浙江杭紹臺(tái)高速公路特長隧道通風(fēng)與排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

謝文紅，葉 盛，李 成，鄭國平2

（1.臺(tái)州市杭紹臺(tái)高速公路有限公司 浙江 臺(tái)州 318000；2.杭州新奧土木工程技術(shù)有限公司 浙江 杭州 310051）

0 引言

通風(fēng)系統(tǒng)是稀釋汽車排放物濃度以維系公路特長隧道正常服務(wù)的重要機(jī)電設(shè)施，通常設(shè)備規(guī)模和安裝功率非常龐大，比如，陜西秦嶺終南山隧道長度為18.02 km，通風(fēng)系統(tǒng)安裝功率達(dá)11 274 kW，每公里安裝功率約625 kW[1]，四川泥巴山隧道長約10 km，通風(fēng)系統(tǒng)安裝功率也達(dá)到650 kW/km。浙江省早些年已通車運(yùn)營的特長隧道，如蒼嶺隧道（7.6 km）、雙峰隧道（6.2 km）、括蒼山隧道（7.9 km）、泗洲嶺隧道（6.8 km）通風(fēng)設(shè)施安裝功率在566～645kW/km之間[2]。然而，在對(duì)浙江省內(nèi)上述隧道運(yùn)營情況調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，通風(fēng)設(shè)備的閑置率相當(dāng)高，軸流風(fēng)機(jī)僅檢修時(shí)偶爾開啟，射流風(fēng)機(jī)僅在節(jié)假日交通擁堵時(shí)少量開啟。因此，有必要在設(shè)計(jì)階段優(yōu)化通風(fēng)模式設(shè)置，充分利用交通活塞風(fēng)，統(tǒng)籌豎井與主洞通風(fēng)功能等技術(shù)手段提升特長隧道通風(fēng)系統(tǒng)的集約化水平。

通過查閱文獻(xiàn)，近年來在提高通風(fēng)系統(tǒng)集約化程度方面的研究并不多。在既有的研究中，李偉平等[3]、吳德興等[4]提出了包括通風(fēng)與照明系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)、采用互補(bǔ)式通風(fēng)模式等措施；針對(duì)《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D70/2—02—2014）（以下簡稱《細(xì)則》）中沒有提供交通活塞風(fēng)的計(jì)算方法，鄭國平等[5]系統(tǒng)研究了隧道內(nèi)活塞風(fēng)量的計(jì)算方法及規(guī)律；王東明等[6]研究認(rèn)為，交通活塞風(fēng)可以提供約40%的需風(fēng)量要求；互補(bǔ)式通風(fēng)模式是近年來嘗試應(yīng)用的新型模式，安徽新場隧道采用此模式后省去了豎斜井[7]；王永東等[8]進(jìn)一步研究了互補(bǔ)結(jié)合豎井送排的改進(jìn)型混合通風(fēng)方式；方勇剛等[9]則針對(duì)互補(bǔ)式通風(fēng)模式可能引起的煙氣串流問題開展分析，認(rèn)為其影響程度在可控范圍內(nèi)；此外，郭志杰等[10]認(rèn)為《細(xì)則》中的CO和煙霧排放率年折減率偏低，通過提高折減率可以降低設(shè)計(jì)需風(fēng)量；李志鵬[11]運(yùn)用前饋式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論、空氣動(dòng)力學(xué)理論以及模糊控制理論優(yōu)化隧道通風(fēng)控制系統(tǒng)。

隨著我國公路建設(shè)逐漸向邊遠(yuǎn)山區(qū)推進(jìn)，可以預(yù)見，特長隧道將繼續(xù)涌現(xiàn)，而隧道是公路網(wǎng)中主要的能耗源，在全球氣候變暖以及各國努力降低碳排放的大背景下，有必要繼續(xù)開展相關(guān)研究，提高通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)精細(xì)化水平，降低公路隧道通風(fēng)設(shè)備的規(guī)模、閑置率和能耗。本文擬以浙江省杭紹臺(tái)高速公路的三座隧道為背景，介紹其通風(fēng)系統(tǒng)的建設(shè)實(shí)踐，以期為國內(nèi)類似隧道提供借鑒。

1 工程概況及通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

1.1 工程概況

杭紹臺(tái)高速公路起于錢江通道南接線與杭甬高速節(jié)點(diǎn)齊賢樞紐，于蘭亭鎮(zhèn)附近接紹諸高速，經(jīng)嵊州接甬金高速，在新昌、磐安、天臺(tái)交界處穿越大盤山區(qū)接臺(tái)金高速公路。路線途經(jīng)三地市七縣（市、區(qū)），全長約162.3 km。全線設(shè)計(jì)速度100 km/h。因與上（虞）三（門）高速公路幾乎平行，又稱“上三高速復(fù)線”。全線超過5 km的特長隧道有三座，分別是陳家山隧道（5.954 km）、十九峰隧道（5.592 km）、大盤山隧道（8.695 km）（見圖1）。鑒于陳家山隧道和十九峰隧道長度和坡度都接近，通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念的演進(jìn)歷程也類似，因此，為節(jié)省篇幅本研究僅介紹陳家山隧道。

圖1 三座隧道的區(qū)位圖Fig.1 Location map of three tunnels

1.2 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

在施工圖設(shè)計(jì)之前，建設(shè)單位組織開展特長隧道的通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)專題研究。首先明確了通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，即：（1）正常行車和發(fā)生交通阻塞時(shí)，隧道通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)提供足夠的新風(fēng)量，稀釋隧道內(nèi)車輛行駛時(shí)排出的廢氣，為乘用人員、維修人員提供合理的通風(fēng)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，為安全行車提供良好的空氣清新度和舒適性；（2）當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)事故時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)具有排煙功能，控制煙霧和熱量的擴(kuò)散，為滯留在隧道內(nèi)的乘用人員、消防人員提供一定的新風(fēng)量，以利于人員和車輛的安全疏散。

洞內(nèi)環(huán)境控制標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)《細(xì)則》規(guī)定取值，正常交通時(shí)，隧道內(nèi)CO設(shè)計(jì)濃度δco取為100 cm3/m3；交通阻滯時(shí)，阻滯段的平均CO設(shè)計(jì)濃度δco取為150 cm3/m3，經(jīng)歷時(shí)間不宜超過20 min。隧道照明采用LED燈光源，煙塵設(shè)計(jì)濃度K按表1取值。換氣頻率取每小時(shí)3次，火災(zāi)最大熱釋放率取30 MW。

表1 煙塵設(shè)計(jì)濃度K（LED燈光源）Tab.1 Smoke concentration K (LED lamp)

2 陳家山隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳家山隧道右洞起訖里程為YK89+430～YK95+370，全長5 940 m，其中進(jìn)口到Y(jié)K90+000縱坡為0.5%，之后是-0.8%的下坡；左洞起訖里程為ZK89+444～ZK095+398，長5 954 m，其中進(jìn)口至ZK90+037縱坡為0.5%，之后是-0.8%的下坡。隧道凈空斷面積為68.35 m2，周長為32 m。

2.1 需風(fēng)量計(jì)算

本隧道所在路段的各特征年預(yù)測交通量如表2所示，車型構(gòu)成比例如表3所示。

表 2 特征年預(yù)測交通量(Pcu/d)Tab.2 Forecast traffic volume (Pcu/d)

表3 車型構(gòu)成比例表Tab.3 Proportion of vehicle types

各車型的車輛折算系數(shù)，汽、柴油車比較按相關(guān)規(guī)范取值，高峰小時(shí)交通量系數(shù)為0.095，方向不均衡系數(shù)取為0.52。最后算得的近遠(yuǎn)期需風(fēng)量如表4所示。

表4 陳家山隧道需風(fēng)量計(jì)算結(jié)果表(單位：m3/s)Tab.4 Demanded air volume of Chenjiashan Tunnel (m3/s)

從需風(fēng)量結(jié)果來看，左洞上坡隧道的需風(fēng)量明顯大于右洞下坡隧道，上坡隧道需風(fēng)量以稀釋煙霧的需風(fēng)量控制，并在車速為90 km/h時(shí)達(dá)到最大值。右洞下坡隧道近期需風(fēng)量均小于按換氣次數(shù)計(jì)算的需風(fēng)量，遠(yuǎn)期則大于換氣需風(fēng)量，并以稀釋煙霧的需風(fēng)量控制。左洞需風(fēng)量是右洞需風(fēng)量的2.22倍。

2.2 豎井送排式通風(fēng)方案

在初步設(shè)計(jì)階段，在K92+610右側(cè)40 m設(shè)置一處豎井，左洞采用二區(qū)段單豎井送排式縱向通風(fēng)模式，右洞采用全射流縱向通風(fēng)，并設(shè)置聯(lián)絡(luò)風(fēng)道與豎井聯(lián)通，因此，火災(zāi)時(shí)左、右洞均能采用二區(qū)段縱向排煙方式（見圖2）。豎井長237.7 m，直徑為9 m的圓形斷面，“三葉草”形分割（見圖3）。豎井井口地表附近位置圍巖較好，地勢較平緩，推薦采用地面風(fēng)機(jī)房。

圖2 單豎井送排式通風(fēng)方案總體布置Fig.2 Ventilation system layout with single shaft

圖3 通風(fēng)豎井橫斷面布置圖Fig.3 Cross-section of the ventilation shaft

2.3 互補(bǔ)式通風(fēng)方案

互補(bǔ)式通風(fēng)模式是在合適的位置設(shè)置一對(duì)聯(lián)絡(luò)風(fēng)道，將左、右洞聯(lián)通起來，通過軸流風(fēng)機(jī)加壓后，將下坡隧道中相對(duì)清潔的空氣引流到上坡隧道中去，稀釋上坡隧道中的污染物。同時(shí)，將上坡隧道中污染物濃度相對(duì)較高的空氣引流到下坡隧道中。通過這種方式，雖然下坡隧道出口端的污染物濃度會(huì)提高，但降低了上坡隧道出口端的污染物濃度，并確保在兩條隧道的出口端濃度均小于污染濃度臨界值。

互補(bǔ)式通風(fēng)模式適用于左、右洞需風(fēng)量差異較大（通常大于1.5倍）的分離式隧道，且左、右洞的設(shè)計(jì)風(fēng)量之和應(yīng)小于最大允許通風(fēng)量之和，后者即最大允許風(fēng)速10 m/s與隧道凈空斷面積之積。值得注意的是，通過對(duì)本隧道的分析，互補(bǔ)式通風(fēng)模式存在能耗經(jīng)濟(jì)性的適用條件，即左、右洞的設(shè)計(jì)風(fēng)量之和應(yīng)小于交通活塞風(fēng)量之和，否則將是不經(jīng)濟(jì)的，究其原因是通過豎井或斜井通風(fēng)時(shí)，風(fēng)流的路徑長度較通過主隧道大大縮短。因此，這種情況下仍推薦采用豎井或斜井送排式分段縱向通風(fēng)模式，

根據(jù)需風(fēng)量和交通活塞風(fēng)量計(jì)算結(jié)果，陳家山隧道完全滿足互補(bǔ)式通風(fēng)模式的適用條件和經(jīng)濟(jì)性條件，并根據(jù)計(jì)算，在ZK90+789和ZK90+889位置設(shè)置一對(duì)互補(bǔ)風(fēng)道，保留的豎井僅用于火災(zāi)時(shí)排煙，以滿足《細(xì)則》中對(duì)于縱向排煙模式下最大排煙長度不宜大于5 km的要求。優(yōu)化后的通風(fēng)系統(tǒng)布置如圖4所示。

圖4 互補(bǔ)式通風(fēng)方案總體布置圖Fig.4 Layout of complementary ventilation scheme

同時(shí)，鑒于豎井功能已弱化為僅用于排煙，因此，豎井?dāng)嗝娣e縮小為5 m，可將豎井設(shè)置于左、右洞之間，在豎井底部設(shè)置排煙聯(lián)絡(luò)風(fēng)道連接左、右洞，聯(lián)絡(luò)風(fēng)道與豎井形成倒T型（見圖5），并在豎井頂部設(shè)置小型的地面風(fēng)機(jī)房（見圖6）。平時(shí)可以利用熱位差用于自然排風(fēng)，采用VentSIM軟件進(jìn)行了自然通風(fēng)分析，估測冬天豎井內(nèi)的恒定自然排風(fēng)量可達(dá)到60 m3/s以上。

圖5 豎井及聯(lián)絡(luò)風(fēng)道三維結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Three-D structural of shaft and connecting duct

圖6 施工中的地面風(fēng)機(jī)房內(nèi)景Fig.6 Interior view of ground fan room in construction

2.4 選用方案及通風(fēng)設(shè)備規(guī)模

根據(jù)工程造價(jià)及營運(yùn)費(fèi)用分析，豎井送排式通風(fēng)方案和互補(bǔ)式通風(fēng)方案的土建費(fèi)用（含風(fēng)機(jī)房、豎井、聯(lián)絡(luò)風(fēng)道、互補(bǔ)風(fēng)道）分別為5 196萬元和3 136萬元，設(shè)備費(fèi)用（含軸流風(fēng)機(jī)、射流風(fēng)機(jī)、控制柜等）分別為378萬元和236萬元，20年?duì)I運(yùn)費(fèi)用（含能源費(fèi)用、設(shè)備維修費(fèi)、營運(yùn)管理費(fèi)）分別為1 806萬和334萬元。無論從工程造價(jià)還是全生命周期成本比較，采用互補(bǔ)式通風(fēng)方案都優(yōu)于原初步設(shè)計(jì)階段采用的豎井送排式通風(fēng)方案。因此，施工圖設(shè)計(jì)階段改用互補(bǔ)式通風(fēng)模式。陳家山隧道成為浙江省第一座采用互補(bǔ)式通風(fēng)模式的公路隧道。最后配置的通風(fēng)設(shè)備如下：

右洞：射流風(fēng)機(jī)16臺(tái)（φ 1 250/45 kW）；

左洞：射流風(fēng)機(jī)16臺(tái)（φ 1 250/45 kW）；

互補(bǔ)風(fēng)道：送排各100 m3/s×2臺(tái)；

排煙豎井：軸流風(fēng)機(jī)100 m3/s×2臺(tái)；

總功率：2 560 kW，折合430 kW/km。

3 大盤山隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

大盤山隧道右洞起訖里程為K113+955～K122+630，全長8 675 m；左洞起訖里程為ZK113+945-ZK122+640，全長8 695 m。隧道縱坡為-1%，為目前浙江省境內(nèi)最長的公路隧道，被譽(yù)為“華東第一隧”。

3.1 需風(fēng)量計(jì)算

大盤山隧道左、右洞需風(fēng)量的計(jì)算結(jié)果匯總?cè)缦卤?所示。

表5 大盤山隧道需風(fēng)量計(jì)算結(jié)果表(單位：m3/s)Tab.5 Demanded air volume of Dapans Tunnel (unit：m3/s)

左、右洞按每小時(shí)換氣3次計(jì)算的需風(fēng)量分別為 495.25 m3/s、494.11 m3/s，左、右洞遠(yuǎn)期需風(fēng)量分別為1 420.60 m3/s和436.10 m3/s，大于最大允許通風(fēng)量之和1 367 m3/s。阻塞工況下的需風(fēng)量較小，不對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的規(guī)模產(chǎn)生影響。從需風(fēng)量結(jié)果來看，左洞上坡隧道的需風(fēng)量明顯大于右洞下坡隧道，上坡隧道需風(fēng)量以稀釋煙霧的需風(fēng)量控制，并在車速為90 km/h時(shí)達(dá)到最大值。右洞下坡隧道除個(gè)別工況的需風(fēng)量大于按換氣次數(shù)計(jì)算的需風(fēng)量之外，其余均小于換氣需風(fēng)量。

3.2 單豎井方案

本方案在ZK118+150處設(shè)置一處豎井，豎井深度為230 m。在遠(yuǎn)期2044年，左洞豎井前、后兩段的需風(fēng)量分別為622.8 m3/s和591.4 m3/s，對(duì)應(yīng)風(fēng)速分別為9.5 m/s和9.0 m/s。如果采用單豎井送排式通風(fēng)，為了使洞內(nèi)風(fēng)速降低到經(jīng)濟(jì)風(fēng)速區(qū)間，豎井總送排風(fēng)量達(dá)到1 200 m3/s，此時(shí)，豎井面積約80 m2，直徑約10.5 m。

左洞在初期（2025年）、近期（2029年）、遠(yuǎn)期（2044年）的正常營運(yùn)工況通風(fēng)設(shè)備功耗分別為3 470 kW、3 620 kW和4 080 kW，而右洞為下坡隧道，正常情況下功耗為0。

3.3 雙豎井方案

該方案在左線上坡隧道ZK116+420、ZK119+250的外側(cè)設(shè)置兩處通風(fēng)豎井，兩處豎井的深度分別為297 m和275 m，左洞被劃分成三個(gè)通風(fēng)和排煙區(qū)段。右洞為下坡隧道，可采用純射流縱向通風(fēng)，并將豎井用于火災(zāi)時(shí)的排煙，因此，右洞劃分成一個(gè)通風(fēng)區(qū)段和三個(gè)排煙區(qū)段，最長排煙距離為3 390 m。

對(duì)于正常營運(yùn)通風(fēng)，擬定了兩種策略進(jìn)行同深度比較，其中：

策略A：盡量利用豎井通風(fēng)，將主洞內(nèi)設(shè)計(jì)風(fēng)量維持在交通活塞風(fēng)左右，交通活塞風(fēng)量的計(jì)算方法可參見文獻(xiàn)[5]，不足部分則利用豎井與外界換氣，因此，豎井規(guī)模會(huì)較大。

策略B：盡量利用主洞通風(fēng)，即增加主隧道進(jìn)口的風(fēng)量，目的是為了降低通風(fēng)豎井的土建規(guī)模和大型軸流風(fēng)機(jī)的功率。

兩個(gè)策略的分析結(jié)果如表6所示，前者的通風(fēng)能耗大大低于后者，可見，提高主洞內(nèi)風(fēng)量會(huì)需要更多射流風(fēng)機(jī)提供推力，總功率反而提高。因此，從降低通風(fēng)系統(tǒng)規(guī)模和今后閑置率考慮，在配置通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)采用策略A。

表6 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置的兩個(gè)策略Tab.6 Power comparison of ventilation equipment under different schemes

圖7 大盤山隧道雙豎井分段縱向通風(fēng)方案Fig.7 Scheme A of air supply organization with two shafts ventilation for Dapanshan tunnel

3.4 選用方案及通風(fēng)設(shè)備規(guī)模

單豎井方案僅需要設(shè)置一處大斷面的豎井，因此，在土建造價(jià)上有較大的優(yōu)勢，但其缺點(diǎn)是井位位于隧道中間，在工期非常緊張的情況下，該方案將成為拖累整體工期的控制性分部工程。另外，其運(yùn)營能耗高于雙豎井方案，最大排煙距離也長于雙豎井方案。因此，綜合比較后選用雙豎井方案。

綜合考慮右洞和左洞在火災(zāi)工況下的風(fēng)機(jī)數(shù)量要求后，大盤山隧道最后配置的通風(fēng)設(shè)備如下：

左洞：每處豎井中軸流送、排風(fēng)機(jī)各3臺(tái)；調(diào)壓射流風(fēng)機(jī)20臺(tái)（φ 1 250/45 kW）；

右洞：調(diào)壓射流風(fēng)機(jī)20臺(tái)（φ 1250/45 kW）；

總功率：4 305 kW，折合496 kW/km。

大盤山隧道通風(fēng)土建及機(jī)電設(shè)備的預(yù)算如下：1號(hào)豎井土建2 649.57萬元，地面風(fēng)機(jī)房房建567萬元，機(jī)電1 267萬元；2號(hào)豎井土建3 775.43萬元，房建622萬元，機(jī)電1353萬元。

圖8為大盤山隧道、陳家山隧道與省內(nèi)外典型隧道的每千米通風(fēng)設(shè)備功率對(duì)比情況。

圖8 典型隧道通風(fēng)設(shè)備功率對(duì)比圖Fig.8 Ventilation system power of typical tunnels

4 結(jié)語

本文介紹了浙江杭紹臺(tái)高速公路3座超過5 km的特長隧道的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，針對(duì)不同的長度和需風(fēng)量情況，分別采用了不同的設(shè)計(jì)方案，成功地降低了通風(fēng)設(shè)備的規(guī)模，其中陳家山隧道通風(fēng)設(shè)備安裝功率為430 kW/km，大盤山隧道為496 kW/km，均低于省內(nèi)早期建設(shè)的特長隧道。同時(shí)，得到以下結(jié)論：

（1）對(duì)于長度在5 km～6 km之間的特長隧道，如果其縱坡大致呈單向坡，左、右洞的需風(fēng)量差異較大，適合采用互補(bǔ)式通風(fēng)，并設(shè)置僅用于排煙的豎井以滿足《細(xì)則》中縱向排煙距離不宜大于5 km的要求，可有效降低通風(fēng)豎井和設(shè)備的規(guī)模。

（2）對(duì)于長度超過8 km的特長隧道，如果其需風(fēng)量大于最大允許通風(fēng)量之和，仍推薦采用豎井送排式縱向通風(fēng)模式，但是為了降低通風(fēng)設(shè)備的規(guī)模，減少今后設(shè)備閑置，建議隧道內(nèi)的設(shè)計(jì)風(fēng)速不應(yīng)大于交通活塞風(fēng)速，據(jù)此進(jìn)一步確定豎井和通風(fēng)設(shè)備的規(guī)模。

杭紹臺(tái)高速公路于2020年12月通車運(yùn)行，愿本項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)可以為類似長度的特長隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供借鑒。