汾石高速東山隧道通風(fēng)解決方案

任衛(wèi)英

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司，山西 太原 030032）

汾陽至石樓高速公路是山西省“三縱十二橫十二環(huán)十五條連接線”中的重要一段，該項目向北與國家高速公路網(wǎng)青銀線相接，向西與在建國家高速公路網(wǎng)G59呼北線（即山西省西縱高速公路離石至隰縣段）十字交叉后至石樓縣。該路段建成后，可實現(xiàn)兩條國家高速公路網(wǎng)之間的順暢轉(zhuǎn)換，進(jìn)一步補充完善晉西北區(qū)域高速公路網(wǎng)。同時，該路段的建設(shè)將拉近太原市與交口、石樓、永和、大寧、隰縣等革命老區(qū)的聯(lián)系，增強(qiáng)太原都市圈對其輻射帶動作用，有利于推進(jìn)呂梁山區(qū)集中連片特困地區(qū)扶貧開發(fā)。本文將對東山特長隧道的通風(fēng)方案進(jìn)行比選確定。

1 工程概況

東山隧道左線隧道長度為7 730 m，采用坡度為+1.189（7 290 m）、-1.7（515 m）的人字坡；右線隧道長度 為 7 810 m，采 用 坡 度 為 +1.7（510 m）、-1.189（7 220 m）的人字坡。

根據(jù)《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細(xì)則》[1]JTG/T D70/2-02—2014規(guī)定，單向交通隧道，當(dāng)符合L×N≥2×106時可設(shè)置機(jī)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(xì)則》第 10.1條：長度 L＞1 000 m的高速公路隧道應(yīng)設(shè)置火災(zāi)機(jī)械防煙與排煙系統(tǒng)。通過計算確定東山隧道需設(shè)置機(jī)械通風(fēng)。《細(xì)則》中指出：火災(zāi)煙氣在隧道內(nèi)的最大行程不宜大于5 000 m，該項目的隧道長度大于5 000 m，最終確定東山特長隧道采用通風(fēng)井送排式縱向通風(fēng)方案。

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(xì)則》5.3.1選取東山隧道正常交通情況下CO設(shè)計濃度δCO=100 cm3/m3，交通阻滯工況下隧道內(nèi)CO的設(shè)計濃度δCO=150 cm3/m3。

2.1.2 煙塵設(shè)計濃度K

選用LED燈作為隧道照明方式，煙塵設(shè)計濃度K在不同車速下的取值如表1所示[1]。

表1 煙塵設(shè)計濃度K

2.1.3 機(jī)動車基準(zhǔn)排放量取值

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0.003 8 m2/(veh·km)，阻滯工況下CO的基準(zhǔn)排放量為 0.008 2 m2/(veh·km)。

2.1.4 換氣要求

《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細(xì)則》JTG/TD70/2-02—2014第5.4條規(guī)定：隧道空間最小換氣頻率不應(yīng)低于每小時3次；采用縱向通風(fēng)的隧道，換氣風(fēng)速不應(yīng)低于1.5 m/s。

2.1.5 火災(zāi)工況

《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細(xì)則》第10.1條規(guī)定：長度L＞1 000 m的高速公路隧道應(yīng)設(shè)置火災(zāi)機(jī)械防煙與排煙系統(tǒng)。該項目隧道長度7 730 m，火災(zāi)最大釋放率取30 MW，隧道火災(zāi)臨界風(fēng)速取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 東山隧道內(nèi)的設(shè)計車速為100 km/h。隧道內(nèi)車輛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=67.31 m2。

f）斷面周長 Cr=32.06 m。

g）斷面當(dāng)量直徑 Dr=8.4 m。

h）隧道夏季的設(shè)計氣溫，取25℃。

2.3 交通量參數(shù)

該隧道預(yù)測交通量見表2，車型折算系數(shù)如表3所示，隧道汽柴比如表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0.55，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2 隧道混合交通量 veh/h

表3 車型折算系數(shù)

表4 汽柴比

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(jìn)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(jìn)行全面考慮[2]。

3.1 稀釋CO的需風(fēng)量[1]

隧道內(nèi)CO排風(fēng)量：

稀釋CO的需風(fēng)量：

3.2 稀釋煙塵的需風(fēng)量[1]

隧道內(nèi)煙霧排放量：

稀釋煙塵的需風(fēng)量：

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，公式如下：

由于東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，公式如下，經(jīng)計算得出東山隧道左、右洞火災(zāi)工況下的需風(fēng)量分別為434 m3/s、438 m3/s。

3.5 需風(fēng)量的優(yōu)化

3.5.1 重載LNG貨車需風(fēng)量計算

LNG車屬于單一燃料汽車，我國對其尾氣檢測時執(zhí)行的是汽油車尾氣檢測標(biāo)準(zhǔn)，不對煙塵顆粒物（PM）排放量進(jìn)行控制，LNG車通風(fēng)計算時應(yīng)執(zhí)行汽油車需風(fēng)量計算方法，無需按照柴油車標(biāo)準(zhǔn)計算煙塵顆粒物（PM）排放量。

3.5.2 區(qū)域路網(wǎng)重載LNG貨車比例調(diào)查點

依據(jù)并延續(xù)《工可》中的OD調(diào)查點分布情況，對工可中確定的9個OD調(diào)查點和3個交通觀測點進(jìn)行LNG比例調(diào)查。為使調(diào)研數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，項目組擴(kuò)大了調(diào)查范圍，對與該項目平行或競爭的G20青銀高速、G5京昆高速、G2211長延高速、G2516京呂高速進(jìn)行LNG比例調(diào)查，優(yōu)化后的調(diào)查點共16個。

3.5.3 區(qū)域路網(wǎng)重載LNG貨車調(diào)查比例

圖1為部分站點的調(diào)查照片。

圖1 羅村調(diào)查點和汾孝互通調(diào)查點

通過對16個調(diào)查點進(jìn)行12 h觀測，重載LNG占整個重載貨車的比例統(tǒng)計，16個觀測點的現(xiàn)狀比例均不低于40%，即使不考慮未來15年LNG車預(yù)期增長率，按現(xiàn)狀比例情況，選取LNG占整個重載貨車比例35%是非常保守的。

3.6 左、右洞需風(fēng)量計算結(jié)果

獨立隧道需風(fēng)量計算時，按照行車速度以每10 km/h為一檔，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。東山隧道左、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 東山隧道右洞各工況下需風(fēng)量計算結(jié)果 m3/s

表7 東山隧道左洞各工況下需風(fēng)量計算結(jié)果 m3/s

表8 東山隧道右洞需風(fēng)量 m3/s

表9 東山隧道左洞需風(fēng)量 m3/s

4 隧道通風(fēng)方案

東山隧道右線需風(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(jī)通風(fēng)，隧道內(nèi)設(shè)計風(fēng)速均小于8.0 m/s，風(fēng)速合適，滿足通風(fēng)要求。左線近期風(fēng)速為6.5～9.2 m/s，遠(yuǎn)期最高風(fēng)速為11.5 m/s，同時，左線主要通風(fēng)需求為稀釋煙塵，加之該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(dá)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。

4.1 東山隧道選用地上風(fēng)機(jī)房

4.1.1 采用地上風(fēng)機(jī)房的特點

a）機(jī)電設(shè)備安裝環(huán)境干燥，設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)容易，檢修方便。

b）需長期人員駐守，且生活環(huán)境艱苦，巡檢和維修路途遙遠(yuǎn)。

c）風(fēng)機(jī)房施工簡單，地面風(fēng)機(jī)房估價在900萬元左右。

d）可結(jié)合原有鄉(xiāng)村道路，增加永久性施工便道。

4.1.2 采用地下風(fēng)機(jī)房的特點

a）地下風(fēng)機(jī)房較為潮濕，容易漏水，不利于機(jī)電設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)，機(jī)電設(shè)備壽命短。

b）地下風(fēng)機(jī)施工復(fù)雜，難度大。

c）地下風(fēng)機(jī)房人員檢修路途短，可快速抵達(dá)風(fēng)機(jī)房。

d）采用地下風(fēng)機(jī)房約需2 000萬元左右。

該項目東山隧道附近無自然保護(hù)區(qū)，斜井井口附近2 km內(nèi)有村道，施工便利，斜井井口地形較為平坦，因此根據(jù)上述地上風(fēng)機(jī)房和地下風(fēng)機(jī)房優(yōu)缺點的比較，同時結(jié)合斜井地面在地形、征地、環(huán)境保護(hù)、運營維護(hù)方面有建地上風(fēng)機(jī)房的客觀條件，該次設(shè)計采用有人職守的地上風(fēng)機(jī)房。

4.2 東山隧道采用斜井

東山隧道的通風(fēng)井采用斜井通風(fēng)，長度為1 422 m。斜井和豎井方案比較：斜井可結(jié)合施工進(jìn)程，便于輔助主洞內(nèi)出渣運輸，具有施工周期短，難度低等優(yōu)點。因此從施工難度考慮，結(jié)合了施工造價，選擇了斜井通風(fēng)方式。

4.3 通風(fēng)方案

東山隧道所在區(qū)域無自然保護(hù)區(qū)，結(jié)合實際地形地貌、通風(fēng)需求和施工進(jìn)度要求，提出如下通風(fēng)方案。

左線一斜井分兩段軸流風(fēng)機(jī)送排風(fēng)+射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)；右線全射流縱向通風(fēng)，布置如圖2所示。

圖2 東山隧道通風(fēng)方案系統(tǒng)圖

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)排煙道，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2個防火分區(qū)。

東山隧道左右線隧道對應(yīng)不同控制指標(biāo)的設(shè)計需風(fēng)量詳見表10、表11。

表10 東山左線隧道對應(yīng)不同控制指標(biāo)的設(shè)計需風(fēng)量 m3/s

表11 東山右線隧道對應(yīng)不同控制指標(biāo)的設(shè)計需風(fēng)量 m3/s

東山隧道通風(fēng)斜井主要參數(shù)如表12。

表12 東山隧道斜井主要參數(shù)表

東山隧道軸流風(fēng)機(jī)主要參數(shù)如表13。

表13 東山隧道軸流風(fēng)機(jī)主要參數(shù)表

東山隧道左線各項參數(shù)計算結(jié)果，詳見表14，表中為隧道內(nèi)行車速度100 km/h下的參數(shù)，其他速度下不再詳細(xì)計列。軸流風(fēng)機(jī)選型時考慮了通風(fēng)和防排煙系統(tǒng)的漏風(fēng)量，取漏風(fēng)附加系數(shù)為10%.

表14 東山隧道左線通風(fēng)計算結(jié)果表

依據(jù)規(guī)范，在隧道最終風(fēng)機(jī)配置時考慮一定的備用風(fēng)機(jī)。正常運營工況下風(fēng)機(jī)長期開啟，火災(zāi)工況下需要一定的冗余度，因此計算時需考慮正常工況和火災(zāi)工況下備用風(fēng)機(jī)數(shù)量。計算時若正常工況和火災(zāi)所需射流風(fēng)機(jī)臺數(shù)在1～6組間，盡量備用一組，阻滯工況由于發(fā)生概率低且危害程度較小，出于節(jié)能考慮不再備份；計算所需射流風(fēng)機(jī)臺數(shù)大于6組時，可考慮所需臺數(shù)15%的備用量。結(jié)論如表15～表17。

表15 東山隧道左線近期各種工況下風(fēng)機(jī)臺數(shù) 臺

表16 東山隧道左線遠(yuǎn)期各種工況下風(fēng)機(jī)臺數(shù) 臺

表17 東山隧道右線隧道風(fēng)機(jī)需求量 臺

射流風(fēng)機(jī)的功能是為了輔助通風(fēng)和調(diào)壓，右線為下坡方向，考慮了火風(fēng)壓的影響，射流風(fēng)機(jī)設(shè)置臺數(shù)如表18。

表18 東山隧道射流風(fēng)機(jī)數(shù)量表 臺

5 隧道通風(fēng)設(shè)計方案確定

a）在進(jìn)行通風(fēng)方案研究時，除了土建工程一次完成外，其余通風(fēng)設(shè)備分期購置和安裝，避免了一次設(shè)備投入費用過大，造成設(shè)備閑置，又為結(jié)合未來實際汽車排污水平，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)備配置留有空間。

b）在確定隧道通風(fēng)方案時，不僅考慮到盡可能減少近期通風(fēng)主體工程的費用和通風(fēng)設(shè)備的投資，而且重視降低后期運營成本。

c）公路隧道通風(fēng)方案設(shè)計除滿足交通運營通風(fēng)外，還滿足了火災(zāi)發(fā)生時的通風(fēng)需求，即把正常運營和火災(zāi)時的通風(fēng)看作是整個通風(fēng)系統(tǒng)的兩種不同工況。

d）在進(jìn)行通風(fēng)方案研究時，除將重點放在通風(fēng)方案的研究上外，還將通風(fēng)方案和通風(fēng)技術(shù)設(shè)計相結(jié)合，盡可能完善設(shè)計。在隧道通風(fēng)方案設(shè)計中，衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)和允許煙霧透過率是所有通風(fēng)方案的約束條件，充分利用雙洞單向交通的汽車交通風(fēng)。

6 結(jié)語

對東山特長隧道進(jìn)行隧道通風(fēng)設(shè)計方案的確定，采用通風(fēng)井送排式縱向通風(fēng)方案，對每個分段內(nèi)的通風(fēng)分別進(jìn)行計算，同時在通風(fēng)計算中結(jié)合重載LNG車比例，對需風(fēng)量進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到了方案合理、施工期短、施工難度小、總體投資低的目的。