劉昌敏
(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司,山西 太原 030032)
太原繞城高速公路西北段改線工程(太原西二環(huán))位于山西省太原市西側(cè),將直接緩解太原市環(huán)城高速公路的交通壓力。該路段共有隧道12座,特長(zhǎng)隧道2座。其中,虎山隧道全長(zhǎng)8 785 m,坡度為1.8%。
根據(jù)本項(xiàng)目工程可行性研究報(bào)告中預(yù)測(cè)的交通量,虎山隧道近期和遠(yuǎn)期的交通量經(jīng)計(jì)算,結(jié)果見表1。車型比重近期和遠(yuǎn)期預(yù)測(cè)見表2。
表1 虎山隧道路段實(shí)際交通量計(jì)算
表2 車型比例預(yù)測(cè) %
虎山隧道的技術(shù)參數(shù):a)單向交通雙洞四車道;b)設(shè)計(jì)車速:80 km/h;c)設(shè)計(jì)年限:近期為 2030 年,遠(yuǎn)期為2040年;d)隧道斷面:分離式雙洞,斷面面積62.79 m2,周長(zhǎng) 31.95 m;e)控制風(fēng)速:隧道內(nèi)設(shè)計(jì)風(fēng)速小于等于 10 m/s;f)防排煙設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn):(a)火災(zāi)熱釋放率 20 MW;(b)火災(zāi)時(shí)排煙風(fēng)速 3.0 m/s;g)夏季隧址氣溫:30℃;h)自然風(fēng)速Vn:2.5 m/s(2~3 m/s)。
公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)中,車輛有害氣體、煙塵的排放量及與之對(duì)應(yīng)的交通量和基準(zhǔn)排放量均應(yīng)與各設(shè)計(jì)目標(biāo)年份相匹配,計(jì)算近期和遠(yuǎn)期的需風(fēng)量時(shí)應(yīng)采用相應(yīng)年份的交通量和基準(zhǔn)排放量。機(jī)動(dòng)車有害氣體基準(zhǔn)排放量宜均以2000年為起點(diǎn),按每年2.0%的遞減率計(jì)算至設(shè)計(jì)目標(biāo)年份的排放量,作為設(shè)計(jì)目標(biāo)年的基準(zhǔn)排放量[1]。
計(jì)算需風(fēng)量時(shí),需按照設(shè)計(jì)速度以下各工況行車速度10 m/s為一檔,分別計(jì)算稀釋煙塵、CO的需風(fēng)量,同時(shí)計(jì)算換氣和火災(zāi)工況下的需風(fēng)量,需風(fēng)量取其最大值。
隧道通風(fēng)為稀釋行駛時(shí)排出的煙塵、CO及異味為目的,取最大值作為計(jì)算的通風(fēng)量[2]。隧道對(duì)應(yīng)不同控制指標(biāo)的設(shè)計(jì)需風(fēng)量見表3和表4。
表3 隧道對(duì)應(yīng)不同控制指標(biāo)的設(shè)計(jì)需風(fēng)量(近期) m3/s
表4 隧道對(duì)應(yīng)不同控制指標(biāo)的設(shè)計(jì)需風(fēng)量(遠(yuǎn)期) m3/s
交通通風(fēng)力和風(fēng)機(jī)提供的風(fēng)量及風(fēng)壓應(yīng)能夠滿足需風(fēng)量的要求,并克服交通通風(fēng)阻力。
在本項(xiàng)目中,自然通風(fēng)力作通風(fēng)阻力,洞內(nèi)的風(fēng)速取值2.5 m/s。
單向交通隧道,隧道交通通風(fēng)力作為動(dòng)力考慮。
根據(jù)隧道通風(fēng)阻力的計(jì)算公式計(jì)算求值。
全射流縱向通風(fēng)時(shí),風(fēng)機(jī)增加風(fēng)壓應(yīng)與隧道內(nèi)的自然通風(fēng)力、交通通風(fēng)力和通風(fēng)阻力平衡。
隧道若采用全射流縱向通風(fēng)時(shí),設(shè)計(jì)近期和設(shè)計(jì)遠(yuǎn)期的風(fēng)速均已經(jīng)超過(guò)規(guī)范值10 m/s對(duì)最大風(fēng)速的要求,因此,虎山隧道通風(fēng)需采用通風(fēng)井分段。
根據(jù)隧道的地形條件,工程經(jīng)濟(jì)等方面的考慮,擬采用通風(fēng)井送排式+射流風(fēng)機(jī)的縱向通風(fēng)方案,即在隧道兩側(cè)適當(dāng)位置設(shè)置通風(fēng)井,對(duì)隧道通風(fēng)進(jìn)行分段,將通風(fēng)設(shè)計(jì)風(fēng)速降低到規(guī)范要求值之下,并滿足火災(zāi)排煙長(zhǎng)度要求。
初步設(shè)計(jì)虎山隧道共擬定了兩個(gè)通風(fēng)井方案,考慮通風(fēng)井兼做輔助施工通道的要求,每個(gè)通風(fēng)井方案均設(shè)置了斜井。
4.2.1 方案一
本方案將隧道左線劃分為3段,采用3號(hào)斜井、1號(hào)斜井和射流風(fēng)機(jī)縱向通風(fēng);右線分3個(gè)區(qū)段,采用1號(hào)斜井、1號(hào)豎井和射流風(fēng)機(jī)縱向通風(fēng)。方案示意圖見圖1。隧道各分段的需風(fēng)量計(jì)算結(jié)果和斜、豎井及風(fēng)道的參數(shù)如表5所示。
圖1 隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)方案示意圖(方案一)
隧道內(nèi),根據(jù)壓力是否平衡作為判斷通風(fēng)段是否增加射流風(fēng)機(jī)的依據(jù)。軸流風(fēng)機(jī)應(yīng)按照遠(yuǎn)期進(jìn)行配置,并考慮備用風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)?;馂?zāi)工況時(shí),保證隧道內(nèi)臨界風(fēng)速值為3 m/s,以射流風(fēng)機(jī)作為推動(dòng)力,不考慮軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行驗(yàn)算。經(jīng)計(jì)算,左線需射流風(fēng)機(jī)的數(shù)量為26臺(tái),右線需射流風(fēng)機(jī)的數(shù)量為26臺(tái)。
表5 虎山隧道分段需風(fēng)量計(jì)算表(方案一)
4.2.2 方案二
根據(jù)隧道近遠(yuǎn)期計(jì)算需風(fēng)量、排煙要求及隧道的全長(zhǎng),將隧道左線分成2段,采用2號(hào)斜井、射流風(fēng)機(jī)縱向式通風(fēng);右線分成3個(gè)區(qū)段,采用3號(hào)豎井、1號(hào)豎井和射流風(fēng)機(jī)縱向式通風(fēng)。方案示意圖見圖2。隧道各分段的需風(fēng)量計(jì)算結(jié)果和斜、豎井及風(fēng)道的參數(shù)如表6所示。
圖2 隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)方案示意圖(方案二)
表6 虎山隧道分段需風(fēng)量計(jì)算表(方案二)
4.2.3 方案比較
根據(jù)風(fēng)機(jī)功率計(jì)算各通風(fēng)井方案通風(fēng)運(yùn)營(yíng)服務(wù)10年、20年總電費(fèi),風(fēng)機(jī)設(shè)備費(fèi)在隧道建成時(shí)一次投入,總費(fèi)用如表7所示。
表7 虎山隧道不同通風(fēng)井方案通風(fēng)能耗及設(shè)備費(fèi)比較表
從表7中可看出,從土建費(fèi)、設(shè)備費(fèi)、施工條件、年通風(fēng)運(yùn)營(yíng)用電費(fèi)及工期等方面進(jìn)行了綜合比較,方案一總費(fèi)用遠(yuǎn)低于方案二,優(yōu)勢(shì)較明顯,因此,最終確定方案一作為虎山隧道通風(fēng)系統(tǒng)的推薦方案。
針對(duì)虎山隧道的特點(diǎn),提出兩種通風(fēng)方案,綜合比較計(jì)算,采用豎井+斜井分段送排式縱向通風(fēng)方案。本方案具有建設(shè)投資低、通風(fēng)和排煙效果好、運(yùn)營(yíng)成本低等優(yōu)點(diǎn)。推薦的通風(fēng)方案對(duì)類似的隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)工作有一定的參考價(jià)值。