高速公路特長隧道通風系統(tǒng)設計與研究

常國偉

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

1 工程概況

近年來我國公路隧道建設規(guī)模逐步擴大，特別是山西省高速公路10 km以上的超特長隧道不斷增多，特長隧道通風系統(tǒng)的建設與運營積累了較多經(jīng)驗，相關技術也得到不斷的提升。特長隧道通風系統(tǒng)特別是風機房、通風斜豎井位置設置方案的設計，將影響整個隧道工程通風系統(tǒng)的土建費用、前期設備費用及運營養(yǎng)護費用。

本文以山西省大萬山特長公路隧道作為依托工程，開展特長隧道通風系統(tǒng)方案的設計研究與方案比選。該隧道為雙洞四車道分離式隧道，設計行車車速80 km/h，隧道斷面面積62.8 m2，隧道限寬10.25 m（ 0.75+0.5+2×3.75+0.75+0.75），建筑限高 5.0 m。 隧道交通量方向不均勻系數(shù)取值0.52，設計高峰小時交通量系數(shù)取值0.09，通風系統(tǒng)設計年限近期為2030年，遠期為2039年，隧道設置基本情況見表1。

表1 大萬山特長隧道基本情況一覽表

2 通風方式及通風標準

2.1 通風方式

通常根據(jù)隧道條件，采用一種或多種通風方式組合構成更合理的通風方式。目前我國特長隧道運營通風普遍采用“通風井送排式+射流風機”組合的通風方式，該通風方式具有以下優(yōu)點：非火災工況的適用隧道長度不受限制、噪聲很小、火災情況下排煙較方便。因此大萬山隧道通風系統(tǒng)仍采用上述組合方式的分段縱向通風方式。

2.2 通風標準

公路隧道通風設計的安全標準以稀釋機動車排放的煙塵為主，煙塵設計濃度為0.007 g/m3；衛(wèi)生標準以稀釋機動車排放的一氧化碳為主，一氧化碳設計濃度為100 cm3/m3；舒適性標準以換氣稀釋機動車帶來的異味為主[1]，最小換氣頻率不低于每小時3次。基于我國公路隧道數(shù)量眾多及經(jīng)濟技術的發(fā)展現(xiàn)狀，對于稀釋洞內(nèi)粉塵污染、NO2、富余熱量等，原則上不是隧道通風系統(tǒng)設計應考慮的對象。

3 需風量的計算

需風量計算中，設計小時交通量以及相對應的機動車有害氣體排放量均應與各設計目標年份相匹配。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，并計算交通阻滯和換氣的需風量，取其較大者作為設計需風量[1]。

3.1 交通量的計算

根據(jù)大萬山特長公路隧道所屬項目工程可行性研究報告對交通量的預測及車型比例構成，結合各汽車代表車型及車輛折算系數(shù)。首先將工可報告中各設計年（預測）年平均日交通量換算成標準小客車設計高峰小時交通量；其次按照工可報告中提出的交通組成百分比，分別計算出各車型對應的標準小客車設計高峰小時交通量；最后按《公路工程技術標準》（JTG B01—2014）“各汽車代表車型與車輛折算系數(shù)”，將各車型對應的標準小客車高峰交通量換算成混合車型設計高峰小時交通量。大萬山隧道路段實際交通量見表2所示。

表2 隧道交通量計算

3.2 設計需風量計算結果

隧道通風以車輛在隧道內(nèi)行駛時排出的CO、煙塵和異味為稀釋對象，取其較大者作為計算通風量。計算中分車型計算排污量，按行駛車速、火災、換氣工況進行計算隧道內(nèi)稀釋CO和煙塵等的需風量考慮。設計近期和遠期對應的設計需風量見表3所示。

表3 隧道設計近、遠期對應不同控制指標的設計需風量 m3/s

根據(jù)表3的計算結果可知，大萬山隧道左線的需風量由稀釋異味的需風量決定；右線的需風量由稀釋煙塵的需風量決定。

4 通風方案

4.1 大萬山隧道通風方案

大萬山隧道如果采用全射流縱向通風方式，近期和遠期設計風速均已超過8 m/s，超過規(guī)范對隧道洞內(nèi)最大設計風速的要求。考慮該隧道防災救災需要并結合隧道所處位置的地質、地形、工程經(jīng)濟等多方面因素，大萬山隧道的通風系統(tǒng)采用斜（豎）井分段送排式+射流風機縱向式通風的方式。

4.2 大萬山隧道通風方案設計

結合隧道通風系統(tǒng)近遠期設計計算所需需風量、隧道內(nèi)通風排煙要求及隧道長度，大萬山隧道左線利用其左側的一處1號施工斜井和右線右側的1號豎井將隧道左線分為3個通風區(qū)段，采用一處斜井送排式+1號豎井（YK39+050）排出式+射流風機縱向式通風；大萬山隧道右線利用其右側的兩處豎井同樣劃分為3個通風區(qū)段，采用1號豎井（YK39+050）送排式+2號豎井（YK42+300）送排式+射流風機縱向式通風。通風方案區(qū)段劃分及長度示意圖見圖1所示。

圖1 大萬山隧道通風方案區(qū)段劃分及長度示意圖（單位：m）

射流風機選用直徑1120 mm、單機功率30 kW的雙向射流風機，送、排風機采用大風量、低風壓、靜葉可調(diào)的軸流風機，隧道軸流風機房采用地上風機房。隧道分段需風量計算見表4所示，斜豎井及風道參數(shù)見表5所示。

表4 大萬山隧道分段需風量計算表

表5 大萬山隧道斜豎井及風道參數(shù)

隧道左右線各區(qū)段的風速通過試算確定以后，再根據(jù)壓力平衡原理判斷各通風段是否需要設置射流風機進行調(diào)壓。軸流風機功率的確定結合風機的風壓、風量等特點，考慮近遠期相結合的原則，并以遠期參數(shù)進行配置，選用的軸流風機經(jīng)濟、可行，并考慮一定的富余量。當隧道內(nèi)發(fā)生火災時，為保證滿足規(guī)范要求的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，對火災工況下的通風方案設計進行驗算，左線需要設置射流風機24臺，右線需要設置射流風機26臺。隧道通風系統(tǒng)風機配置見表6所示。

表6 大萬山隧道風機配置表

5 結語

結合大萬山特長公路隧道的工程特性，提出通風系統(tǒng)設計方案并確定了通風斜豎井的合理位置。總之，高速公路特長隧道通風系統(tǒng)的設計與隧道長度、坡度、設計交通量及通風井的位置密切相關[2]，設計時應從土建費用、前期設備費用、運營用電等經(jīng)濟方面對通風系統(tǒng)方案做進一步的比選，使通風系統(tǒng)工程造價與風險最小化，并降低后期運營維護費用。