安林軒,杜 琳,袁 慧

（中咨泰克交通工程集團(tuán)有限公司,北京 100089）

0 引言

作為高速公路交通工程設(shè)計(jì)過程中的重要一環(huán)，隧道通風(fēng)方案的正確與否將對隧道后期的運(yùn)行造成重要影響，尤其是成本占據(jù)很大一部分的特長型隧道通風(fēng)方案。隧道通風(fēng)方案一旦實(shí)施就無法輕易修改，采用合理的通風(fēng)方案不僅可以減少施工期間的費(fèi)用，而且可以減少后期運(yùn)營電費(fèi)的支出。該文以椿木山特長公路隧道為依托，通過定性分析和定量對比，對6.2 km的單向1.95%的長大縱坡隧道，綜合考慮建設(shè)造價(jià)及規(guī)模、環(huán)境影響及施工條件對比等因素，開展了通風(fēng)方案的比選研究，為今后類似項(xiàng)目提供了借鑒。

1 工程概況

芷江至銅仁（湘黔界）公路位于湖南省西部，湘黔兩省交界處，武陵山片區(qū)內(nèi)，是該片區(qū)規(guī)劃“兩環(huán)四橫五縱”交通主通道的第“五縱”——“重慶經(jīng)銅仁至懷化通道”中銅仁至懷化公路的湖南段，該項(xiàng)目為雙向四車道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)速度100 km/h，公路-I級，路基寬度為24.5 m。全線共設(shè)置5座隧道，其中，椿木山特長隧道的長度為6 219 m，小樁號側(cè)入口處設(shè)計(jì)高程為534 m，大樁號出口處設(shè)計(jì)高程為399 m，縱坡1.95%。

2 通風(fēng)方案設(shè)計(jì)

2.1 通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)

2.1.1 隧道內(nèi)CO允許濃度δ

（1）正常運(yùn)營時(shí)，隧道洞內(nèi)δCO要求小于等于100 cm3/m3[1]。

（2）主線交通發(fā)生擁堵時(shí)，隧道內(nèi)各車道的車輛均以慢速怠速行駛，平均車速vt≤30 km/h，阻滯段長度一般小于1 000 m，阻滯時(shí)間不超過20 min，洞內(nèi)δCO≤150 cm3/m3。

（3）養(yǎng)護(hù)維修工可時(shí)，隧道作業(yè)段空氣的δCO≤30 cm3/m3。

2.1.2 隧道煙塵允許濃度K

該項(xiàng)目隧道照明中相關(guān)燈具選用LED，隧道煙塵允許濃度K的取值如下規(guī)定：

正常運(yùn)營時(shí)：30～50 km/h，K≤0.007 5 m-1；50～60 km/h，K≤0.007 0 m-1；60～80 km/h，K≤0.006 5 m-1；交通阻滯：V車速≤30 km/h，K≤0.012 0 m-1；養(yǎng)護(hù)維修工況下：K≤0.003 m-1。

2.1.3 稀釋空氣中異味

根據(jù)該隧道交通量和隧道規(guī)模的特點(diǎn)，隧道空間按照每小時(shí)三次不間斷換氣，并保證隧道內(nèi)換氣風(fēng)速vr不小于1.5 m/s。

2.2 隧道通風(fēng)計(jì)算參數(shù)的選取

該隧道通風(fēng)主要參數(shù)為：隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面面積為69.88 m2，當(dāng)量直徑為8.58 m。

正常行車設(shè)計(jì)控制風(fēng)速≤8 m/s（分段式縱向通風(fēng)）；火災(zāi)工況設(shè)計(jì)控制風(fēng)速為3～4 m/s；稀釋異味設(shè)計(jì)控制風(fēng)速≥1.5 m/s；自然風(fēng)速為2.5 m/s。

2.3 交通量參數(shù)

根據(jù)工可報(bào)告，隧道所在路段的預(yù)測交通量和車型比例分別見表1和表2。

表1 預(yù)測交通量（標(biāo)準(zhǔn)小客車） /（pcu/d）

表2 車型比例（折算為標(biāo)準(zhǔn)小客車）

根據(jù)表格提供的數(shù)據(jù)和《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D70/2—02—2014）的相關(guān)規(guī)定，確定該項(xiàng)目近期設(shè)計(jì)年限為2030年，遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)年限為2040年。

根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01—2014）的3.3.2條款規(guī)定，將全部車型劃分為4種，交通量預(yù)測中所有車型均折算為標(biāo)準(zhǔn)小客車，車型劃分及折算系數(shù)如下：

小客車（座位≤19座的客車和載質(zhì)量≤2 t的貨車）車輛折算系數(shù)為1；中型車（座位＞19座的客車和2 t＜載質(zhì)量≤7 t的貨車）車輛折算系數(shù)為1.5；大型車（7 t＜載質(zhì)量≤20 t的貨車）車輛折算系數(shù)為2.5；汽車列車（載質(zhì)量＞20 t的貨車）車輛折算系數(shù)為4。

2.4 隧道需風(fēng)量計(jì)算

通過對已有資料進(jìn)行分析，結(jié)合隧道的長度、隧道凈面積、隧道所處的海拔、縱坡、交通量和車型比例等因素，分別計(jì)算出近遠(yuǎn)期椿木山隧道在平時(shí)正常運(yùn)營、稀釋煙塵、洞內(nèi)一氧化碳、稀釋異味、交通擁堵和火災(zāi)等工況的隧道需風(fēng)量，其中取最大的需風(fēng)量作為隧道的設(shè)計(jì)風(fēng)量。

根據(jù)《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》相關(guān)規(guī)定，以2000年為基準(zhǔn)排放量起點(diǎn)，每年按2%的遞減率計(jì)算獲得排放量作為設(shè)計(jì)年限的基準(zhǔn)排放量，阻滯長度按1 000 m考慮。

通過計(jì)算，椿木山隧道近遠(yuǎn)期左右線各種工況的需風(fēng)量和設(shè)計(jì)風(fēng)速如表3所示。

表3 椿木山隧道設(shè)計(jì)需風(fēng)量和設(shè)計(jì)風(fēng)速

2.5 隧道通風(fēng)方式的確定

通過上表可以得出在近遠(yuǎn)期各工況下，隧道左線和右線的設(shè)計(jì)風(fēng)速均不超過8 m/s。從隧道需風(fēng)量和設(shè)計(jì)風(fēng)速兩方面考慮，采用射流通風(fēng)方式即可滿足需求。但在火災(zāi)排煙工況下，隧道左、右線均需采用分段式排煙方式。

考慮運(yùn)營安全性和建設(shè)期的經(jīng)濟(jì)性，隧道左線近、遠(yuǎn)期均采用分段縱向通風(fēng)方式，右線近、遠(yuǎn)期均采用全射流縱向通風(fēng)方式。故椿木山隧道左線需要設(shè)置一座通風(fēng)井。

隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)兼顧火災(zāi)時(shí)的排煙功能。根據(jù)《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》第10.2.7條規(guī)定火災(zāi)工況下煙霧在隧道內(nèi)的最大行程不宜超過5 km?？紤]到隧道防災(zāi)排煙需求，椿木山隧道左、右線均應(yīng)進(jìn)行防排煙設(shè)計(jì)。椿木山隧道左線在火災(zāi)工況下可直接利用排風(fēng)通道將煙霧排出隧道；右線則需設(shè)置排煙聯(lián)絡(luò)通道與左線排煙風(fēng)道相連，再聯(lián)絡(luò)通和左線排風(fēng)通道中設(shè)置的電動(dòng)風(fēng)閥，以此控制兩電動(dòng)風(fēng)閥的開啟或關(guān)閉。右線發(fā)生火災(zāi)時(shí)可利用排煙聯(lián)絡(luò)通道進(jìn)行分段排煙，可大大縮短煙霧在隧道洞內(nèi)的蔓延距離。

綜上所述，椿木山隧道需設(shè)置一座通風(fēng)井用于左線的正常運(yùn)營通風(fēng)和火災(zāi)工況下進(jìn)行排煙；正常運(yùn)營時(shí)，右洞采用全射流縱向通風(fēng)方式即可滿足使用需求，火災(zāi)工況時(shí)通過控制左線電動(dòng)風(fēng)閥關(guān)閉，右線電動(dòng)風(fēng)閥打開，使右洞形成分段排煙模式，及時(shí)引入新鮮空氣并將隧道內(nèi)的煙霧排出。

3 隧道通風(fēng)方案比選

3.1 椿木山隧道通風(fēng)方案選擇原則

（1）隧道的前期建設(shè)期投資和后期運(yùn)營費(fèi)及工程實(shí)踐情況說明土建施工和設(shè)備通風(fēng)費(fèi)相對較高[2]。因此，在確定隧道通風(fēng)方案時(shí)，既要考慮到通風(fēng)主體工程近期費(fèi)用的盡量減少、通風(fēng)設(shè)備投入的盡量減少等問題，也要把降低后期運(yùn)營費(fèi)用作為重要的目標(biāo)之一。

（2）項(xiàng)目的近遠(yuǎn)期相結(jié)合的原則。在對比隧道通風(fēng)方案的研究中，除了一次性完成土建工程之外，還特將風(fēng)機(jī)分為近遠(yuǎn)期進(jìn)行安裝，以減少一次設(shè)備投入成本，導(dǎo)致設(shè)備閑置，同時(shí)也為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)備配置留出空間。

（3）正常運(yùn)營與防火救災(zāi)相結(jié)合的原則。公路隧道通風(fēng)方案的設(shè)計(jì)除了要滿足平時(shí)正常交通運(yùn)行的需風(fēng)量外，還必須滿足火災(zāi)發(fā)生時(shí)的通風(fēng)排煙需求，即將正常運(yùn)營和發(fā)生火災(zāi)時(shí)當(dāng)成隧道通風(fēng)系統(tǒng)中的兩種工況。因此，在研究公路隧道通風(fēng)方案時(shí)，對于橫通道的設(shè)置間距、防火區(qū)段的合理劃分、火災(zāi)工況時(shí)的電動(dòng)風(fēng)閥和風(fēng)機(jī)控制、煙霧的最佳排出路徑、橫通道的開啟與關(guān)閉時(shí)機(jī)、為逃生通道補(bǔ)給新鮮的空氣以及隧道內(nèi)避難洞的新風(fēng)需求等因素都應(yīng)綜合進(jìn)行考慮。

（4）通風(fēng)方案研究與技術(shù)設(shè)計(jì)相結(jié)合原則。在進(jìn)行通風(fēng)方案研究時(shí)，除要將重點(diǎn)放在通風(fēng)方案的研究上外，還必須注意通風(fēng)方案和通風(fēng)技術(shù)設(shè)計(jì)相結(jié)合，盡可能地完善設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)隧道通風(fēng)方案時(shí)，所有通風(fēng)方案的約束條件是衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)和允許煙霧透過率。充分利用雙洞單向交通的汽車交通風(fēng)。采用縱向分段通風(fēng)方式是方案研究的指導(dǎo)思想，通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)思的重要因素和結(jié)構(gòu)選擇的必須參考則是隧道所處的地形、地貌以及地質(zhì)等自然條件。

借鑒我國特長公路隧道通風(fēng)的設(shè)計(jì)建設(shè)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，并根據(jù)隧道的特點(diǎn)，本著“技術(shù)成熟、綠色低碳環(huán)保、方案經(jīng)濟(jì)”的理念確定出最合理的通風(fēng)方案。具體的通風(fēng)方案需要綜合考慮交通狀況、地形地貌、地質(zhì)條件、運(yùn)行通風(fēng)的要求、生態(tài)環(huán)境保護(hù)的需求、防災(zāi)搶險(xiǎn)措施、養(yǎng)護(hù)管理水平、工程造價(jià)、運(yùn)行電費(fèi)和養(yǎng)護(hù)管理費(fèi)用等因素，確定最佳的通風(fēng)方案。

3.2 椿木山隧道通風(fēng)方案比選

通過上述分析可知，在合適的位置設(shè)置一處通風(fēng)井即可滿足椿木山隧道的通風(fēng)需求。通過與隧道主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)溝通，提出如下四個(gè)比選方案：

方案一：K20+300豎井方案。

在K20+300處設(shè)置一處通風(fēng)豎井，豎井深333 m，左線平時(shí)運(yùn)營時(shí)采用送排式通風(fēng)；在右線設(shè)置一處排煙聯(lián)絡(luò)通道連接至左線排風(fēng)井，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)開啟電動(dòng)閥門對右線進(jìn)行排煙。

方案二：K20+200豎井方案。

在K20+200處設(shè)置1座通風(fēng)豎井，豎井深288 m，左線平時(shí)運(yùn)營時(shí)采用送排式通風(fēng)；在右線設(shè)置一處排煙聯(lián)絡(luò)通道連接至左線排風(fēng)井，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)開啟電動(dòng)閥門負(fù)責(zé)對右線進(jìn)行排煙。

方案三：ZK20+650斜井方案。

隧道左線ZK20+650處設(shè)置一座通風(fēng)斜井，斜井長1 450 m，縱坡7.72%，左線平時(shí)運(yùn)營時(shí)采用送排式通風(fēng)；在右線設(shè)置一處排煙聯(lián)絡(luò)通道連接至左線排風(fēng)井，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)開啟電動(dòng)閥門負(fù)責(zé)對右線進(jìn)行排煙。

方案四：豎井+互補(bǔ)式通風(fēng)方案。

該方案在方案二豎井的基礎(chǔ)上，取消送風(fēng)井，只保留排煙井，通過設(shè)置互補(bǔ)式通風(fēng)，利用左右兩洞的需風(fēng)量以及風(fēng)壓不同進(jìn)行互補(bǔ)，可大大節(jié)約前期投入成本，取得更好的通風(fēng)效果。互補(bǔ)式通風(fēng)風(fēng)道設(shè)置在K22+300附近。正常運(yùn)營工況下，該隧道采用互補(bǔ)式通風(fēng)即可滿足運(yùn)營需求，火災(zāi)工況則采用豎井進(jìn)行排煙。

椿木山隧道通風(fēng)方案一～四詳細(xì)對比見表4。

表4 通風(fēng)方案對比表

根據(jù)上述比選，得出以下結(jié)論：

（1）從宏觀層次分析：斜井施工簡單，施工風(fēng)險(xiǎn)最低；300 m以內(nèi)豎井次之；300 m以上豎井施工技術(shù)復(fù)雜，施工風(fēng)險(xiǎn)極高。

（2）斜井方案費(fèi)用較高，300 m以上豎井次之，300 m以下豎井方案費(fèi)用最低。

（3）斜井輔助施工主洞作用效果最好，能有效縮短工期，豎井基本不能輔助主洞施工，不能縮短工期。

（4）從具體方案分析：1）方案一通風(fēng)豎井深度超過300 m，有一定施工風(fēng)險(xiǎn)，不能輔助主洞施工，圍巖條件較好，地表道路條件較好，造價(jià)較方案二高，棄渣較方案二高，運(yùn)營費(fèi)用與方案二相同。2）方案三通風(fēng)斜井長度較長，為了能輔助施工，施工通道截面遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于通風(fēng)需要的面積，代價(jià)較大。圍巖地質(zhì)較好，能輔助施工提前工期6個(gè)月，建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)營費(fèi)用都是最高的。3）方案四是在方案二基礎(chǔ)上增加的互補(bǔ)式通風(fēng)方式，但不能輔助主洞施工，圍巖條件較好，地表道路條件較好，但附近有居民，可能會產(chǎn)生噪聲。建設(shè)期費(fèi)用和運(yùn)營期費(fèi)用都比方案二造價(jià)高。4）方案二隧道豎井深度小于300 m，施工風(fēng)險(xiǎn)較低，但不能輔助主洞施工，圍巖條件較好，地表道路條件較好，但附近有居民，可能會產(chǎn)生噪聲。該方案建設(shè)成本最低，運(yùn)營費(fèi)用與方案一相同，比方案三、四低，滿足工期要求。

綜上所述，綜合考慮隧道通風(fēng)井規(guī)模、施工難易程度、工期影響、總造價(jià)和運(yùn)營期費(fèi)用等因素，選用方案二為推薦方案。

4 結(jié)語

該文基于通風(fēng)井規(guī)模、對環(huán)境影響、施工難易程度、總造價(jià)和運(yùn)營期費(fèi)用對比等方法，針對椿木山特長隧道通風(fēng)方案展開對比研究，可為國內(nèi)同類特長公路隧道通風(fēng)方案設(shè)計(jì)提供一定的借鑒和參考。主要結(jié)論和建議主要有以下幾點(diǎn)：

（1）綜合考慮建設(shè)及運(yùn)營全壽命周期、經(jīng)濟(jì)性、施工組織難度、環(huán)境影響等因素推薦椿木山隧道選用方案二豎井方案。

（2）特長隧道安全運(yùn)營和緊急情況下的疏散救援非常重要，該文篇幅有限未進(jìn)行探究，建議此類隧道在后期運(yùn)營階段，根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)一步研究安全疏散救援的問題。