fēng)量計(jì)算結(jié)果

3）兩豎井分段式縱向通風(fēng)方案：設(shè)2座通風(fēng)豎井，均作為左右線的送、排風(fēng)道，送風(fēng)井與排風(fēng)井之間采用隔板分割，風(fēng)機(jī)房設(shè)于地下。1號(hào)豎井布置在距武都端洞口約2.5km處，2號(hào)豎井布置在距九寨溝端洞口約4.8m處。三個(gè)通風(fēng)區(qū)段長(zhǎng)度分別為2.5km、4.9km、4.8km。

表8 隧道設(shè)計(jì)風(fēng)量與設(shè)計(jì)風(fēng)速

圖4 兩豎井分段式縱向通風(fēng)方案示意圖

圖5 2斜+1豎分段式縱向通風(fēng)方案示意圖

4）2斜+1豎分段式縱向通風(fēng)方案：設(shè)2座通風(fēng)斜井，1座通風(fēng)豎井，均作為左、右線共用的送、排風(fēng)道，送風(fēng)井與排風(fēng)井之間采用隔板分割，風(fēng)機(jī)房設(shè)于地下。1號(hào)斜井布置在距武都端洞口約3.0km處，2號(hào)斜井布置在距武都端洞口約5.5km處；3號(hào)豎井布置在距九寨溝端洞口約2km處。四個(gè)通風(fēng)區(qū)段長(zhǎng)度分別為3.0km、3.7km、3.5km、2.0km。

5）1斜+2豎分段式縱向通風(fēng)方案：設(shè)2座通風(fēng)豎井，1座通風(fēng)斜井，均作為左、右線共用的送、排風(fēng)道，送風(fēng)井與排風(fēng)井之間采用隔板分割，風(fēng)機(jī)房設(shè)于地下。1號(hào)斜井布置在距武都端洞口約3.0km處，2號(hào)豎井，布置在距武都端洞口約4.8km處；3號(hào)豎井布置在距九寨溝端洞口約2km處。四個(gè)通風(fēng)區(qū)段長(zhǎng)度分別為3.0km、4.4km、2.8km、2.0km。

圖6 1斜+2豎分段式縱向通風(fēng)方案示意圖

4.2 隧道運(yùn)營通風(fēng)方案比選

從通風(fēng)效果、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、運(yùn)營管理、防火防災(zāi)等方面對(duì)上述方案進(jìn)行同等深度比較，比較結(jié)果如表9所示。

通過分析比選，以上通風(fēng)方案均能較好的滿足隧道的正常通風(fēng)和防災(zāi)需求。方案一較其他方案土建費(fèi)用居中，施工工期較短，運(yùn)營費(fèi)用較低?？紤]到當(dāng)前施工能力和水平及施工工期的安排，高樓山隧道鉆爆法施工推薦采用2斜井送排式與射流風(fēng)機(jī)組合通風(fēng)方案，TBM導(dǎo)洞擴(kuò)挖方案可采用1斜+1豎井通風(fēng)方案，工期可滿足初步計(jì)劃要求。

5 結(jié)論及展望

1）通過計(jì)算分析得出，全射流縱向通風(fēng)不能滿足高樓山隧道運(yùn)營通風(fēng)的需要，宜采用分段式通風(fēng)。

表9 不同方案定量比較表

2）通過對(duì)各分段式通風(fēng)方案進(jìn)行定量分析比選得出，高樓山隧道鉆爆法施工采用2斜井送排式與射流風(fēng)機(jī)組合通風(fēng)方案，TBM導(dǎo)洞擴(kuò)挖方案采用1斜+1豎井通風(fēng)方案。

3）本文為設(shè)計(jì)階段通風(fēng)計(jì)算和方案比選，建議后期施工和運(yùn)營中加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和研究，以便為今后同類工程提供可借鑒的依據(jù)。

[1]《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70-2004）

[2]《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F60-2009)

[3]《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D70-2010）

[4]《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D70/2-02-2014）

[5]王亞瓊，蔣學(xué)猛，武義凱，等.公路隧道雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)適用性分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù).2015.03.

[6]李自強(qiáng)，謝文強(qiáng)，王明年，等.虹梯關(guān)特長(zhǎng)公路隧道施工通風(fēng)節(jié)能技術(shù)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù).2015.03.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào).2016.04.

Research on ventilation program of Gao Lou Shan extra long highway tunnel

This paper unfolds the ventilation program research aiming at the special engineering characteristics of Gao Lou Shan tunnel. First of all, Required air volume of Gao Lou Shan tunnel is calculated based on the norms and previous engineering experience,through the calculation and analysis, the total jet vertical ventilation can't meet the Gao Lou Shan tunnel ventilation needs,should adopt the sub-section ventilation. Secondly, in Gao Lou Shan tunnel,the drilling and blasting method adopts the scheme of the combination of the 2-inclined well and the jet fan,the TBM adopts 1 oblique Ventilation program through the quantitative analysis and comparison of the sub-section ventilation.

extra long highway tunnel；required air volume；operational ventilation；program comparison

U414

B

1003-8965(2017)05-0092-05