單向坡特長(zhǎng)公路隧道通風(fēng)方案研究

周 森 楊 洪 崔 炫 田 嬌

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽(yáng) 550081)

近年來(lái)，高速公路建設(shè)蓬勃發(fā)展，西南地區(qū)地形多為丘陵及大山脈，公路沿線(xiàn)橋隧比大，長(zhǎng)大隧道的數(shù)量也日益增多。特長(zhǎng)隧道的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)項(xiàng)目的建設(shè)成本、運(yùn)營(yíng)安全及費(fèi)用、行車(chē)舒適性會(huì)產(chǎn)生直接影響[1]，因而，特長(zhǎng)隧道的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及方案研究比選是項(xiàng)目建設(shè)的重中之重。待建的彌勒至楚雄國(guó)家高速公路彌勒至玉溪段登樓山隧道是目前國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)的雙向6車(chē)道高速公路隧道，本文以該隧道通風(fēng)技術(shù)問(wèn)題為例開(kāi)展研究，經(jīng)過(guò)綜合比選，以確定最優(yōu)的隧道通風(fēng)方案。

彌勒至楚雄國(guó)家高速公路彌勒至玉溪段為雙向6車(chē)道高速公路，設(shè)計(jì)行車(chē)速度為100 km/h。登樓山隧道為分離式特長(zhǎng)隧道，左幅起訖樁號(hào)為ZK48+330-ZK59+315，全長(zhǎng)10 985 m，最大埋深約838 m，右幅起訖樁號(hào)為YK48+315-YK59+240，全長(zhǎng)10 925 m，最大埋深約826 m。左右幅縱坡分別采用1.9%及2.3%的單向坡。

1 隧道交通量及通風(fēng)計(jì)算參數(shù)

欲做好隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)，首先需要確定項(xiàng)目的交通量及交通組成，以確定相應(yīng)的通風(fēng)參數(shù)。根據(jù)交通量預(yù)測(cè)，將2030年及2040年的平均日交通量分別作為近期值及遠(yuǎn)期值。依據(jù)道路交通調(diào)研結(jié)果，利用汽車(chē)車(chē)型折算系數(shù)換算得到實(shí)際車(chē)型的交通量，隧道近遠(yuǎn)期交通量見(jiàn)表1。結(jié)合文獻(xiàn)[2-3]的要求，通過(guò)優(yōu)化分析，得到登樓山隧道通風(fēng)計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 隧道交通量及車(chē)型構(gòu)成比例預(yù)測(cè)(折算數(shù))

注：表中交通量為設(shè)計(jì)年度隧道平均日交通，方向不均勻系數(shù)0.5，設(shè)計(jì)小時(shí)交通量系數(shù)0.095。

表2 通風(fēng)計(jì)算參數(shù)

2 隧道通風(fēng)方案比選

根據(jù)登樓山隧道平面線(xiàn)性、縱坡形式、交通量大小及組成、地形地質(zhì)情況，結(jié)合通風(fēng)分段長(zhǎng)度，并按照通風(fēng)區(qū)段長(zhǎng)度及相關(guān)排煙要求，對(duì)設(shè)置斜井及豎井進(jìn)行組合、篩選，初步得出5個(gè)通風(fēng)方案。各方案具體內(nèi)容如下。

2.1 方案一

左、右線(xiàn)隧道均采用雙斜井三段式縱向送排式通風(fēng)(地面風(fēng)機(jī)房)。

結(jié)合施工需求，左、右線(xiàn)隧道均采用斜井方案。WX1號(hào)斜井排風(fēng)口與右線(xiàn)隧道相交于YK51+150，WX3號(hào)斜井排風(fēng)口與右線(xiàn)隧道相交于YK56+080。通風(fēng)井將右線(xiàn)隧道分成2 835，4 930，3 160 m 3段，遠(yuǎn)期3段風(fēng)速分別為Vr1=4.15 m/s，Vr2=7.26 m/s，Vr3=4.65 m/s。WX2號(hào)斜井排風(fēng)口與左線(xiàn)隧道相交于ZK51+200，WX4號(hào)斜井排煙道與左線(xiàn)隧道相交于ZK56+150。通風(fēng)井將左線(xiàn)隧道分成2 870，4 950，3 165 m 3段，遠(yuǎn)期3段風(fēng)速分別為Vr1=3.00 m/s，Vr2=4.13 m/s，Vr3=3.00 m/s。正常運(yùn)營(yíng)工況下左右洞3段風(fēng)速較為均勻，行車(chē)環(huán)境較好?；馂?zāi)工況下左洞最長(zhǎng)排煙區(qū)段長(zhǎng)度為4 580 m，右洞最長(zhǎng)排煙區(qū)段長(zhǎng)度為4 950 m，均小于5 000 m，運(yùn)營(yíng)安全性較高，且4座斜井均可作為輔助施工。通風(fēng)方案見(jiàn)圖1。

圖1 方案一通風(fēng)系統(tǒng)示意圖(單位：m)

由于該區(qū)域地質(zhì)條件較差，設(shè)置地下風(fēng)機(jī)房造價(jià)較高，且具有一定的工程風(fēng)險(xiǎn)，斜井出口場(chǎng)地均較為平整，具備建設(shè)地面風(fēng)機(jī)房的條件，故宜設(shè)置地面風(fēng)機(jī)房。

2.2 方案二

右線(xiàn)隧道采用雙斜井三段式縱向送排式通風(fēng)，左線(xiàn)隧道單斜井兩段式縱向送排式通風(fēng)(火災(zāi)工況下利用右線(xiàn)WX1號(hào)斜井輔助排煙通道排煙)。

方案二右洞斜井與分段情況與方案一相同，不再闡述。WX4號(hào)斜井排風(fēng)口與左線(xiàn)隧道相交于ZK56+150，WX1號(hào)斜井輔助排煙道與左線(xiàn)隧道相交于ZK51+150。正常運(yùn)營(yíng)階段分成7 820，3 165 m 2段，遠(yuǎn)期風(fēng)速分別為Vr1=6.52 m/s，Vr2=3.00 m/s。2段風(fēng)速較為均勻，行車(chē)環(huán)境較好?；馂?zāi)工況下利用右線(xiàn)隧道的輔助排煙道，排煙區(qū)段分成2 835，4 930，3 160 m 3段，排煙區(qū)段劃分合理，3座斜井均可以輔助施工。通風(fēng)方案見(jiàn)圖2。

圖2 方案二通風(fēng)系統(tǒng)示意圖(單位：m)

2.3 方案三

左、右線(xiàn)隧道均采用斜井+豎井三段式縱向送排式通風(fēng)(地面風(fēng)機(jī)房)。

WX1號(hào)斜井與S1號(hào)豎井將右線(xiàn)隧道分為3段，S1號(hào)豎井與隧道右線(xiàn)相交于YK56+150，通風(fēng)井將右線(xiàn)隧道分成2 835，5 000，3 090 m 3段，遠(yuǎn)期3段風(fēng)速分別為Vr1=4.15 m/s，Vr2=7.26 m/s，Vr3=4.65 m/s。WX2號(hào)斜井與S2號(hào)豎井將左線(xiàn)隧道分為3段，S2號(hào)豎井與隧道左線(xiàn)相交于ZK56+190，通風(fēng)井將左線(xiàn)隧道分成2 870，4 990，3 125 m 3段，遠(yuǎn)期3段風(fēng)速分別為Vr1=3.00 m/s，Vr2=4.13 m/s，Vr3=3.00 m/s。該方案左、右線(xiàn)隧道采用三段式通風(fēng)方案滿(mǎn)足了正常運(yùn)營(yíng)通風(fēng)和火災(zāi)工況下排煙的需求。

設(shè)置2座斜井可作為輔助施工通道。出口端左右線(xiàn)隧道各設(shè)置1座豎井，減少了通風(fēng)井的工作面和對(duì)環(huán)境的破壞，但豎井是垂直施工，施工難度大，地下水出水困難，安全性差，量測(cè)投點(diǎn)困難，也基本不能作為輔助主洞施工的通道。通風(fēng)方案見(jiàn)圖3。

圖3 方案三通風(fēng)系統(tǒng)示意圖(單位：m)

2.4 方案四

左、右線(xiàn)隧道均采用無(wú)軌斜井+有軌斜井三段式縱向送排式通風(fēng)(地上風(fēng)機(jī)房)。

WX1號(hào)斜井與YX3號(hào)斜井將右線(xiàn)隧道分為3段，YX3號(hào)斜井與隧道右線(xiàn)相交于YK56+080，通風(fēng)井將右線(xiàn)隧道分成2 835，4 930，3 160m 3段，遠(yuǎn)期3段風(fēng)速分別為Vr1=4.15 m/s，Vr2=7.26 m/s，Vr3=4.65 m/s。WX2號(hào)斜井與YX4號(hào)斜井將左線(xiàn)隧道分為3段， YX4號(hào)斜井與隧道左線(xiàn)相交于ZK56+140，通風(fēng)井將左線(xiàn)隧道分成2 870，4 940，3 175 m 3段，遠(yuǎn)期3段風(fēng)速分別為Vr1=3.00 m/s，Vr2=4.13 m/s，Vr3=3.00 m/s。該方案左、右線(xiàn)隧道采用三段式通風(fēng)方案滿(mǎn)足了正常運(yùn)營(yíng)通風(fēng)和火災(zāi)工況下排煙的需求，無(wú)軌斜井可作為輔助施工。YX3號(hào)與YX4號(hào)斜井坡度均達(dá)到了29%，為有軌斜井。利用有軌斜井輔助施工，設(shè)備投入大，由于井口高層較高，造成施工便道規(guī)模較大，不利于保護(hù)環(huán)境。有軌斜井進(jìn)料及出渣為有軌提升方式，特別是在進(jìn)料時(shí)存在多次倒運(yùn)的過(guò)程，輔助主洞效率低。同時(shí)，由于自身坡度較陡，一旦出現(xiàn)涌水和塌方，后果和施救難度較緩坡斜井大很多。通風(fēng)方案見(jiàn)圖4。

圖4 方案四通風(fēng)系統(tǒng)示意圖(單位：m)

2.5 方案五

左、右線(xiàn)隧道均采用雙有軌斜井三段式縱向送排式通風(fēng)(地上風(fēng)機(jī)房)。

方案五與方案四類(lèi)似，YX1號(hào)斜井與YX3號(hào)斜井將右線(xiàn)隧道分為3段，YX2號(hào)斜井與YX4號(hào)斜井將左線(xiàn)隧道分為3段。該方案左、右線(xiàn)隧道采用三段式通風(fēng)方案滿(mǎn)足了正常運(yùn)營(yíng)通風(fēng)和火災(zāi)工況下排煙的需求。但利用有軌斜井輔助施工，設(shè)備投入大，施工費(fèi)用高。通風(fēng)方案見(jiàn)圖5。

圖5 方案五通風(fēng)系統(tǒng)示意圖(單位：m)

2.6方案對(duì)比

通風(fēng)方案綜合比較見(jiàn)表3。

表3 登樓山隧道通風(fēng)方案比選

以目前普遍采用的礦車(chē)有軌提升方式為例，與汽車(chē)無(wú)軌運(yùn)輸相比，陡坡斜井需要增加投入大量的設(shè)備，包括軌道系統(tǒng)、礦車(chē)、提升設(shè)備等。由于采用礦車(chē)提升方式，且坡度較陡，開(kāi)挖、出渣成本大幅增加[4]。施工過(guò)程當(dāng)中，倘若遇到涌水或塌方，與坡度較小的隧道相比，將造成更為嚴(yán)重的后果。同時(shí)采用有軌提升方式，本身存在較多的安全隱患，成本高，施工進(jìn)度較慢，進(jìn)料困難[4]。對(duì)主洞施工的輔助效率不如緩坡斜井，在不出現(xiàn)安全事故的前提下，方案四、方案五的計(jì)算工期均大于60個(gè)月。

方案三設(shè)置了2處豎井，而且豎井深度分別達(dá)到了374 m，豎井施工需垂直運(yùn)輸，需要一套專(zhuān)門(mén)設(shè)施。與斜井相比，存在施工設(shè)備更復(fù)雜、施工進(jìn)度更慢、排出水更困難、造價(jià)更高、安全性更差、測(cè)量投點(diǎn)更困難等問(wèn)題。豎井出渣與下料均為垂直運(yùn)輸，基本無(wú)輔助主洞施工能力，故工期也大于60個(gè)月。方案一和方案二均能滿(mǎn)足工期和通風(fēng)要求，方案二左幅隧道少打1個(gè)斜井，可以在右幅WX4號(hào)斜井處打設(shè)1個(gè)支洞到左幅，實(shí)現(xiàn)輔助左幅主洞施工，實(shí)現(xiàn)全隧資源共享的目的。方案二較方案一減少7 629萬(wàn)元費(fèi)用，地質(zhì)情況及施工難度一致，故將方案二作為推薦方案。

3 結(jié)論

1) 特長(zhǎng)公路隧道通風(fēng)方式通常有縱向式通風(fēng)、橫向式通風(fēng)、半橫向式通風(fēng)等?？v向式通風(fēng)能夠充分利用交通流的活塞風(fēng)效應(yīng)，通風(fēng)效率好，對(duì)于雙向分離式單向坡特長(zhǎng)隧道，推薦采用縱向式通風(fēng)。

2) 在初步確定斜井及豎井的組合形式時(shí)，應(yīng)著重考慮特長(zhǎng)隧道平面線(xiàn)性、縱坡形式、交通量大小及組成、地形地質(zhì)情況，并按照通風(fēng)區(qū)段長(zhǎng)度及相關(guān)的排煙要求，對(duì)設(shè)置的各種形式進(jìn)行篩選。

3) 通風(fēng)方案的比選，應(yīng)從安全性、施工便利性、對(duì)環(huán)境的影響性、設(shè)備費(fèi)、后期運(yùn)營(yíng)管理費(fèi)、通風(fēng)井土建費(fèi)、工期、總工程造價(jià)等方面進(jìn)行綜合分析，以確保通風(fēng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)可靠。

4) 火災(zāi)工況下利用右線(xiàn)WX1號(hào)斜井輔助排煙通道排煙，減少了左線(xiàn)斜井的數(shù)量，在滿(mǎn)足工期和通風(fēng)要求且工程難度沒(méi)有增加的情況下，設(shè)備費(fèi)、后期運(yùn)營(yíng)管理費(fèi)、通風(fēng)井土建費(fèi)及總費(fèi)用均得到了節(jié)約，實(shí)現(xiàn)了通風(fēng)方案的最優(yōu)化。

5) 陡坡斜井在建設(shè)過(guò)程中存在較多難點(diǎn)，設(shè)備投入大、施工費(fèi)用高、施工進(jìn)度慢、施工風(fēng)險(xiǎn)高，如受現(xiàn)場(chǎng)條件限制并經(jīng)過(guò)對(duì)比分析需采用時(shí)，建議對(duì)陡坡斜井進(jìn)行優(yōu)化。