鹽池達板隧道通風解決方案

任 衛(wèi) 英

(山西省交通規(guī)劃勘察設計院，山西 太原 030012)

0 引言

連接阿勒泰與布爾津縣的道路G217線為二級公路，隨著區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展，該道路的交通量增長迅速，已無法滿足其服務功能，甚至成為了阻礙新絲綢之路經(jīng)濟帶北通道建設的瓶頸。本項目位于絲綢之路經(jīng)濟帶的核心區(qū)域，項目的建設將極大促進絲綢之路經(jīng)濟帶的發(fā)展和民生的建設，同時也將極大的推動區(qū)域旅游及礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用，是貫徹實施西部大開發(fā)戰(zhàn)略的舉措，是滿足日益增長的交通需求。本文將對鹽池達板隧道的通風方案進行比選確定。

1 工程概況

鹽池達板隧道左線隧道長度為3 064 m，采用坡度為+0.65(1 574 m),-0.6(1 490 m)的人字坡；右線隧道長度為3 063 m，采用坡度為+0.6(1 487 m),-0.6(1 576 m)的人字坡。

根據(jù)JTG/T D70/2—02—2014公路隧道通風設計細則[1]規(guī)定，單向交通隧道，當符合L×N≥2×106時可設置機械通風(其中,L為隧道長度;N為設計小時交通量)；同時，根據(jù)《細則》第10.1條：長度L>1 000 m的高速公路隧道應設置火災機械防煙與排煙系統(tǒng)。通過計算確定鹽池達板隧道需設置機械通風。細則中指出：采用縱向通風方式時，單向交通且長度L≤5 000 m，可采用全射流縱向通風方案，最終確定鹽池達板隧道采用全射流縱向通風方案。

2 運營通風系統(tǒng)基礎參數(shù)

2.1 隧道通風標準

2.1.1 隧道內(nèi)CO的設計濃度δCO

依據(jù)《細則》5.3.1選取鹽池達板隧道正常交通情況下CO設計濃度δCO=100 cm3/m3，交通阻滯工況下隧道內(nèi)CO的設計濃度δCO=150 cm3/m3。

2.1.2 煙塵設計濃度K

選用LED燈作為隧道照明方式，本文煙塵設計濃度隧道煙塵允許濃度，如表1所示[1]。

表1 煙塵設計濃度K

2.1.3 機動車基準排放量取值

以2000年為起點,機動車有害氣體基準排放量按每年2.0%的遞減率計算至設計目標年份獲得的排放量為隧道通風設計的目標年份的基準排放量，最大折減年限為30年，計算出近、遠期年份的有害氣體基準排放量。本次計算以2030年為近期，2040年為遠期，因此近、遠期的基準排放量相同：正常交通與交通阻滯工況時，煙塵的基準排放量為1.091 [m2/(veh·km)]；正常交通時CO的基準排放量為0.003 8[m2/(veh·km)]，阻滯工況下CO的基準排放量為0.008 2 [m2/(veh·km)]。

2.1.4 換氣要求

JTG/T D70/2—02—2014公路隧道通風設計細則第5.4條規(guī)定：隧道空間不間斷換氣頻率，不應低于每小時3次；采用縱向通風的隧道，換氣風速不應低于1.5 m/s。

2.1.5 火災工況

《公路隧道通風設計細則》第10.1條規(guī)定：長度L>1 000 m的高速公路隧道應設置火災機械防煙與排煙系統(tǒng)。查10.2條隧道排煙風速2 m/s～3 m/s，本隧道鹽池達板隧道取隧道火災臨界風速為2.5 m/s，公路隧道的火災排煙設計應考慮火風壓的影響。

2.2 技術參數(shù)

1)道路等級：高速公路，雙洞隧道，每洞兩車道單向行駛。

2)通風計算行車速度：

鹽池達板隧道內(nèi)的設計車速為120 km/h。隧道內(nèi)車輛正常行車速度下限取V=40 km/h；阻滯情況下阻滯段外行車速度分別取40 km/h和30 km/h。

3)隧道摩阻系數(shù)：λ=0.02。

4)自然風速：vn=2.5 m/s。

5)隧道凈空斷面積：Ar=88.85 m2。

6)斷面周長：Cr=39.84 m。

7)斷面當量直徑：Dr=8.92 m。

8)大型車混入率：近期r1=38.65%，遠期r1=39.17%。

9)隧道夏季的設計氣溫，取25 ℃。

2.3 交通量參數(shù)

本隧道預測交通量見表2，車型折算系數(shù)如表3所示，隧道汽柴比如表4所示，車型分布情況如表5所示，交通量方向不均衡分布系數(shù)D的標準值取0.6，高峰小時交通量占年平均日交通量的9.5%。按照汽車車型折算系數(shù)和汽柴油車比例，將其換算成實際交通量。

表2 隧道混合交通量 veh/h

表3 車型折算系數(shù)

表4 汽柴比

表5 車型分布情況 %

3 隧道需風量計算

公路隧道通風主要考慮對煙塵、一氧化碳及空氣中的異味進行稀釋，同時針對正常運營工況、火災及交通阻滯等異常工況進行全面考慮[2]。

3.1 稀釋CO的需風量[1]

隧道內(nèi)CO排風量計算公式如下：

其中，QCO為隧道CO排放量；qCO為設計目標年份的CO基準排放量；fa為車況系數(shù)；fd為車密度系數(shù)；fh為海拔高度系數(shù)；fm為車型系數(shù)；fiv為縱坡—車速系數(shù)；n為車型類別數(shù)；Nm為相應車型的交通量。

稀釋CO的需風量計算公式如下：

其中，Qreq(CO)為隧道稀釋CO的需風量；δ為CO濃度；P0為標準大氣壓，取101.325 kN/m2；P為隧址大氣壓；T0為標準氣溫，取273 K；T為隧址夏季氣溫。

3.2 稀釋煙塵的需風量[1]

隧道內(nèi)煙霧排放量的計算公式如下：

其中，QVI為隧道煙塵排放量；qVI為設計目標年份的煙塵基準排放量;fa(VI)為考慮煙塵的車況系數(shù);fd為車密度系數(shù);fh(VI)為考慮煙塵的海拔高度系數(shù);fiv(VI)為考慮煙塵的縱坡—車速系數(shù);fm(VI)為考慮煙塵的柴油車車型系數(shù);nD為柴油車車型類別數(shù);Nm為相應車型的交通量。

稀釋煙塵的需風量計算公式如下所示：

3.3 換氣工況的需風量

隧道內(nèi)稀釋空氣中異味的需風量Qreq(ac)由隧道長度L、隧道內(nèi)輪廓斷面面積Ar及換氣頻率共同確定，公式如下：

由于鹽池達板隧道采用縱向通風方式，因此還需滿足換氣風速vac>1.5 m/s的規(guī)定，此要求下?lián)Q氣工況的需風量需同時滿足：

Qreq(ac)=vac×Ar。

3.4 火災工況的需風量

隧道內(nèi)火災工況下的排煙需風量Qreq(f)由臨界風速vc和隧道內(nèi)輪廓斷面面積Ar確定，公式如下，經(jīng)計算得出鹽池達板隧道左、右洞火災工況下的需風量均為251.44 m3/s。

Qreq(f)=vc×Ar。

3.5 左、右洞需風量計算結果

獨立隧道需風量計算時，按照行車速度以下每10 km/h一檔，分別計算稀釋煙塵的需風量、稀釋CO的需風量、稀釋空氣中異味的需風量和火災工況時的需風量，取其最大值作為隧道最終實際需風量。鹽池達板隧道左、右洞各工況下的需風量計算結果如表6～表9所示。

表6 鹽池達板隧道右洞各工況下需風量計算結果 m3/s

表7 鹽池達板隧道左洞各工況下需風量計算結果 m3/s

表8 鹽池達板隧道右洞需風量 m3/s

表9 鹽池達板隧道左洞需風量 m3/s

4 隧道通風設計方案選擇原則

1)在確定鹽池達板隧道通風方案時，有兩方面的注意事項：第一，盡可能對通風設備的初投資和通風主體工程造價的控制；第二，后期運營成本的降低；

2)為了避免過大投入一次設備費用，造成閑置的設備，在研究進行通風方案時，除了一次完成土建工程外，需分期購置和安裝其余通風設備；

3)鹽池達板隧道通風方案設計不僅需要滿足交通運營的通風，而且須滿足火災工況時的通風需求，這兩種不同的通風工況。

5 射流風機方案

全射流縱向通風的隧道射流風機除在正常情況下滿足通風需求外，在隧道阻塞、交通事故、火災事故等工況下還起著調節(jié)風速、防災救援等作用。

鹽池達板隧道需風量計算按照稀釋煙塵的需風量、稀釋CO的需風量、稀釋空氣中異味的需風量和火災工況時的需風量分別計算后取最大值作為隧道最終實際需風量，左右線各風機需要量見表10，表11。

表10 鹽池達板右線隧道風機需求量 臺

表11 鹽池達板左線隧道風機需求量 臺

經(jīng)過計算，綜合考慮隧道坡度與運營速度的關系，可知本項目鹽池達板隧道射流風機配置情況，通過統(tǒng)計可知本項目鹽池達板隧道近遠期實際最大風機需求數(shù)量如表12所示。

表12 鹽池達板隧道最大風機需求數(shù)量 臺

依據(jù)規(guī)范，在隧道最終風機配置時考慮一定的備用風機。正常運營工況下風機長期開啟，火災工況下需要一定的冗余度，因此計算時需考慮正常工況和火災工況下備用風機數(shù)量。計算時若正常工況和火災所需射流風機臺數(shù)在1組～6組間，盡量備用一組，阻滯工況由于發(fā)生概率低且危害程度較小，出于節(jié)能考慮不再考慮備份；計算所需射流風機臺數(shù)大于6組時，可考慮所需臺數(shù)15%的備用量。同時，左、右洞內(nèi)各預留埋兩組射流風機。

經(jīng)過詳細對比和布置，可知本項目鹽池達板隧道近、遠期風機最大配置數(shù)量如表13所示。

表13 鹽池達板隧道最終風機配置數(shù)量 臺

6 風機控制

6.1 通風控制方法

鹽池達板隧道通風控制采用自動和聯(lián)動相結合，具體控制模式采用前饋反饋相結合的復合控制法。也就是按照車流量這一造成隧道內(nèi)污染物濃度變化的主要干擾作為前饋輸入信號的前饋控制系統(tǒng)，和依據(jù)污染物濃度偏差進行控制的反饋控制系統(tǒng)共同構成的前饋—反饋復合式控制系統(tǒng)。解決了一般的反饋系統(tǒng)由于在被控對象受到干擾后，出現(xiàn)偏差時，控制器才能發(fā)出控制指令，造成控制不及時的問題。

6.2 通風控制原則

1)鹽池達板隧道內(nèi)某一個通風點的CO或VI值含量達到了設定的風機啟動值，則首先啟動距離此檢測器最近的風機。其次，優(yōu)先啟動運行時間累計最短的風機，這樣可以平衡各個風機的疲勞程度，從而延長風機的使用壽命。此外，為了避免風機啟動瞬間過大的沖擊電流對電網(wǎng)造成沖擊，每臺風機還具備啟動短暫的延時的設置。

2)如果其中一條隧道因為事故暫時禁止通行，另外一條隧道需要改為雙向行車通道時，會極大地增加交通量。此時，即使風機全部啟動環(huán)境指標依然可能無法達到正常值，這時可以與洞口車道燈配合，利用信號燈的開、閉控制同一時刻進入隧道內(nèi)的車輛數(shù)量，從而保證隧道內(nèi)正常的環(huán)境指標。

3)在正常運行狀態(tài)下，風機吹風方向為沿著行車方向的正向吹風；當發(fā)生火災時或雙向行駛隧道逆向交通量多于正向交通量時，隧道內(nèi)風機應反向吹風。如果出現(xiàn)需要逆向吹風的情況時，應該先停機然后再啟動反向運轉。

4)隧道發(fā)生火災時的通風控制，需要滿足排煙滅火的要求。在火災工況下的緊急通風控制預案，需要按照預先制定的防火救災預案嚴格執(zhí)行。

7 節(jié)能措施

為深入貫徹“創(chuàng)新、協(xié)調、綠色、開放、共享”五大發(fā)展理念，建設綠色公路，踐行綠色發(fā)展，鹽池達板隧道的通風系統(tǒng)提出了以下新型的節(jié)能措施：

1)采用智能通風控制系統(tǒng)，降低設備啟動能耗，延長風機壽命、降低噪聲；

2)利用靜電集塵裝置對隧道內(nèi)污染空氣進行凈化，既有利于環(huán)保，又可有效降低通風量，減少風機布置；

3)選用節(jié)能設備，優(yōu)化用能工藝，使用節(jié)能型、效率高、噪聲低的射流通風機；

4)機械通風的隧道采取全縱向射流風機通風方式。隧道內(nèi)風量通過風機臺數(shù)控制，能在0%～100%的額定風量范圍內(nèi)有級調節(jié)，實現(xiàn)減小能耗的目的。

8 結語

對新疆鹽池達板隧道進行運營通風和火災通風方案的確定，提出了有效的風機控制方法和不同狀況下應采取的控制措施，并且結合了最先進、最有效的節(jié)能措施，達到了高效、節(jié)能、環(huán)保的目標。