駱駝山隧道通風(fēng)技術(shù)研究

郭婷婷

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院，山西 太原 030012）

京昆國家高速公路太原繞城西北段改線工程（太原西北二環(huán)）高速公路項目第BEH標(biāo)段是山西省高速路網(wǎng)重點項目之一，是加強國防建設(shè)和抗災(zāi)防險的需要，對帶動區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展具有積極的推動作用。駱駝山隧道是其中的一個特長隧道，本文將對該隧道的通風(fēng)方案進行比選確定。

1 工程概況

駱駝山隧道所屬區(qū)域?qū)儆谂瘻貛О敫珊荡箨懶詺夂颍募痉置?，一月份最冷，平均氣?7.3℃，最低曾降至-25.7℃。七月份最熱，平均氣溫23.5℃，最高曾達38.2℃。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查，隧址區(qū)范圍內(nèi)未見地下水出露，沖溝內(nèi)也無地表水流，屬埋藏型裂隙巖溶水。駱駝山隧道平均設(shè)計標(biāo)高為1169 m，隧道主洞內(nèi)輪廓采用三心圓曲墻斷面，其凈寬11.0 m，凈高5.0 m。左線隧道長度為7140 m，采用-1.9%（7140 m）的單坡；右線隧道長度為7120 m，采用+1.9%（7120 m）的單坡。

根據(jù)《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細則》[1]JTG/T D70/2-02—2014（以下簡稱《細則》）規(guī)定，單向交通隧道，當(dāng)符合L×N≥2×106時可設(shè)置機械通風(fēng)（其中L為隧道長度，N為設(shè)計小時交通量）；同時，根據(jù)《細則》第10.1條：長度L＞1000 m的高速公路隧道應(yīng)設(shè)置火災(zāi)機械防煙與排煙系統(tǒng)。通過計算確定駱駝山隧道需設(shè)置機械通風(fēng)。

2 運營通風(fēng)系統(tǒng)基礎(chǔ)參數(shù)

2.1 隧道通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)

2.1.1 隧道內(nèi)CO的設(shè)計濃度δco

依據(jù)《細則》第五章規(guī)定選取正常交通及阻滯工況下隧道內(nèi)CO的設(shè)計濃度，如表1所示。

表1 隧道內(nèi)CO設(shè)計濃度δco cm3/m3

2.1.2 煙塵設(shè)計濃度K

依據(jù)隧道照明設(shè)計方案，本文煙塵設(shè)計濃度選用LED燈隧道煙塵允許濃度，如表2所示。

表2 煙塵設(shè)計濃度K

2.1.3 機動車基準(zhǔn)排放量取值

依據(jù)《細則》，以2000年為起點，按每年2.0%的遞減率（最高不超過30年，即2030年后以2030年的基準(zhǔn)排放量為準(zhǔn)）計算出近、遠期年份的有害氣體基準(zhǔn)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(zhǔn)排放量相同：正常交通與交通阻滯工況時，煙塵的基準(zhǔn)排放量為1.091 m2/（veh·km）；正常交通時CO的基準(zhǔn)排放量為0.0038 m2/（veh·km），阻滯工況下CO的基準(zhǔn)排放量為0.0082 m2/（veh·km）。

2.1.4 換氣要求

依據(jù)《細則》，隧道內(nèi)換氣頻率ns取為3次/h，同時保證隧道內(nèi)換氣風(fēng)速大于1.5 m/s。

2.1.5 火災(zāi)工況

依據(jù)《細則》第 10.2條規(guī)定：長度 L大于5000 m的單向交通高速公路隧道火災(zāi)最大釋熱率取30 MW，對應(yīng)的火災(zāi)臨界風(fēng)速取3～4 m/s，因此本文駱駝山隧道取隧道火災(zāi)臨界風(fēng)速為3.5 m/s，公路隧道的火災(zāi)排煙設(shè)計應(yīng)考慮火風(fēng)壓的影響。

2.2 技術(shù)參數(shù)

a）道路等級 高速公路，雙洞隧道，每洞兩車道單向行駛。

b）通風(fēng)計算行車速度 隧道內(nèi)的設(shè)計車速為80 km/h。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。

c）隧道摩阻系數(shù) λ=0.02。

d）自然風(fēng)速 vn=2.5 m/s。

e）隧道凈空斷面積 Ar=71.84 m2。

f）斷面周長 Cr=33.07 m。

g）斷面當(dāng)量直徑 Dr=8.69 m。

h）大型車混入率 近期rl=58.6%，遠期rl=54.2%。

i）隧道夏季的設(shè)計氣溫，取25℃。

2.3 交通量參數(shù)

本路段預(yù)測混合交通量如表3所示，車型折算系數(shù)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(biāo)準(zhǔn)值取0.52，高峰小時交通量占年平均日交通量的12%。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3 隧道混合交通量 veh/h

表4 車型折算系數(shù)

表5 車型分布情況

3 隧道需風(fēng)量計算

公路隧道通風(fēng)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(zāi)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(fēng)量

隧道內(nèi)CO排風(fēng)量計算公式如式（1）：

式中：Qco為隧道CO排放量；qco為設(shè)計目標(biāo)年份的CO基準(zhǔn)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(yīng)車型的交通量。

稀釋CO的需風(fēng)量計算公式如式（2）：

式中：Qrep(co)為隧道稀釋CO的需風(fēng)量；δ為CO濃度；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，取101.325 kN/m2；P為隧址大氣壓；T0為標(biāo)準(zhǔn)氣溫，取273 K；T為隧址夏季氣溫。

3.2 稀釋煙塵的需風(fēng)量

隧道內(nèi)煙霧排放量的計算公式如式（3）：

式中：QVI為隧道煙塵排放量；qVI為設(shè)計目標(biāo)年份的煙塵基準(zhǔn)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(yīng)車型的交通量。

稀釋煙塵的需風(fēng)量計算公式如式（4）：

3.3 換氣工況的需風(fēng)量

隧道內(nèi)稀釋空氣中異味的需風(fēng)量Qreq(ac)由隧道長度L、隧道內(nèi)輪廓斷面積Ar及換氣頻率共同確定，公式如式（5）：

由于駱駝山隧道采用縱向通風(fēng)方式，因此還需滿足換氣風(fēng)速vac大于1.5 m/s的規(guī)定，此要求下?lián)Q氣工況的需風(fēng)量需同時滿足：

3.4 火災(zāi)工況的需風(fēng)量

隧道內(nèi)火災(zāi)工況下的排煙需風(fēng)量Qreq(f)由臨界風(fēng)速vc和隧道內(nèi)輪廓斷面積Ar確定，公式如式（7），經(jīng)計算得出駱駝山隧道左、右洞火災(zāi)工況下的需風(fēng)量均為251.44 m3/s。

3.5 左、右洞需風(fēng)量計算結(jié)果

獨立隧道需風(fēng)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(fēng)量、稀釋CO的需風(fēng)量、稀釋空氣中異味的需風(fēng)量和火災(zāi)工況時的需風(fēng)量，取其最大值作為隧道最終實際需風(fēng)量。駱駝山隧道左、右洞各工況下的需風(fēng)量計算結(jié)果如表6～表9所示。

表6 駱駝山隧道右洞各工況下需風(fēng)量計算結(jié)果 m3/s

表7 駱駝山隧道左洞各工況下需風(fēng)量計算結(jié)果 m3/s

表8 駱駝山隧道右洞需風(fēng)量 m3/s

表9 駱駝山隧道左洞需風(fēng)量 m3/s

4 隧道通風(fēng)方案比選

根據(jù)駱駝山隧道需風(fēng)量發(fā)現(xiàn)，隧道右線需風(fēng)量不大，主要通風(fēng)需求為稀釋空氣異味，若采用全射流風(fēng)機通風(fēng)，隧道內(nèi)設(shè)計風(fēng)速均小于7.0 m/s，風(fēng)速合適，滿足通風(fēng)要求，因此右線采用全射流縱向通風(fēng)。左線近期風(fēng)速為6.6～15.2 m/s，遠期風(fēng)速均超過10 m/s，同時，左線主要通風(fēng)需求為稀釋煙塵，加之本項目中大車混入率高，若不采用分段通風(fēng)，風(fēng)速較高，容易加重粉塵污染，使隧道內(nèi)衛(wèi)生環(huán)境更差，達不到隧道安全衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，故應(yīng)采用分段縱向通風(fēng)方式。

駱駝山隧道所在區(qū)域為自然保護區(qū)，在其緩沖區(qū)內(nèi)才可設(shè)斜井。從實際地形地貌、通風(fēng)需求和施工進度三方面考慮，先后提出了兩個通風(fēng)方案，具體方案如下：

a）方案一 左線一斜井分兩段軸流風(fēng)機送排風(fēng)+射流風(fēng)機通風(fēng)；右線全射流風(fēng)機通風(fēng)，布置如圖1。

圖1 駱駝山隧道通風(fēng)方案一系統(tǒng)圖

如圖1所示，隧道左線設(shè)一個通風(fēng)斜井，同時為隧道右線設(shè)置聯(lián)絡(luò)排風(fēng)道，用于火災(zāi)工況下排煙需要，經(jīng)聯(lián)絡(luò)風(fēng)道分段，隧道右線被劃分為兩個防火分區(qū)。

方案一只設(shè)一個通風(fēng)斜井，節(jié)省了主體土建工程。但經(jīng)過詳細計算后發(fā)現(xiàn)，此方案并不能滿足隧道遠期通風(fēng)需求。由表10的計算結(jié)果可知遠期兩通風(fēng)段的設(shè)計風(fēng)速Vr1、Vr2均大于10 m/s，不滿足規(guī)范要求。同時，各通風(fēng)段所需射流風(fēng)機數(shù)量已超過各段的最大射流風(fēng)機安裝量。所以，方案一不可行。

表10 方案一右線通風(fēng)計算結(jié)果表

b）方案二 左線兩斜井分3段軸流風(fēng)機送排風(fēng)+ 射流風(fēng)機通風(fēng)；右線全射流風(fēng)機通風(fēng)，布置如圖2。

圖2 駱駝山隧道通風(fēng)方案二系統(tǒng)圖

如圖2所示，方案二中隧道左線設(shè)1號、2號兩個通風(fēng)斜井，將隧道分為3段，同時為隧道右線設(shè)置聯(lián)絡(luò)排風(fēng)道，用于火災(zāi)工況下排煙需要，經(jīng)聯(lián)絡(luò)風(fēng)道分段，隧道右線被劃分為3個防火分區(qū)，在兼顧正常通風(fēng)需求的基礎(chǔ)上較好地滿足了隧道防災(zāi)需要。經(jīng)詳細計算后其結(jié)果如表11，可以看出方案二能很好地滿足各工況下的隧道通風(fēng)需求，遠期三通風(fēng)段的設(shè)計風(fēng)速 Vr1、Vr2、Vr3均小于 10 m/s。同時，隧道運營通風(fēng)斜井兼做隧道主洞輔助施工工作井用，增加工作面，可有效縮短工期。

表11 方案二左線通風(fēng)計算結(jié)果表

5 結(jié)語

以新版公路隧道通風(fēng)規(guī)范為標(biāo)準(zhǔn)、以駱駝山隧道各項參數(shù)為基礎(chǔ)進行數(shù)值計算，最后以計算結(jié)果為依據(jù)對駱駝山隧道通風(fēng)方案進行比選研究，最終推薦使用方案二。

方案二左線設(shè)兩通風(fēng)斜井分3段式縱向送排風(fēng)，既確保隧道內(nèi)有良好的通風(fēng)環(huán)境，又降低了隧道內(nèi)的設(shè)計風(fēng)速，保證人員的行車安全。同時為隧道右線設(shè)置聯(lián)絡(luò)排風(fēng)道，用于火災(zāi)工況下排煙需要，在兼顧正常通風(fēng)需求的基礎(chǔ)上較好地滿足了隧道防災(zāi)需要。因此，從通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)要求、防災(zāi)救援及工程經(jīng)驗等方面綜合考慮，方案二均可行。