太行山隧道通風(fēng)方案的比選研究

郭 福

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

1 隧道概況

昔榆高速公路太行山隧道穿越太行山北段，隧道的進(jìn)口位于河北王家坪村西，出口位于山西茶葉洼村南。隧道為分離式雙洞結(jié)構(gòu)，最大間距34 m，屬于特長(zhǎng)公路隧道。隧道左線長(zhǎng)13 915 m，單坡1.9%；右線長(zhǎng)14 108 m，單坡1.9%。隧道橫跨山西河北兩省，其在河北省內(nèi)約4 km，山西省內(nèi)約10 km。

2 優(yōu)化調(diào)整后的隧道需風(fēng)量

公路隧道的通風(fēng)原理：向隧道內(nèi)注入新鮮空氣，稀釋洞內(nèi)由汽車排出的廢氣和煙霧，使得隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量和煙霧透過(guò)率能保證司乘人員的身體健康和行車安全[1]。各獨(dú)立隧道需風(fēng)量計(jì)算按照稀釋煙塵的需風(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(shí)的需風(fēng)量分別計(jì)算后取最大值作為隧道最終實(shí)際需風(fēng)量[2]。

綜合優(yōu)化后煙塵顆粒物（PM）年遞減率仍維持初步設(shè)計(jì)的3%不變，折減年限控制在2035年。同時(shí)，根據(jù)實(shí)際調(diào)查情況，將重載LNG 貨車按照汽油車計(jì)算需風(fēng)量，占比按30%控制。按上述參數(shù)優(yōu)化后，重新測(cè)算太行山隧道的需風(fēng)量，并結(jié)合PIARC 2019 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)太行山隧道進(jìn)行各工況需風(fēng)量對(duì)比后，太行山隧道近、遠(yuǎn)期各工況需風(fēng)量計(jì)算采用結(jié)果如表2所示。

表1 太行山隧道概況

表2 太行山隧道近、遠(yuǎn)期各工況需風(fēng)量計(jì)算結(jié)果 單位：m3/s

3 優(yōu)化后的通風(fēng)方案

目前特長(zhǎng)公路隧道通風(fēng)方案比選時(shí)采用送排式通風(fēng)方案，從方案設(shè)計(jì)角度分析幾種不同縱向通風(fēng)模式的功能特點(diǎn)、適用條件，結(jié)合送排式通風(fēng)，從全壽命周期角度，對(duì)通風(fēng)井送排式方案進(jìn)行比選研究[3]。原方案中，爬坡方向的隧道采用4 井分5 段通風(fēng)方案，下坡方向隧道采用1 井分2 段通風(fēng)方案，其中左、右線共用一豎井。隧道需風(fēng)量?jī)?yōu)化后，爬坡方向的隧道可實(shí)行3 井分2 段或2 井分3 段的通風(fēng)方案，下坡方向的隧道仍采用1 井分2 段通風(fēng)方案。結(jié)合需風(fēng)量確定分段方案后，從實(shí)際地形地質(zhì)條件、通風(fēng)需求、施工進(jìn)度及工程造價(jià)等方面綜合考慮，提出4 個(gè)方案[4]，具體如下。

3.1 優(yōu)化通風(fēng)方案一

右線2 斜井分3 段軸流風(fēng)機(jī)送排風(fēng)+射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)，左線1 斜井分2 段軸流風(fēng)機(jī)送排風(fēng)+射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)。隧道左線設(shè)置2 號(hào)斜井分為2 個(gè)通風(fēng)段；右線設(shè)置1 號(hào)斜井、3 號(hào)斜井將隧道分為3 個(gè)通風(fēng)段，具體設(shè)置詳見(jiàn)圖1。

圖1 方案一通風(fēng)平面示意圖

經(jīng)隧道通風(fēng)計(jì)算，確定通風(fēng)方案近、遠(yuǎn)期規(guī)模詳見(jiàn)表3，各斜井設(shè)置參數(shù)見(jiàn)表4。

表3 方案一通風(fēng)規(guī)模計(jì)算結(jié)果

表4 方案一各斜井參數(shù)表

施工工期安排：利用1 號(hào)斜井向大樁號(hào)方向施工2 840 m，工期39 個(gè)月；利用2 號(hào)斜井向大樁號(hào)方向施工2 450 m，工期37.5 個(gè)月；利用3 號(hào)斜井向大樁號(hào)方向施工1 830 m，工期34 個(gè)月；該方案控制工期為起點(diǎn)方向工區(qū)，工期為43.2 個(gè)月。

3.2 優(yōu)化通風(fēng)方案二

右線3 斜井分4 段軸流風(fēng)機(jī)送排風(fēng)+射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)，左線1 豎井分2 段軸流風(fēng)機(jī)送排風(fēng)+射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)。

隧道左線設(shè)置1 豎井分為2 個(gè)通風(fēng)段；右線設(shè)置1號(hào)斜井、2 號(hào)斜井、3 號(hào)斜井將隧道分為4 個(gè)通風(fēng)段，具體設(shè)置詳見(jiàn)圖2。

圖2 方案二通風(fēng)平面示意圖

經(jīng)隧道通風(fēng)計(jì)算，確定通風(fēng)方案近、遠(yuǎn)期規(guī)模詳見(jiàn)表5，各斜井設(shè)置參數(shù)見(jiàn)表6。

表5 方案二通風(fēng)規(guī)模計(jì)算結(jié)果

表6 方案二各斜豎井參數(shù)表

施工工期安排：利用1 號(hào)斜井施工2 760 m，工期38.7 個(gè)月；利用2 號(hào)斜井施工2 690 m，工期37 個(gè)月；利用3 號(hào)斜井施工2 290 m，工期38 個(gè)月；該方案控制工期為1 號(hào)斜井工區(qū)。

3.3 優(yōu)化通風(fēng)方案三

右線2 斜井+1 豎井分4 段軸流風(fēng)機(jī)送排風(fēng)+射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)，左線1 豎井分2 段軸流風(fēng)機(jī)送排風(fēng)+射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)，左右洞共用一個(gè)豎井。

隧道左線設(shè)置1 豎井分為2 個(gè)通風(fēng)段，右線設(shè)置1號(hào)斜井、豎井、3 號(hào)斜井將隧道分為4 個(gè)通風(fēng)段，具體設(shè)置詳見(jiàn)圖3。

圖3 方案三通風(fēng)平面示意圖

經(jīng)隧道通風(fēng)計(jì)算，確定通風(fēng)方案近、遠(yuǎn)期規(guī)模詳見(jiàn)表7，各斜井設(shè)置參數(shù)見(jiàn)表8。

表7 方案三通風(fēng)規(guī)模計(jì)算結(jié)果

表8 方案三各斜豎井參數(shù)表

施工工期安排：利用1 號(hào)斜井施工3 500 m，工期45.1 個(gè)月；利用3 號(hào)斜井施工3 500 m，工期46.4 個(gè)月；該方案控制工期為終點(diǎn)方向工區(qū)，工期為46.8 個(gè)月。

3.4 優(yōu)化通風(fēng)方案四

右線3 斜井分4 段軸流風(fēng)機(jī)送排風(fēng)+射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)，左線1 斜井分2 段軸流風(fēng)機(jī)送排風(fēng)+射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)，左右洞共用一個(gè)斜井，采用地上風(fēng)機(jī)房。

隧道左線設(shè)置1 斜井分為2 個(gè)通風(fēng)段；右線設(shè)置1號(hào)斜井、2 號(hào)斜井、3 號(hào)斜井將隧道分為4 個(gè)通風(fēng)段，具體設(shè)置詳見(jiàn)圖4。

圖4 方案四通風(fēng)平面示意圖

經(jīng)隧道通風(fēng)計(jì)算，確定通風(fēng)方案近、遠(yuǎn)期規(guī)模詳見(jiàn)表9，各斜井設(shè)置參數(shù)見(jiàn)表10。

表9 方案四通風(fēng)規(guī)模計(jì)算結(jié)果

表10 方案四各斜井參數(shù)表

施工工期安排：利用1 號(hào)斜井施工2 150 m，工期33.9 個(gè)月；利用2號(hào)斜井施工4 590 m（2 290 m+2 300 m），工期37 個(gè)月（2 號(hào)斜井兩個(gè)井的工期分別為34.7月、35.3月）；利用3 號(hào)斜井施工2 090 m，工期35.3 個(gè)月；該方案控制工期為終點(diǎn)方向工區(qū)，工期為35.6 個(gè)月。

4 方案比選

4.1 通風(fēng)方案對(duì)比

分別對(duì)原方案及3 個(gè)優(yōu)化方案共4 個(gè)方案進(jìn)行土建、通風(fēng)及綜合等經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，具體情況詳見(jiàn)表11。

表11 4個(gè)方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較表

4.2 方案優(yōu)缺點(diǎn)

a）方案一 分別設(shè)1 號(hào)（K0+810）、2 號(hào)（K3+060）、3 號(hào)（K5+510）共3 座通風(fēng)斜井，3 座斜井?dāng)嗝娣e均較大，3 井均在山西境內(nèi)，投資和運(yùn)營(yíng)均由山西方面負(fù)責(zé)。下坡方向隧道使用2 號(hào)（K3+060）斜井，為1 井2 段式通風(fēng)。爬坡方向隧道使用1 號(hào)（K0+810）和3 號(hào)（K5+510）斜井，為2 井3 段式通風(fēng)方案，其中1 號(hào)（K0+810）斜井完全避讓了嶂石巖風(fēng)景保護(hù)區(qū)；3 號(hào)（K5+510）斜井長(zhǎng)度達(dá)到2 000 m，對(duì)通風(fēng)十分不利，斜井施工工期長(zhǎng)對(duì)主洞施工幫助小，因此不推薦。

b）方案二 分別設(shè)1 號(hào)（-K0+400）、2 號(hào)（K3+100）、3 號(hào)（K6+600）3 座通風(fēng)斜井和ZK3+200 處1 座通風(fēng)豎井，總計(jì)3 斜1 豎4 座通風(fēng)井。爬坡方向設(shè)3 座通風(fēng)斜井，1 號(hào)（-K0+400）斜井位于河北境，斜井井口和主洞河北端隧道洞口均位于嶂石巖風(fēng)景保護(hù)區(qū)的試驗(yàn)區(qū)，并不在核心區(qū)和緩沖區(qū)范圍內(nèi)。另外2 座斜井在山西境內(nèi)，不涉及風(fēng)景保護(hù)區(qū)，山西境設(shè)1 座通風(fēng)豎井，豎井直徑7 m，埋深217 m。3 座斜井長(zhǎng)度均在1.6 km 左右，面積均在40～50 m2之間，施工工期39 個(gè)月（批復(fù)為48 個(gè)月），該方案施工進(jìn)度能夠保障。

c）方案三 分別設(shè)1 號(hào)（-K0+400）、3 號(hào)（K6+600）共2座通風(fēng)斜井，ZK3+200處1座通風(fēng)豎井，總計(jì)2斜1豎3 座通風(fēng)井。河北境1 號(hào)（-K0+400）斜井同方案二，井口和隧道洞口均位于嶂石巖風(fēng)景保護(hù)區(qū)的試驗(yàn)區(qū)，并不在核心區(qū)和緩沖區(qū)范圍內(nèi)。山西境設(shè)ZK3+200 處1座豎井和3 號(hào)（K6+600）處1 座斜井，其中K6+600 處斜井與方案二斜井相同。ZK3+200 處豎井為左右洞共用豎井，豎井面積達(dá)到75 m2，直徑達(dá)10 m，施工難度大。該方案建設(shè)期總體投資較為合理，但施工工期達(dá)到47個(gè)月，進(jìn)度慢且工期控制難度大，因此不推薦。

d）方案四 分別設(shè)1 號(hào)斜井（-K0+400）、2 號(hào)斜井（K3+100）、3 號(hào)（K6+600）斜井進(jìn)行排風(fēng)。河北境內(nèi)的1 號(hào)斜井與方案二、方案三的位置相同，1 號(hào)斜井口和隧道進(jìn)口均位于風(fēng)景保護(hù)區(qū)的試驗(yàn)區(qū)。3 號(hào)斜井的位置與方案二、方案三斜井一致。其2 號(hào)斜井由48.1 m2+44.2 m2兩個(gè)小斷面斜井共同組成。方案四的最大優(yōu)點(diǎn)是在隧道中央位置設(shè)置兩處斜井輔助施工，其施工進(jìn)度最快，施工工期最短。

e）方案比選 方案二與方案四的最大區(qū)別在于K3+100 處的井位的成井形式，其中方案二在此處是由1 斜井+1 豎井共同組成，方案四在此處由2 個(gè)小斷面斜井共同組成。

f）工期比較 方案四是由兩個(gè)斜井共同出渣，其施工進(jìn)度比方案三至少快3 個(gè)月，工期短。

g）施工難度 方案二中豎井半徑大，豎向施工，較困難，方案四為普通無(wú)軌斜井施工，其工藝較成熟，施工難度低。

h）經(jīng)濟(jì)比較 方案二的總投資為22 501 萬(wàn)元，施工工期為38.6 個(gè)月；方案四總投資為26 505 萬(wàn)元，施工工期為35.5 個(gè)月。方案四比方案二投資雖多4 005 萬(wàn)元、但其工期少3.1 個(gè)月。但考慮建設(shè)期貸款利息，則每增加1 個(gè)月至少要多償還5 580 萬(wàn)元貸款利息，方案四晚通車3.1 個(gè)月，至少需增加1.5 億元利息。

綜合考慮施工的工期、難度、經(jīng)濟(jì)投資，得出方案四為最優(yōu)方案，因此推薦太行山隧道通風(fēng)方案選擇方案四。