某高速公路特長隧道通風方案比選與探討

李 慧

(廣東省南粵交通龍懷高速公路管理中心連英管理處，廣東 廣州 513000)

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某高速公路特長隧道通風方案比選與探討

李 慧

(廣東省南粵交通龍懷高速公路管理中心連英管理處，廣東 廣州 513000)

通過計算分析某特長隧道的通風量，提出設置通風豎井或斜井型式，結合正常運營、火災工況下緊急通風需求，從運營安全、運營成本、行車舒適度、施工可行性、工程造價、環保要求等方面進行了綜合分析，確定了最優的隧道通風方案。

特長隧道，通風設計，需風量，交通量

隨著高速公路建設的發展，穿越山區的高速公路越來越多，不可避免沿線設置的隧道占比越來越大，尤其長、特長隧道的數量較多，隧道的通風設計不僅影響項目的建設成本，而且對項目的運營安全、行車舒適性、運營成本產生直接的影響。因此，在項目的總體設計過程中，對特長隧道的通風方案進行分析研究及比選顯得尤為重要。

隧道通風設計應成為隧道總體設計的重要組成部分，隧道的通風與隧道長度、縱坡等因素密切相關，隧道長度增加、縱坡增大會導致通風系統規模增大，運營養護費用相應增加。而特長隧道所涉及的風機房、通風井的設置與隧址區的地形、地質條件等密切相關，選址不當會使建設費用大幅增加。因此，通風設計應納入總體設計的一部分，由路線、結構、地質、通風等多專業工程師共同進行方案比選，從而使工程總體造價與風險降到最低，并降低后期運營費用。

根據文獻[1]～[4],在隧道的通風設計中，項目的交通量及其交通組成是隧道通風設計重要的基礎數據之一。而項目的適應交通量是將不同車型的汽車折合成標準小客車的年平均日交通量，同時要考慮同一車型，汽油車、柴油車的有害氣體排放量是不一樣的，重型車、大型車和小型車的有害氣體排放量也不一樣，實際運營中每天通過隧道的交通量在24 h內的分布是不均衡的。因此，進行通風設計時應將標準小客車交通量換算成絕對車型設計高峰小時交通量。

根據文獻[5]～[8],隧道通風分為自然通風和機械通風兩大類。目前，我國隧道運營通風以各種縱向通風方式及其各種組合為主，我國已建的長度大于5 000 m的高速公路特長隧道普遍采用“通風井送排式+射流風機”組合通風方式。對雙向交通隧道，當L·N≥6×105，其中，L為隧道長度，m；N為設計小時交通量，veh/h，可設置機械通風。

而隧道通風標準是需風量計算的基礎，也是保證隧道內行車舒適性和安全性的關鍵技術指標。根據文獻[9]～[12],汽車排放的廢氣包括CO，NO2，Pb，CO2，SO2，H·CHO和煙塵等，其中，CO和NO2對人體健康的影響比較突出，故通風設計時以將其濃度控制在一定的安全限度內作為主要的設計指標之一，即CO設計濃度和NO2設計濃度，隧道通風的主要稀釋對象限于CO，NO2,煙塵和空氣中的異味。隧道空間最小換氣頻率不應低于3次/h，采用縱向通風的隧道，隧道換氣風速不應低于1.5 m/s。

1 特長隧道段的路線及隧道方案比選概況

本項目全線采用雙向四車道高速公路標準進行設計，設計速度為100 km/h，路基寬度為26 m(整體式)；13 m(分離式)，停車視距為160 m。全線設橋梁13 799.75 m/42座，其中特大、大橋13 734 m/41座，設隧道7 400 m/4座，其中特長隧道1座，長6 260 m，橋隧比例約為47%。

設特長隧道段的路線方案擬定了K線、A2線共2個方案進行比選。K線方案作為推薦方案，設一座短隧道314 m，隨后經過約50 m的路基段露頭，進入特長隧道，長6 260 m，K85+350～K89+270之間存在平均縱坡為2.848%的陡坡長3.3 km，基本消解了長大縱坡問題。A2線為特長隧道較短的路線方案，設特長隧道長5 835 m，隨后以500 m長的橋梁跨越沖溝，進入一座中隧道，長898 m，取消了特長隧道之前的短隧道，K85+350～K89+070之間存在平均縱坡為2.71%的陡坡長3.72 km，基本消解了長大縱坡問題。綜合其他因素，由于路線方案K線與A2線進行同深度比選，因此，通風設計的方案比選亦同時選擇K線與A2線進行分析研究。

2 通風方案比選的目的

根據特長隧道通風的需要，特長隧道可能需要設置豎井或斜井進行通風，由于路線穿越多個市(縣)級保護區，且隧道埋深比較大，在路線總體設計階段應充分考慮隧道的通風方案。因此，對K線、A2線特長隧道的通風方案進行分析比選，對完善路線的總體設計尤為重要。通風設計應結合正常運營通風需求，火災工況下緊急通風需求，工程造價，工程環保性等等因素進行綜合考慮。

3 隧道需風量計算

隧道需風量的計算與隧道交通量、交通組成、車速、車況、隧道長度、允許的有害氣體濃度與能見度、縱坡等因素相關，它是隧道通風設計計算的核心。

3.1 CO排放量及稀釋CO需風量計算

CO排放量的計算：

(1)

其中，QCO為隧道全長CO排放量,m3/s；qCO為CO基準排放量，可取 0.01 m3/(輛·km)；fa為考慮CO的車況系數，取1.0；fd為車密度系數，與車速有關；fh為考慮CO的海拔高度系數；Nm為相應車型的設計交通量，輛/h；fm為考慮CO的車型系數；fiv為考慮CO的縱坡—車速系數；n為車型類別數；L為隧道長度,m。

稀釋CO需風量的計算：

(2)

其中,Qreq(CO)為隧道全長稀釋CO的需風量,m3/s；p0為標準大氣壓，可取101.325 kN/m2；p為隧址設計氣壓；T0為標準氣溫，取273 K；T為隧道夏季的設計氣溫；δ為CO設計濃度。

3.2 煙霧排放量及稀釋煙霧需風量計算

稀釋CO需風量的計算：

(3)

其中,Qvi為隧道全長煙霧排放量,m3/s；qⅥ為煙霧基準排放量；fa(Ⅵ)為考慮煙霧的車況系數，取 1.0；fh(Ⅵ)為考慮煙霧的海拔高度系數；fd為車密度系數；fiv(Ⅵ)為考慮煙霧的縱坡—車速系數；fm(Ⅵ)為考慮煙霧的車型系數；nD為柴油車車型類別系數；Nm為相應車型的交通量,veh/h；L為隧道長度,m。

稀釋煙霧需風量的計算：

(4)

其中，Qrep(Ⅵ)為隧道全長稀釋煙霧的需風量，m3/s；K為煙霧設計濃度，m-1。

3.3 隧道換氣需風量計算

隧道換氣需風量應按式(5)，式(6)計算，并取其大者作為隧道空間不間斷換氣的需風量。

按換氣頻率計算：

(5)

其中,Qrep(x)為隧道全長稀釋空氣中異味的需風量,m3/s；Ar為隧道凈空斷面面積；nx為隧道全長空間不間斷換氣頻率；t為時間，3 600 s。

按縱向通風計算:

Qrep(x)=Vx·Ar

(6)

其中,Vx為隧道換氣風速，風速不小于2.5 m/s；Ar為隧道凈空斷面面積。

3.4 隧道火災防煙與排煙的需風量計算

隧道火災防煙與排煙的設計應根據隧道規模和火災標準分析火災臨界風速。縱向式通風隧道火災防煙與排煙的需風量應按式(7)計算：

Qrep(f)=Vc·Ar

(7)

其中,Qrep(f)為隧道火災防煙與排煙的需風量,m3/s；Vc為隧道火災防煙與排煙的臨界風速，取3 m/s。

4 隧道交通量及通風計算參數

根據項目工程可行性研究報告的交通量預測，近期取2030年的平均日交通量(輛/d)(小車)，遠期取2039年平均日交通量(輛/d)(小車)。結合道路交通的調研情況，將左、右線車輛比例系數調整為0.55，高峰小時交通量占年平均日交通量比重調整為10%，按照汽車車型折算系數和汽、柴油車比例，將其換算成實際車型的交通量，沿線各隧道近遠期交通量見表1。

表1 隧道高峰小時交通量 輛/h

4.1 隧道通風標準

根據隧址區的工程實際情況，通風標準取值如下：

1)一氧化碳(CO)最高容許濃度：

δ=100 cm3/m3(正常運營)。

δ=125 cm3/m3(交通阻滯)。

阻滯段的平均CO設計濃度可取125 cm3/m3，經歷時間不超過20 min。

2)由于隧道內采用LED燈進行照明，煙霧最高容許濃度取值如表2所示。

表2 隧道內煙霧允許濃度K

3)通風換氣標準。通風換氣次數3次/h，同時考慮最低風速1.5 m/s的要求。

4)火災工況臨界風速確定。隧道火災設計當量取30 MW，隧道臨界風速取3 m/s。

4.2 隧道通風計算參數

通風設計參數選擇見表3。

表3 通風計算參數表

5 推薦線(K線)特長隧道的通風計算

該隧道內輪廓按建筑限界寬11 m，高5.0 m，凈空面積為70.46 m2，當量直徑為8.57 m。其平均設計標高為292 m，左、右線設計行車速度為100 km/h，按上下行分離式設置，左線隧道長度為6 268 m，縱坡采用人字坡1.947%(5 539 m)及-0.603%(729 m)；右線隧道長度為6 252 m，縱坡采用人字坡1.95%(5 525 m)及-0.603%(727 m)。

5.1 隧道需風量

由于短隧道與特長隧道縱向間距僅為35 m，短隧道右線排出的污染氣體會進入特長隧道，在計算右線特長隧道時考慮其串流的影響。通過計算隧道近遠期稀釋Ⅵ、稀釋異味及火災工況下不同設計時速下需風量：

左線：近期及遠期均為368 m3/s；右線：370 m3/s(近期),627 m3/s(遠期)。

5.2 通風方案

左線近期設計風速為5.22 m/s，遠期設計風速5.22 m/s。右線近期設計風速5.25 m/s，遠期設計風速8.9 m/s。根據上述通風計算結果，同時考慮通風安全性、對環境的影響、設備及運營費用的差別、土建費用的差別、施工難度等5個因素進行綜合比選。理論上左、右線隧道正常運營通風采用縱向全射流通風即能滿足規范要求，但考慮到隧道里程較長，遠期洞內最大風速已達8.9 m/s，右線隧道正常運營工況下采用縱向送排式通風方案。左線隧道考慮到排煙需求需要進行分段排煙。由于隧道進口段沒有設置豎/斜井的條件，結合分段通風的計算結果及地形條件，考慮到豎井深度較大，深度達500 m以上，因此，采用斜井通風方案，斜井將右線隧道分成4 420 m，1 832 m兩段。

根據地形條件斜井出口標高約為445 m，高差119 m，斜井長度約1 100 m，縱坡為10.8%。斜井送風道面積約為12 m2，斜井排風道面積約為24 m2。另外左線隧道通過設置聯絡風道聯通右線排風道進行重點排煙，聯絡風道斷面面積約為19 m2。設置地上風機房，近期設置送風機1臺，排煙風機2臺,見圖1。

正常運營工況下左線隧道進行縱向全射流通風，右線隧道進行縱向送排式通風方案。火災工況下左線隧道通過控制組合式風閥利用右線隧道排風道進行分段排煙，排煙口將左線隧道分成1 839 m，4 429 m兩段。右線隧道通風排風道進行分段排煙，排風口將右線隧道分成4 420 m，1 832 m兩段。

隧道斜井軸流風機參數見表4。

表4 隧道斜井軸流風機性能參數表

隧道射流風機設置功率見表5。

表5 隧道射流風機配備一覽表(一)

5.3 成本分析

正常運營工況下運營費用測算：

軸流風機按每天運行2 h，射流風機運行4 h，電費0.8元/度，年運營費用約為191.2萬元，按10年計算總電費為1 912萬元。

設備費用測算：約630萬元。

6 比較線(A2線)特長隧道的通風計算

該方案特長隧道內輪廓按建筑限界寬11 m，高5.0 m，凈空面積為70.46 m2，當量直徑為8.57 m。隧道平均設計標高為291 m，左、右線設計行車速度為100 km/h，按上下行分離式設置，左線隧道長度5 896 m，縱坡采用人字坡1.95%(5 684 m)及-1.526%(212 m)的人字坡；右線隧道長度為5 858 m，縱坡采用人字坡1.95%(5 683 m)，-1.526%(175 m)的人字坡。中隧道按分離隧道設置，左線隧道長885 m，縱坡采用單坡-1.526%，右線隧道長910 m，縱坡采用單坡-1.526%。

6.1 隧道需風量

通過計算隧道近遠期稀釋Ⅵ、稀釋異味及火災工況下不同設計時速下需風量：

左線：近期及遠期均為346.2 m3/s；右線：357 m3/s(近期)，606 m3/s(遠期)。

6.2 通風方案

該特長隧道左線近期設計風速為4.91 m/s，遠期設計風速4.91 m/s；右線近期設計風速5.07 m/s，遠期設計風速8.6 m/s。根據通風計算結果，同時考慮通風安全性、對環境的影響、設備及運營費用的差別、土建費用的差別、施工難度等5個因素進行綜合比選。根據計算左、右線隧道正常運營通風采用縱向全射流通風即能滿足規范要求，但考慮到隧道里程較長，遠期洞內最大風速已達8.6 m/s，右線隧道正常運營工況下采用縱向送排式通風方案。左線隧道考慮到排煙需求需要進行分段排煙。由于隧道進口段沒有設置斜井的條件，結合分段通風的計算結果及地形條件，豎井與主洞相交位置將右線隧道分成4 273 m，1 585 m兩段，豎井深度約344 m。

豎井送風道面積約為12 m2，豎井排風道面積約為21 m2。另外左線隧道通過設置聯絡風道聯通右線排風道進行重點排煙，聯絡風道斷面面積約為19 m2。設置地上風機房，設置送風機2臺，排煙風機2臺，見圖2。

隧道豎井軸流風機參數見表6。

表6 隧道豎井軸流風機性能參數表

射流風機設置功率見表7。

表7 隧道射流風機配備一覽表(二)

6.3 成本分析

正常運營工況下運營費用測算：

軸流風機按每天運行2 h，射流風機運行4 h，電費0.8元/度，年運營費用約為161.8萬元，按10年計算總電費為1 618萬元。

設備費用測算：通風設備費用約為620萬元。

7 K線及A2線方案比選

K線及A2線特長隧道通風方案優缺點匯總見表8。

表8 K線及A2線通風方案優缺點匯總表

K線及A2線隧道方案投資及運營成本分析比選結果見表9。

表9 特長隧道費用對比匯總表

8 結論與問題

隧道通風設計的核心是計算其需風量，除考慮隧道交通量、交通組成、車速、車況、隧道長度、允許的有害氣體濃度與能見度、縱坡等因素外，通風設計應結合正常運營通風需求，火災工況下緊急通風需求，工程造價，工程環保性等因素進行綜合考慮。

在確定路線總體設計方案階段，應充分考慮特長隧道通風方案對總體設計方案的影響，在確定隧道通風方案時，除根據隧道通風計算結果外，應同時考慮通風安全性、對環境的影響、設備及運營費用的差別、土建費用的差別、施工難度等方面進行綜合比選。

本文研究表明，若僅考慮特長隧道通風的單一因素，隧道越短、通風方案越優，A2線特長隧道通風方案略優于K線，但綜合考慮項目的土建安裝費用、機電設備購置費、斜或豎井費用、施工可行性、運營安全、運營成本、對環境的影響等因素，顯然，K線特長隧道方案優于A2線。因此，在確定隧道通風方案時，應進行多因素比選，以確定最優的設計方案。

隨著設計的深入，下一步應結合路線優化結果進一步優化結構布設方案，特別是豎或斜井布設的位置、長度、斷面尺寸等。

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Comparison and exploration of extra-long highway tunnel ventilation schemes

Li Hui

(LianyingAdministrationDepartment,GuangdongNanyueTrafficLong-HuaiHighwayAdministrationCenter,Guangzhou513000,China)

Through calculating and analyzing the extra-long tunnel air volume, the paper puts forward the suggestion of setting vertical ventilation shaft or inclined-shaft. Combining with air volume demands under normal operation and fire emergency conditions, it carries out comprehensive analysis from aspects of operation safety, operation cost, driving comfort, construction feasibility, engineering cost and environmental protection demands, it finally determines optimal tunnel ventilation scheme.

extra-long tunnel, ventilation design, required air volume, traffic volume

1009-6825(2016)18-0154-04

2016-04-14

李 慧(1983- )，女，工程師

U453.5

A