晉陽高速公路隧道通風(fēng)系統(tǒng)改造與效果分析

睢向文

（晉城高速公路管理有限公司，山西 晉城 048000）

0 引言

近年來，很多早期修建的高速公路通風(fēng)系統(tǒng)已達(dá)到了設(shè)計(jì)年限，再加上運(yùn)行環(huán)境惡劣、維護(hù)管理不到位等因素影響[1]，已經(jīng)達(dá)到報(bào)廢或是大修的標(biāo)準(zhǔn)。為了恢復(fù)隧道通風(fēng)系統(tǒng)的基本功能，及時(shí)排出隧道內(nèi)部的粉塵和有害氣體，必須開展全面調(diào)查，制定方案進(jìn)行改造升級(jí)[2]。晉陽高速公路自1997年建成通車以來已運(yùn)營使用二十余年，雖然運(yùn)營期間進(jìn)行了多次維護(hù)改造，但很多隧道內(nèi)部的通風(fēng)設(shè)備已經(jīng)出現(xiàn)了損壞，通風(fēng)效果已不能滿足現(xiàn)今高速公路運(yùn)行的需求。通過對(duì)公路沿線隧道通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)查，制定方案進(jìn)行了升級(jí)改造。為驗(yàn)證通風(fēng)系統(tǒng)的改造效果，在隧道內(nèi)部開展風(fēng)速、CO濃度和VI濃度監(jiān)測[3]，整理數(shù)據(jù)分析確定改造效果。

1 項(xiàng)目背景

晉陽高速公路是山西省第二條高速公路，于1997年12月建成通車，2009年晉城至陽城段進(jìn)行了大修養(yǎng)護(hù)。晉陽高速主線全長36.1 km，全幅路基長28 km、寬度為21.5 m、單向行車道寬為2×7.5 m，半幅高速公路8.1 km，路基寬度為12 m。晉陽高速公路全線共5座隧道，分別為五佛山、牛王山、天壇山、八甲口、官道嶺隧道，其中五佛山隧道和牛王山隧道限速70 km/h；天壇山隧道、官道嶺隧道、八甲口隧道限速60 km/h。經(jīng)查閱原始設(shè)計(jì)文件，該項(xiàng)目5座隧道有3座超過1 000 m，分別為天壇山隧道、官道嶺隧道和牛王山隧道，本文以最長的牛王山隧道為研究對(duì)象，開展風(fēng)速、CO濃度和VI濃度監(jiān)測確定改造效果。

2 晉陽高速隧道通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)查結(jié)果

2.1 風(fēng)機(jī)數(shù)量

晉陽高速公路隧道內(nèi)大部分風(fēng)機(jī)是1997年投入使用的，只有少部分是2015年更換的。牛王山隧道內(nèi)共配置風(fēng)機(jī)7組，檢查中發(fā)現(xiàn)K10+040位置一臺(tái)風(fēng)機(jī)存在接地故障，K10+140位置和K10+340位置各一臺(tái)風(fēng)機(jī)于2015年更換。天壇山隧道和官道嶺隧道內(nèi)分別配置風(fēng)機(jī)4組，其中2015年對(duì)官道嶺隧道內(nèi)K38+860位置2臺(tái)風(fēng)機(jī)進(jìn)行了更換。

2.2 隧道內(nèi)風(fēng)機(jī)配電箱情況

隧道內(nèi)風(fēng)機(jī)配電箱均為晉陽高速建成時(shí)采購，由于運(yùn)行環(huán)境惡劣、使用年限長等原因，風(fēng)機(jī)配電箱存在密封條老化、銹蝕等問題，且配電箱內(nèi)落灰嚴(yán)重。2012年對(duì)隧道內(nèi)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，統(tǒng)一移至隧道變電所內(nèi)，除斷路器外，風(fēng)機(jī)配電箱內(nèi)全部控制線路均已拆除。經(jīng)過測試分析，隧道配電箱內(nèi)斷路器運(yùn)行狀況良好。

3 隧道通風(fēng)系統(tǒng)改造方案

3.1 通風(fēng)改造設(shè)計(jì)

3.1.1 隧道通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)

牛王山隧道長1 868 m、官道嶺隧道長1 300 m、天壇山隧道長1 108 m，均超過了1 000 m，根據(jù)《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/TD70/2-02—2014）中的相關(guān)規(guī)定，CO設(shè)計(jì)濃度取140 cm3/m3，交通阻滯時(shí)阻滯段的平均CO濃度可取150 cm3/m3，隧道內(nèi)養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)段的空氣CO允許濃度不超過30 cm3/m3。隧道內(nèi)煙塵設(shè)計(jì)濃度不超過0.006 5 m-1，在火災(zāi)工況下該項(xiàng)目隧道火災(zāi)臨界風(fēng)速取2.5 m/s。隧道換氣頻率不低于每小時(shí)3次，換氣風(fēng)速不低于1.5 m/s[4]。

3.1.2 需風(fēng)量計(jì)算

隧道需風(fēng)量計(jì)算是確定能夠稀釋隧道內(nèi)煙塵、CO、空氣中異味的需風(fēng)量，并取最大值作為最終需風(fēng)量。經(jīng)調(diào)查，晉城至陽城方向自然交通量為14 013輛/d，陽城至?xí)x城方向自然交通量為15 185輛/d。根據(jù)《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/TD70/2-02—2014）中的通風(fēng)量計(jì)算方法，3座隧道不同工況下需風(fēng)量計(jì)算結(jié)果如表1和表2所示。

表1 牛王山隧道不同工況下需風(fēng)量設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果 m3/s

表2 兩座隧道不同工況下需風(fēng)量設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果 m3/s

3.1.3 射流風(fēng)機(jī)數(shù)量

由于3座隧道安裝的風(fēng)機(jī)型號(hào)均為φ900型射流風(fēng)機(jī)，考慮到安裝條件，改造方案仍選用φ900型射流風(fēng)機(jī)。在滿足各種工況需風(fēng)量的前提下，綜合考慮隧道坡度與運(yùn)營速度的關(guān)系，結(jié)合上述3座隧道需風(fēng)量計(jì)算結(jié)果，確定3座隧道射流風(fēng)機(jī)配置情況和各隧道實(shí)際最大風(fēng)機(jī)需求數(shù)量：牛王山隧道上行風(fēng)機(jī)14臺(tái)，下行12臺(tái)；天壇山隧道上下行各4臺(tái)；官道嶺隧道上下行各4臺(tái)。

3.2 風(fēng)機(jī)的更換

該項(xiàng)目隧道內(nèi)配置的通風(fēng)風(fēng)機(jī)絕大多數(shù)為晉陽高速建成通車時(shí)采購，在運(yùn)營過程中對(duì)個(gè)別損壞的風(fēng)機(jī)進(jìn)行了更換。綜合考慮高速公路改擴(kuò)建對(duì)隧道通風(fēng)的要求，牛王山隧道內(nèi)所有風(fēng)機(jī)暫不更換，本次只進(jìn)行檢測與維修，待改擴(kuò)建時(shí)再進(jìn)行更換。官道嶺和天壇山隧道不考慮改擴(kuò)建，本次改造更換了兩座隧道內(nèi)所有的老舊風(fēng)機(jī)。

3.3 風(fēng)機(jī)的控制

該項(xiàng)目隧道內(nèi)所有風(fēng)機(jī)均配置有軟啟動(dòng)器，可在隧道洞口的變電所進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，沒有設(shè)置手動(dòng)控制系統(tǒng)。考慮到改擴(kuò)建的影響，本次改造中牛王山隧道內(nèi)風(fēng)機(jī)不增設(shè)手動(dòng)控制功能，對(duì)官道嶺和天壇山隧道內(nèi)的風(fēng)機(jī)增設(shè)現(xiàn)場手動(dòng)控制功能。本次改造工程對(duì)隧道通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，整合了數(shù)據(jù)采集、處理、控制、顯示功能。

4 隧道改造后通風(fēng)效果檢測與分析

4.1 隧道改造后通風(fēng)效果檢測方案

為確定隧道改造后通風(fēng)效果，在現(xiàn)有交通流的情況下，制定方案對(duì)隧道內(nèi)CO濃度、風(fēng)速和Ⅵ濃度進(jìn)行檢測。檢測儀器為XC-2200便攜式CO檢測儀、CFJD5機(jī)械式風(fēng)速表、SH-1型光透過率儀等設(shè)備。該項(xiàng)目牛王山、天壇山、官道嶺3座隧道均進(jìn)行了通風(fēng)改造，本文以長度最長的牛王山隧道為研究對(duì)象。

牛王山隧道風(fēng)速監(jiān)測共選擇6個(gè)斷面，分別位于K10+200、K10+400、K10+600、K10+800、K10+1000 和K11+720。CO和Ⅵ濃度檢測斷面布置在距隧道出口200 m處K11+720斷面，CO采樣點(diǎn)高度為1.5 m，距邊墻0.5 m，Ⅵ濃度采樣點(diǎn)布置在電纜槽上部，對(duì)100 m范圍內(nèi)的光透過率進(jìn)行檢測。檢測時(shí)間選擇車輛高峰期，確定在上午9：30—11：30和下午15：30—17：30。檢測過程中保證人員和儀器設(shè)備安全，并做好記錄。

4.2 風(fēng)速監(jiān)測結(jié)果分析

分別在牛王山隧道每個(gè)監(jiān)測斷面布置一臺(tái)CFJD5機(jī)械式風(fēng)速表，對(duì)6個(gè)監(jiān)測斷面風(fēng)速開展監(jiān)測。由于各斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)變化規(guī)律基本一致，選取K10+800斷面作為研究對(duì)象，整理風(fēng)速監(jiān)測數(shù)據(jù)并繪制風(fēng)速變化曲線如圖1所示。

圖1 K10+800斷面風(fēng)速監(jiān)測結(jié)果折線圖

分析圖1所示K10+800斷面風(fēng)速監(jiān)測結(jié)果，風(fēng)速監(jiān)測值分布在3.73～5.89 m/s之間，最大風(fēng)速為5.89 m/s，遠(yuǎn)小于《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTJ/TD70/2-02—2014）中規(guī)定的單向通行隧道風(fēng)速不大于10 m/s，最小風(fēng)速也超過了換氣風(fēng)速1.5 m/s。通過分析得到K10+800斷面風(fēng)速平均值為4.698 m/s，結(jié)合其他斷面風(fēng)速監(jiān)測結(jié)果，K10+200風(fēng)速平均值為5.102 m/s，K10+400斷面為4.706 m/s，K10+600斷面為4.816 m/s，K10+800斷面為5.021 m/s，K10+1000斷面為4.806 m/s，K11+720斷面為4.623 m/s。各監(jiān)測斷面風(fēng)速相差不大，但仍然有一定差距。理論上各斷面風(fēng)速應(yīng)該相同，但由于受到車輛行駛作用、橫洞關(guān)閉不嚴(yán)等因素的影響，存在一定的差異是正常的。

4.3 CO濃度檢測結(jié)果分析

在K11+720監(jiān)測斷面布置一臺(tái)XC-2200便攜式CO檢測儀，檢測儀距邊墻0.5 m，高出路面1.5 m。每10 min檢測一次CO濃度，分別在上午和下午交通量最大的時(shí)間段開展檢測，整理數(shù)據(jù)繪制CO濃度檢測結(jié)果折線圖如圖2所示。

圖2 CO濃度檢測結(jié)果折線圖

分析圖2所示CO濃度檢測結(jié)果，整體分析得出上午CO濃度較下午略高，且總體波動(dòng)不大。其中最大值出現(xiàn)在上午，為43 cm3/m3，上午隧道內(nèi)CO濃度變化范圍為17～43 cm3/m3，下午變化范圍為13～35 cm3/m3。根據(jù)《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTJ/TD70/2-02—2014）中的相關(guān)要求，運(yùn)營期間隧道內(nèi)CO濃度不得高于250 cm3/m3，檢測值遠(yuǎn)小于要求值，也遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值140 cm3/m3，說明通風(fēng)后CO濃度滿足要求。

4.4 VI濃度檢測結(jié)果分析

與CO濃度檢測相同，Ⅵ濃度檢測斷面也選擇在K11+720，布置一臺(tái)SH-1型光透過率儀，檢測頻率與CO濃度檢測也相同，VI濃度檢測結(jié)果折線圖如圖3所示。

圖3 VI濃度檢測結(jié)果折線圖

分析圖3所示VI濃度檢測結(jié)果，可以得出各時(shí)段VI濃度波動(dòng)相對(duì)較大，且上午VI濃度較下午小。上午VI濃度最大值為0.002 0 m-1，空氣透過率良好。下午VI濃度最大值為0.003 2 m-1，較上午略高，空氣透過率有所下降，這是由于下午大貨車數(shù)量增加造成的。結(jié)合《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTJ/TD70/2-02—2014）中的相關(guān)要求，設(shè)計(jì)時(shí)速為60～90 km/h的隧道VI設(shè)計(jì)濃度不得高于0.006 5 m-1，檢測結(jié)果遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值，滿足規(guī)范要求，改造方案可行。

5 結(jié)語

基于晉陽高速公路隧道通風(fēng)系統(tǒng)改造工程，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果制定改造方案，并在隧道內(nèi)開展通風(fēng)效果檢測，分析風(fēng)速、CO濃度和VI濃度檢測結(jié)果得出：隧道通風(fēng)系統(tǒng)改造后風(fēng)速監(jiān)測結(jié)果分布在3.73～5.89 m/s之間，最大風(fēng)速為5.89 m/s，滿足規(guī)范要求的不超過10 m/s，最小風(fēng)速也超過了換氣風(fēng)速1.5 m/s；改造后隧道內(nèi)CO濃度檢測結(jié)果最大值為43 cm3/m3，遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的不超過250 cm3/m3和設(shè)計(jì)值140 cm3/m3；隧道內(nèi)VI濃度最大值為0.003 2 m-1，與大貨車數(shù)量增加有關(guān)，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)與規(guī)范要求的不超過0.006 5 m-1。因此，隧道通風(fēng)系統(tǒng)改造后風(fēng)速、CO濃度和VI濃度檢測結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求，說明改造方案可行，達(dá)到了預(yù)期效果。