徐超

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030012）

0 引言

隨著我國(guó)西部大開(kāi)發(fā)的推進(jìn)和現(xiàn)代公路交通體系的升級(jí)，交通基礎(chǔ)設(shè)施從東部向中西部延伸，隧線比不斷增加，導(dǎo)致特長(zhǎng)公路隧道的規(guī)模和數(shù)量日益增加，其“長(zhǎng)、大、深”特點(diǎn)日趨顯現(xiàn)。在特長(zhǎng)公路隧道建設(shè)中面臨的主要難題有：隧道地形地質(zhì)條件復(fù)雜，不良地質(zhì)種類多，地質(zhì)勘查難度大；通風(fēng)要求高，工期影響大；工程運(yùn)營(yíng)環(huán)境特殊，防災(zāi)救援難度大等。其中，運(yùn)營(yíng)通風(fēng)、逃生救災(zāi)為影響特長(zhǎng)隧道設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性問(wèn)題。因此，有必要以代表性工程為例，對(duì)特長(zhǎng)公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)中的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行深入研究。

1 工程概況

昔陽(yáng)（晉冀界）至榆次高速公路太行山隧道左線隧道長(zhǎng)度為14175m，單坡-1.9%；右線隧道長(zhǎng)度為14180m，單坡+1.9%。該隧道橫跨兩省，其中河北境內(nèi)約4km，山西境內(nèi)約10km。

太行山隧道近東西向展布，穿越太行山北段，隧道進(jìn)口位于河北省贊皇縣王家坪村西側(cè)500m處，屬嶂石巖風(fēng)景保護(hù)區(qū)的實(shí)驗(yàn)區(qū)，隧道出口位于昔陽(yáng)縣茶葉洼村南側(cè)700m處。隧道為左右分離式，兩洞內(nèi)側(cè)邊墻最大間距為35m，屬特長(zhǎng)隧道，隧道總體走向呈265°。

隧道河北側(cè)洞口位于嶂石巖風(fēng)景保護(hù)區(qū)試驗(yàn)區(qū)，因此本項(xiàng)目通風(fēng)斜井井口位置選擇時(shí)應(yīng)避讓嶂石巖風(fēng)景保護(hù)區(qū)核心區(qū)和緩沖區(qū)，應(yīng)設(shè)置在實(shí)驗(yàn)區(qū)或者完全避讓保護(hù)區(qū)。

2 隧道通風(fēng)計(jì)算

2.1 設(shè)計(jì)原則

（1）綜合考慮建設(shè)投資與運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。

（2）近期工程與遠(yuǎn)期工程相結(jié)合。

（3）設(shè)計(jì)中綜合考慮隧道運(yùn)營(yíng)和防災(zāi)救援。

（4）充分考慮設(shè)備的技術(shù)先進(jìn)性，運(yùn)行可靠性和節(jié)能性，以便減少工程運(yùn)行費(fèi)用。

（5）注重隧道通風(fēng)工程對(duì)洞口周邊環(huán)境的影響，使之滿足環(huán)境保護(hù)的要求。

2.2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及參數(shù)

（1）隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)行車速度：100km/h。

（2）內(nèi)輪廓：斷面面積為67.31m2，周長(zhǎng)為32.06m，當(dāng)量直徑為8.4m。

（3）隧道夏季設(shè)計(jì)氣溫：298K（25℃）。

（4）隧道建筑限界：凈寬10.25m；凈高5m。

（5）設(shè)計(jì)交通量及行車方式：高峰小時(shí)交通量系數(shù)為0.12/0.115；方向不均勻系數(shù)為0.48/0.52。近期交通量預(yù)測(cè)（2035年）：52368pcu/d，遠(yuǎn)期交通量預(yù)測(cè)（2045年）：53647pcu/d，車型比例以汽車為主。

（6）通風(fēng)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)

①隧道CO允許濃度。

正常運(yùn)營(yíng)時(shí)，CO設(shè)計(jì)濃度δ取100cm3/m3。

交通阻滯（隧道內(nèi)平均車速為20～10km/h）時(shí)，阻滯段的平均CO設(shè)計(jì)濃度δ取150cm3/m3，經(jīng)歷時(shí)間不超過(guò)20min。阻滯段的計(jì)算長(zhǎng)度不宜大于1km。

隧道內(nèi)養(yǎng)護(hù)維修時(shí)，隧道作業(yè)段空氣的CO允許濃度不應(yīng)大于30cm3/m3。

②隧道煙塵允許濃度。隧道照明系統(tǒng)采用LED光源，計(jì)算車速≥90km/h，煙塵設(shè)計(jì)濃度K取0.005m-1。

③隧道稀釋異味指標(biāo)。舒適性指標(biāo)主要為換氣頻率，本次計(jì)算隧道換氣頻率采用3次/h。

④防災(zāi)與救援指標(biāo)。

臨界風(fēng)速根據(jù)火災(zāi)時(shí)可燃物質(zhì)的熱釋放率計(jì)算確定，本次設(shè)計(jì)太行山隧道按50MW火災(zāi)釋熱量進(jìn)行計(jì)算，火災(zāi)時(shí)臨界風(fēng)速取4.5m/s。

2.3 隧道通風(fēng)方式

隧道通風(fēng)方案應(yīng)根據(jù)交通、地形、地貌、地質(zhì)條件、防火救災(zāi)、環(huán)保、工程造價(jià)、維護(hù)和運(yùn)營(yíng)管理水平以及費(fèi)用等因素做出全面比較和考慮。公路隧道機(jī)械通風(fēng)方式可分為縱向式、半橫向式、全橫向式以及在這3種基本方式基礎(chǔ)上的組合通風(fēng)方式。

半橫向式和全橫向式通風(fēng)方式具有風(fēng)速小、噪聲小、行車環(huán)境舒適、排煙方便靈活等優(yōu)點(diǎn)，但不能充分利用汽車活塞風(fēng)，隧道斷面增大，造價(jià)昂貴，不易分期實(shí)施，管理與維護(hù)難度大，其主要用于單洞雙向行車隧道，因此本次設(shè)計(jì)主要考慮縱向式通風(fēng)。

縱向式通風(fēng)可分為全射流通風(fēng)、豎（斜）井集中送風(fēng)、豎（斜）井集中排風(fēng)、豎（斜）井送排式通風(fēng)以及這幾種方式的相互組合等若干通風(fēng)方式。參考《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D70/2—02—2014），長(zhǎng)度L＞1000m的高速公路和一級(jí)公路隧道應(yīng)設(shè)置火災(zāi)機(jī)械防煙與排煙系統(tǒng)。太行山隧道右線采用三井送排型+射流風(fēng)機(jī)分段縱向式通風(fēng)，左線采用單井送排型+射流風(fēng)機(jī)分段縱向式通風(fēng)方案。

2.4 隧道需風(fēng)量計(jì)算

2.4.1 需風(fēng)量設(shè)計(jì)參數(shù)

需風(fēng)量設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 需風(fēng)量設(shè)計(jì)參數(shù)

2.4.2 設(shè)計(jì)需風(fēng)量及通風(fēng)計(jì)算結(jié)果

對(duì)計(jì)算行車速度及以下各工況車速按10km/h為一檔并考慮交通阻塞狀態(tài)分別計(jì)算稀釋CO需風(fēng)量和稀釋煙塵濃度需風(fēng)量，還應(yīng)滿足隧道空間不間斷換氣頻率3次/h且隧道內(nèi)換氣風(fēng)速不應(yīng)低于1.5m/s；此外隧道通風(fēng)還應(yīng)滿足隧道在火災(zāi)時(shí)排煙、救援通風(fēng)要求。綜合上述通風(fēng)需求，取其較大者作為設(shè)計(jì)需風(fēng)量，太行山隧道需風(fēng)量計(jì)算結(jié)果如表2所示。

結(jié)合表2可知：太行山隧道左線近、遠(yuǎn)期需風(fēng)量均由40km/h時(shí)速下稀釋CO濃度控制；隧道右線近、遠(yuǎn)期需風(fēng)量均由100km/h稀釋煙霧濃度控制。

表2 隧道全長(zhǎng)需風(fēng)量計(jì)算結(jié)果 單位：m3/s

太行山隧道左線近期控制需風(fēng)量對(duì)應(yīng)最大風(fēng)速為12.9m/s，遠(yuǎn)期控制需風(fēng)量對(duì)應(yīng)最大風(fēng)速為13.4m/s，隧道右線近期控制需風(fēng)量對(duì)應(yīng)最大風(fēng)速為24.9m/s，遠(yuǎn)期控制需風(fēng)量對(duì)應(yīng)最大風(fēng)速為23.8m/s。

大型號(hào)的射流風(fēng)機(jī)比小型號(hào)有更大的推力效率，同時(shí)本項(xiàng)目隧道建筑限界至拱頂?shù)目臻g為2.2m，較為充裕，適合f1120mm型（最大外部尺寸為1.31m）射流風(fēng)機(jī)的安裝，所以本項(xiàng)目設(shè)計(jì)選用推力效率高、單機(jī)功率30kW的f1120mm型射流風(fēng)機(jī)作為計(jì)算樣本。

3 隧道通風(fēng)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 方案介紹

結(jié)合通風(fēng)計(jì)算結(jié)果，確定隧道通風(fēng)分段方案，爬坡方向采用三井分兩段通風(fēng)方案或二井分三段通風(fēng)方案，下坡方向隧道采用一井分二段通風(fēng)方案。本設(shè)計(jì)中從地形地質(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，提出了3個(gè)方案。

（1）方案一

本方案設(shè)1#（-K0+400）、2#（K3+100）、3#（K6+600）3座通風(fēng)斜井和ZK3+200處1座通風(fēng)豎井，總計(jì)“三斜一豎”4座通風(fēng)井。

左、右線均采用分段軸流風(fēng)機(jī)送排風(fēng)+射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)。右線設(shè)置1#、2#、3#斜井分為4個(gè)通風(fēng)段，長(zhǎng)度分別為3508m、3500m、3500m、3600m；隧道左線設(shè)置一座豎井，分為兩個(gè)通風(fēng)段，長(zhǎng)度分別為7020m、6895m。同時(shí)，1#斜井、3#斜井設(shè)置連通隧道左線的排煙風(fēng)道，用于火災(zāi)工況下左線的排煙需要，劃分后左線為4個(gè)防火分區(qū)。本方案既能滿足隧道正常通風(fēng)需求，又很好地考慮了防災(zāi)救援需要。

（2）方案二

本方案別設(shè)1#（-K0+400）、3#（K6+600）共2座通風(fēng)斜井，ZK3+200處1座通風(fēng)豎井，總計(jì)兩斜一豎三座通風(fēng)井。

左、右線均采用分段軸流風(fēng)機(jī)送排風(fēng)+射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)。左線設(shè)置一座豎井，分為兩個(gè)通風(fēng)段，長(zhǎng)度分別為：7020m、6895m；右線設(shè)置兩座斜井、一座豎井，豎井為左、右線共用，右線分為4個(gè)通風(fēng)段，長(zhǎng)度分別為：3508m、3500m、3500m、3600m。同方案二，1#斜井、3#斜井設(shè)置連通隧道左線的排煙風(fēng)道，用于火災(zāi)工況下左線的排煙需要，劃分后左線為4個(gè)防火分區(qū)。

（3）方案三

本方案分別設(shè)1#（K0+400）、2#（K3+100/ZK3+200）、3#（K6+600）共3座通風(fēng)斜井，2號(hào)（K3+100/ZK3+200）斜井由48.1m2+44.2m2兩個(gè)小斷面斜井組成，分別供應(yīng)左、右線的送排風(fēng)。

左、右線均采用分段軸流風(fēng)機(jī)送排風(fēng)+射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)。隧道左線設(shè)置2#斜井將隧道分為兩個(gè)通風(fēng)段，長(zhǎng)度分別為：6795m、7120m；右線設(shè)置1#、2#、3#斜井將隧道分為4個(gè)通風(fēng)段，長(zhǎng)度分別為：3508m、3500m、3500m、3600m。同方案二、方案三，1#斜井、3#斜井設(shè)置連通隧道左線的排煙風(fēng)道，用于火災(zāi)工況下左線的排煙需要，劃分后左線為4個(gè)防火分區(qū)。此方案最大優(yōu)點(diǎn)在于隧道中央位置設(shè)置兩處斜井，施工進(jìn)度快，施工工期有保障。

3.2 方案優(yōu)化分析

方案二ZK3+200處豎井為左右洞共用，豎井面積達(dá)到75㎡，直徑達(dá)10m，施工難度大。本方案建設(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。

方案一和方案三的區(qū)別僅在K3+100處的井位形式上，其中方案一由1斜井+1豎井組成，方案三由2個(gè)小斷面斜井組成。

工期比較：由于方案三為兩個(gè)斜井出渣，所以方案三施工進(jìn)度至少要比方案一快3個(gè)月，工期有保障。

施工難度：方案一中豎井施工難度大，方案三為無(wú)軌斜井施工，施工難度低。

投資比較：施工期方案一總投資為22500萬(wàn)元、施工期為38.6個(gè)月，方案三總造價(jià)為26505萬(wàn)元、施工期為35.5個(gè)月，方案三比方案一多4005萬(wàn)元、工期少3.1個(gè)月。但若考慮建設(shè)期貸款利息，則每增加1個(gè)月工期至少要多償還5580萬(wàn)元，晚通車3.1個(gè)月需增加1.5億。

綜合考慮施工期、施工難度、總體投資，得出方案一最優(yōu)，因此推薦方案一。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)昔榆高速公路太行山特長(zhǎng)隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了分析，總結(jié)了隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮的關(guān)鍵問(wèn)題和影響因素，并對(duì)通風(fēng)方案進(jìn)行比選分析，選擇確定了合理優(yōu)化的方案。