呂梁山特長公路隧道通風方案研究

李志鵬

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

隨著高速公路向山區的延伸，特長隧道甚至超長隧道將日漸增多。特長隧道運營通風方案的優劣將直接影響到整個隧道工程的工程造價、運營效益、行車環境以及防災救災的功能。因此根據隧道自身的特點，選取合理的通風方案，是隧道通風設計階段必須認真研究的課題。

國內外長大公路隧道的通風方式一般分為分段縱向、半橫向、全橫向和組合通風方式。由于橫向通風方式保持隧道內衛生狀況及防火排煙效果良好，但其缺點是初期土建費用及后期的運營費用均很大。縱向通風方式出現以后彌補了橫向通風方式的不足，成為多數國家長大公路隧道首選的通風方式。

國內雖然現在已建成將近10座8.0～12.0 km的特長隧道，但通風形式各不相同，通風效果相差甚遠。由于運營期較短，所積累的經驗還不能滿足呂梁山隧道建設的需要。因此，必須結合呂梁山隧道的實際情況，對其通風方式、通風方案進行研究，提出適合于呂梁山公路隧道實際情況的通風方案。

1 工程概況

1.1 隧道的基本情況

呂梁山隧道是山西省祁縣至離石高速公路中的控制性工程，隧道位于山西省中部，東西向展布，橫貫呂梁山脈中部，地形地貌復雜，溝壑縱橫，山勢險峻，林木茂盛。

隧道為分離式雙洞單向交通，兩洞軸線相距50 m，最大埋深約430 m。左線設計長度9 818 m，進口標高1 471.509 m，出口標高1 624.147 m，平均海拔高度1 547.828 m，坡度1.58%（上坡）。右線設計長度9 818 m，進口標高 1 624.154 m，出口標高1 471.109 m，平均海拔高度 1 547.632 m，坡度-1.58%（下坡）。隧道設計行車速度80 km/h，隧道區域夏季平均溫度20℃。

1.2 設計原則

a）近期與遠期相結合的原則。

b）前期建設投資與后期運營費用并重的原則。

c）適用于多種工況的原則。

d）應滿足運營安全、環保等的要求。

1.3 通風標準

a）隧道通風的安全標準以稀釋機動車排放的煙塵為主。b）衛生標準以稀釋機動車排放的一氧化碳為主。c）舒適性標準以換氣稀釋機動車帶來的異味為主。

d）火災排煙按隧道全線同一時間發生一次火災考慮。

2 需風量計算

確定需風量時，應對稀釋煙塵、CO按隧道設計速度以下各工況車速10 km/h為一檔分別進行計算，并計算交通阻滯、換氣和火災排煙的需風量，取其大者作為設計需風量。

2.1 交通流組成

根據《祁縣至離石高速公路工程可行性研究報告》對交通量的預測，將呂梁山隧道路段的標準小客車交通量換算成混合車型設計高峰小時交通量，計算結果見表1。

表1 交通量計算表

按照工可提供的車型比例、各汽車代表車型、車輛折算系數以及各類車輛的發動機類型比例計算出近、遠期各類型車輛的實際數量，計算結果見表2。

表2 各類型車輛實際數量計算表 veh/h

2.2 稀釋煙霧濃度的需風量

根據《公路隧道通風設計細則》（JTG/T D70/2-02—2014以下簡稱《細則》），隧道內的煙塵排放量計算公式為：

稀釋煙霧的需風量計算公式為：

2.3 稀釋CO的需風量

根據《細則》，隧道內的CO排放量計算公式為：

稀釋CO的需風量計算公式為：

2.4 稀釋空氣中異味的需風量

稀釋空氣中異味的需風量公式為：

2.5 考慮火災時排煙的需風量

考慮火災時排煙的需風量公式為：

需風量的計算結果見表3。

由于呂梁山隧道將配備完善的監控系統，故不需考慮全程怠速行駛（平均車速20 km/h）的情況。結合國內隧道實際運營情況，大車在隧道內實際車速較低，故本隧道近期控制需風量取70 km/h車速對應的風量作為控制需風量。遠期取50 km/h車速對應的風量作為控制需風量。

表3 各工況需風量計算結果表 m3/s

3 呂梁山隧道通風方案

3.1 方案一

根據隧道近、遠期的控制需風量、排煙要求及隧道長度，利用主體工程為了滿足工期要求而修建的兩處施工斜井（1號、2號斜井均位于隧道左線左側），將隧道左線分為3段，采用兩處斜井送排式+射流風機縱向式通風；右線同樣劃分為3個通風區段，利用1號斜井排出式+豎井（YK74+600）送排式+射流風機縱向式通風。通風方案一平面示意圖如圖1所示。

圖1 呂梁山隧道通風方案一平面示意圖

3.2 隧道分段通風計算

各分段需風量應結合隧道實際坡度分別計算，避免出現風量不足和過剩的情況，對于呂梁山隧道左線兩斜井送排式通風計算中，需假定各通風區段排風量Qei進行試算，利用各設計判定條件檢驗假定風量的合理性。

通過分析左線各區段近、遠期的送排風量，暫定1號斜井排風口面積Ae=50.3 m2，送風口面積Ab=12.64 m2，2號斜井排風口面積Ae=53.8 m2，送風口面積Ab=16.56 m2，結合原始設計資料，可確定如下各量：取 Ke=0.9，Kb=1.0；左線第Ⅰ段排風量 Qe1=206.75 m3/s，第Ⅱ段送風量Qb2=530.0 m3/s，排風量Qe2=424.0 m3/s，第Ⅰ段排風風速ve1=3.84 m/s，第Ⅱ段排風風速ve2=7.88 m/s，對左線遠期分段通風進行試算見表4。

表4 左線遠期分段通風試算表

通過計算可以確定以下各量（見表5）。

表5 試算結果

對試算結果進行合理性驗算，結果如下：

1號斜井排風口的濃度C1=Qe1/Qr1=0.939∈[0.9，1.0]，

2號斜井排風口的濃度C2=Qe2/Qr2=0.902∈[0.9，1.0]，

隧道出口內側處的濃度C3=1∈[0.9，1.0].

Qe1/Qr1=0.70＜1.0，1號斜井底部短道不產生回流，Qe1/Qr1=0.68＜1.0，2號斜井底部短道不產生回流。通過驗算可知以上通過試算確定的各量合理，可以進行下一步計算。

3.3 射流風機調壓計算

根據壓力平衡條件判斷左線遠期各通風區段是否需要射流風機進行調壓，計算汽車產生的交通風壓時，取vt=50 km/h進行計算，壓力計算結果見表6。

表6 左線遠期壓力計算結果 Pa

通過計算，左線遠期第一區段、第二區段、第三區段計算結果分別為-7.34（不需要設置調壓風機，但要配置適量的排煙風機）、37.27（需要設置38臺）和17.94（需要設置18臺），正常運營條件下左線遠期需要開啟56臺1120型射流風機進行調壓。同理，可算出右線3個區段所需射流風機的臺數。

3.4 軸流風機功率及送排風機所需全壓計算

隧道左、右線所需設置的斜、豎井及風道參數匯總如表7所示。

表7 斜、豎井及風道參數匯總表

當隧道內發生火災時，為保證隧道火災臨界風速為3 m/s，在不開啟軸流風機的情況下，以射流風機提供推力，對火災工況進行驗算，左線需要設置射流風機24臺，右線需要設置射流風機24臺。最后得出整個隧道通風系統風機配置見表8、表9。

表8 風機配置表（左線）

表9 風機配置表（右線）

3.5 方案二

通過方案一的計算結果可知，由于呂梁山隧道左線是上坡，需風量較大，充分利用了1號和2號兩處施工斜井進行分段通風，通過驗算，滿足要求。隧道右線需風量較小，需要選取一處豎井，并為了滿足火災煙霧在隧道內最大行程不宜大于5 000 m的要求，右線同樣劃分為3個通風區段，與左線共用一個排煙斜井，采用1號斜井排出式+豎井（YK74+600）送排式+射流風機縱向式通風，通過驗算，也滿足要求。但是，豎井位置的選擇還不是唯一的，右線隧道還可以選擇豎井（YK72+400）送排式+2號斜井排出式+射流風機縱向式通風，作為方案二進行同深度比選，通風方案二的平面示意圖如圖2所示。

圖2 呂梁山隧道通風方案二平面示意圖

此方案主要是在右線的通風方式上和方案一有所區別，方案二中右線的計算結果見表10。

表10 風機配置表（右線）

3.6 方案比較

根據上述計算結果可知，方案一和方案二從技術上均是可行的。左線隧道由于通風的分段與施工分段基本一致，充分利用了左線左側的兩處施工斜井作為通風斜井，兩套方案的主要區別在于右線隧道豎井位置的不同，導致通風方案差異。下面從環境影響角度對通風方案做進一步比選。

方案二豎井出口及地上風機房所處位置地勢較低，附近有季節性地表溪流，距離風機房500 m左右有村莊。選在此處施工，前期對周圍環境破壞較大，后期風機產生的噪聲以及排出的有害氣體會對周圍村民產生影響（秋、冬兩季排風口處于村莊的上風方向），方案一則不存在此類問題。

綜合比較，將方案一作為呂梁山隧道通風系統的推薦方案。

4 結語

根據呂梁山隧道的具體情況，分析研究了適合于呂梁山隧道的通風方案，利用了兩處施工斜井，采用了左、右線共用一處斜井排風（一井兩用）的思路，并合理地選擇了豎井出口位置，充分考慮了運營安全、技術可行性和環境保護的要求，最終給出了推薦方案，對類似隧道工程的研究具有參考和指導意義。