呂梁山隧道通風(fēng)方案設(shè)計(jì)和比選

郭 福

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

隨著國(guó)家公路建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展，高速公路隧道建設(shè)規(guī)模越來(lái)越大，對(duì)于特長(zhǎng)隧道的通風(fēng)設(shè)計(jì)和方案比選，在隧道建設(shè)及運(yùn)營(yíng)中起著重要的作用。通風(fēng)方案考慮的相關(guān)因素較多，即包括通風(fēng)方式、通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)、通風(fēng)計(jì)算，又要考慮到周邊環(huán)境、工程造價(jià)、施工工期等。在設(shè)置豎（斜）井分段時(shí)，不僅要考慮到正常運(yùn)營(yíng)、交通阻塞、防災(zāi)救災(zāi)、風(fēng)機(jī)配置、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用等，而且還要考慮到地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、豎（斜）井長(zhǎng)度，施工便道等因素[1]。本文主要闡明了隧道營(yíng)運(yùn)通風(fēng)系統(tǒng)各方案的比選，經(jīng)計(jì)算、分析和論證，確定了技術(shù)可靠、投資相對(duì)節(jié)約的通風(fēng)方案。希望能夠?yàn)榻鉀Q長(zhǎng)大隧道通風(fēng)方案設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 工程概述

擬建項(xiàng)目祁縣至離石高速公路是山西省規(guī)劃“三縱十二橫十二環(huán)高速公路網(wǎng)”中第七橫的重要組成部分。項(xiàng)目起點(diǎn)位于祁縣城趙鎮(zhèn)修善村西北，設(shè)城趙樞紐連接榆祁高速（S60）及京昆高速（G5），路線經(jīng)晉中市祁縣、呂梁市文水縣、交城縣、離石區(qū)，與呂梁環(huán)城高速公路在離石區(qū)信義鎮(zhèn)相連接，終點(diǎn)在離石區(qū)信義鎮(zhèn)，設(shè)離石東樞紐連接呂梁環(huán)城高速。擬建項(xiàng)目采用隧道方案穿越呂梁山脈，設(shè)置了呂梁山特長(zhǎng)隧道，隧道長(zhǎng)度9818 m，設(shè)計(jì)速度采用80 km/h，斷面采用三心圓形式，其具體參數(shù)和設(shè)置詳見(jiàn)表1。

表1 祁縣至離石高速公路呂梁山隧道表

2 需風(fēng)量的計(jì)算

2.1 通風(fēng)方案設(shè)計(jì)原則

公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)公路等級(jí)、隧道長(zhǎng)度、設(shè)計(jì)速度、設(shè)計(jì)交通量、車道數(shù)、平縱線形、地形地質(zhì)、隧道海拔高程、隧址區(qū)域自然條件等因素，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，確定合理通風(fēng)方案[2]。隧道通風(fēng)除了需要滿足交通運(yùn)營(yíng)通風(fēng)外，還必須滿足火災(zāi)發(fā)生時(shí)的通風(fēng)需求。

2.2 通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)

2.2.1 煙塵設(shè)計(jì)濃度

表2 煙塵設(shè)計(jì)濃度K（熒光燈、LED燈等光源）

2.2.2 CO和NO2設(shè)計(jì)濃度

CO設(shè)計(jì)正常段平均濃度δCO取100 cm3/m3，同時(shí)考慮交通阻滯時(shí)，阻滯段的平均CO濃度δCO可取150 cm3/m3，經(jīng)歷時(shí)間20 min。隧道作業(yè)段空氣的CO允許濃度不應(yīng)大于30 cm3/m3，NO2允許濃度不應(yīng)大于0.12 cm3/m3。

2.2.3 換氣要求

呂梁山隧道內(nèi)換氣頻率取每小時(shí)3次，換氣風(fēng)速取1.5 m/s。

2.3 需風(fēng)量的計(jì)算

隧道通風(fēng)按照行駛速度、火災(zāi)工況、換氣工況進(jìn)行計(jì)算隧道內(nèi)稀釋CO和煙塵等的需風(fēng)量。設(shè)計(jì)近景年和設(shè)計(jì)遠(yuǎn)景年對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)需風(fēng)量如表3和表4所示。

表3 近景年隧道設(shè)計(jì)需風(fēng)量（2029年） m3/s

表4 遠(yuǎn)景年隧道設(shè)計(jì)需風(fēng)量（2039年） m3/s

3 通風(fēng)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)表3、表4的計(jì)算結(jié)果可知：根據(jù)設(shè)計(jì)需風(fēng)量大小，結(jié)合呂梁山隧道地形、地質(zhì)、幾何線性、行車方式等多方面因素，并考慮該隧道防災(zāi)救災(zāi)的需要，所以呂梁山隧道采用斜（豎）井分段送排式+射流風(fēng)機(jī)縱向式通風(fēng)。

3.1 呂梁山隧道通風(fēng)方案一

根據(jù)隧道近、遠(yuǎn)景年計(jì)算需風(fēng)量，利用左線左側(cè)1號(hào)、2號(hào)兩處施工斜井，將隧道左線分為3段，采用兩處斜井送、排式+射流風(fēng)機(jī)縱向式通風(fēng)；右線同樣劃分為3個(gè)通風(fēng)區(qū)段，利用1號(hào)斜井排出式+1號(hào)豎井（YK74+600）送排式+射流風(fēng)機(jī)縱向式通風(fēng)，如圖1所示。隧道分段需風(fēng)量計(jì)算如表5所示。

圖1 呂梁山隧道通風(fēng)方案示意圖（方案一）

a）近景年（2029年） 單機(jī)功率30 kW的雙向射流風(fēng)機(jī)86臺(tái)；功率為390 kW排風(fēng)機(jī)3臺(tái)，功率為250 kW排風(fēng)機(jī)4臺(tái)；功率為370 kW送風(fēng)機(jī)2臺(tái)，功率為550 kW送風(fēng)機(jī)2臺(tái)，功率為790 kW送風(fēng)機(jī)2臺(tái)。

表5 呂梁山隧道分段需風(fēng)量計(jì)算表(方案一)

b）遠(yuǎn)景年（2039年） 單機(jī)功率30 kW的雙向射流風(fēng)機(jī)114臺(tái)；功率為390 kW排風(fēng)機(jī)5臺(tái)，功率為250 kW排風(fēng)機(jī)4臺(tái)；功率為370 kW送風(fēng)機(jī)3臺(tái)，功率為550 kW送風(fēng)機(jī)2臺(tái)，功率為790 kW送風(fēng)機(jī)3臺(tái)。

3.2 呂梁山隧道通風(fēng)方案二

根據(jù)隧道近、遠(yuǎn)景年計(jì)算需風(fēng)量，利用1號(hào)、2號(hào)兩處施工斜井，將隧道左線分為3段，采用兩處斜井送、排式+射流風(fēng)機(jī)縱向式通風(fēng)；右線也劃分為3個(gè)通風(fēng)區(qū)段，利用2號(hào)斜井排出式+2號(hào)豎井（YK72+400）送排式+射流風(fēng)機(jī)縱向式通風(fēng)，如圖2所示。隧道分段需風(fēng)量計(jì)算如表6所示。

圖2 呂梁山隧道通風(fēng)方案示意圖(方案二)

表6 呂梁山隧道分段需風(fēng)量計(jì)算表(方案二)

a）近景年（2029年） 單機(jī)功率30 kW的雙向射流風(fēng)機(jī)88臺(tái)；功率為390 kW排風(fēng)機(jī)2臺(tái)，功率為250 kW排風(fēng)機(jī)5臺(tái)；功率為250 kW送風(fēng)機(jī)2臺(tái)，功率為550 kW送風(fēng)機(jī)2臺(tái)，功率為790 kW送風(fēng)機(jī)2臺(tái)。

b）遠(yuǎn)景年（2039年） 單機(jī)功率30 kW的雙向射流風(fēng)機(jī)112臺(tái)；功率為390 kW排風(fēng)機(jī)3臺(tái)，功率為250 kW排風(fēng)機(jī)6臺(tái)；功率為250 kW送風(fēng)機(jī)2臺(tái)，功率為550 kW送風(fēng)機(jī)2臺(tái)，功率為790 kW送風(fēng)機(jī)3臺(tái)。

3.3 呂梁山隧道通風(fēng)方案三

根據(jù)隧道近、遠(yuǎn)景年計(jì)算需風(fēng)量，利用左線左側(cè)1號(hào)施工斜井和3號(hào)豎井（ZK76+180），將隧道左線分為3段，采用一處斜井送排式+一處豎井送排式+射流風(fēng)機(jī)縱向式通風(fēng)；右線同樣劃分為3個(gè)通風(fēng)區(qū)段，利用1號(hào)斜井排出式+1號(hào)豎井（YK74+600）送排式+射流風(fēng)機(jī)縱向式通風(fēng)，如圖3所示。隧道分段需風(fēng)量計(jì)算如表7所示。

圖3 呂梁山隧道通風(fēng)方案示意圖(方案三)

表7 呂梁山隧道分段需風(fēng)量計(jì)算表(方案三)

a）近景年（2029年） 單機(jī)功率30 kW的雙向射流風(fēng)機(jī)86臺(tái)；功率為390 kW排風(fēng)機(jī)3臺(tái)，功率為250 kW排風(fēng)機(jī)4臺(tái)；功率為370 kW送風(fēng)機(jī)2臺(tái)，功率為550 kW送風(fēng)機(jī)2臺(tái)，功率為640 kW送風(fēng)機(jī)2臺(tái)。

b）遠(yuǎn)景年（2039年） 單機(jī)功率30 kW的雙向射流風(fēng)機(jī)114臺(tái)；功率為390 kW排風(fēng)機(jī)5臺(tái)，功率為250 kW排風(fēng)機(jī)4臺(tái)；功率為370 kW送風(fēng)機(jī)3臺(tái)，功率為550 kW送風(fēng)機(jī)2臺(tái)，功率為640 kW送風(fēng)機(jī)3臺(tái)。

3.4 呂梁山隧道通風(fēng)方案四

根據(jù)隧道近、遠(yuǎn)景年計(jì)算需風(fēng)量，利用左線左側(cè)1號(hào)、2號(hào)兩處施工斜井，將隧道左線分為3段，采用兩處斜井送排式+射流風(fēng)機(jī)縱向式通風(fēng)；右線同樣劃分為3個(gè)通風(fēng)區(qū)段，利用1號(hào)斜井排出式+1號(hào)豎井（YK74+600）送排式+射流風(fēng)機(jī)縱向式通風(fēng)。通風(fēng)方案平面示意圖如圖4所示。

圖4 呂梁山隧道通風(fēng)方案示意圖(方案四)

方案四和方案一的區(qū)別在于方案一采用了地上風(fēng)機(jī)房，方案四采用了地下風(fēng)機(jī)房。通過(guò)計(jì)算，兩個(gè)方案的風(fēng)機(jī)配置一樣，主要區(qū)別在風(fēng)機(jī)房形式不同導(dǎo)致的工程造價(jià)不同。

4 呂梁山隧道通風(fēng)方案比選

4.1 呂梁山隧道主體施工工期對(duì)比

為準(zhǔn)確分析呂梁山隧道施工工期，首先應(yīng)明確長(zhǎng)大隧道輔助坑道的設(shè)計(jì)位置、工作面布置，每個(gè)工作面負(fù)責(zé)的施工范圍，以及每個(gè)施工段落隧道圍巖布置情況等[3]。按設(shè)計(jì)，隧道進(jìn)、出口主洞及斜井同時(shí)開(kāi)始施工，豎井開(kāi)工后僅進(jìn)行自身施工，由于出渣費(fèi)用較高，不進(jìn)行主洞輔助施工。斜井貫通轉(zhuǎn)入主洞后相向進(jìn)行掘進(jìn)，以增加施工作業(yè)面加快施工進(jìn)度，隧道最大可允許單洞4個(gè)掌子面同時(shí)掘進(jìn)。同時(shí)充分考慮：洞身掘進(jìn)時(shí)間；施工過(guò)程中處治涌水、塌方等事件所消耗的時(shí)間；隧道掌子面貫通后二襯、路面及機(jī)電等后續(xù)工程的施工時(shí)間等多方面因素。經(jīng)綜合估算各方案工期如表8。

圖5 呂梁山隧道通風(fēng)斜、豎井位置示意圖

表8 呂梁山隧道不同方案下的施工工期

4.2 呂梁山隧道通風(fēng)方案比選

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可知，4個(gè)方案從技術(shù)上均是可行的。方案一和方案二中隧道左線由于通風(fēng)的分段與施工分段基本一致，完全可以利用左線左側(cè)的兩處施工斜井作為通風(fēng)斜井，兩套方案的主要區(qū)別在于右線隧道豎井位置的不同，導(dǎo)致通風(fēng)方案差異。方案三充分利用了僅有的一處施工斜井。方案四的特點(diǎn)是采用了地下風(fēng)機(jī)房。下面對(duì)4種通風(fēng)方案從土建費(fèi)用、前期設(shè)備費(fèi)用、運(yùn)營(yíng)用電等經(jīng)濟(jì)方面做進(jìn)一步比較。

表9 呂梁山隧道通風(fēng)方案經(jīng)濟(jì)比較表 萬(wàn)元

各方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比情況如表10所示。

表10 呂梁山隧道各方案優(yōu)缺點(diǎn)

通過(guò)以上對(duì)比分析，方案四采用了地下風(fēng)機(jī)房，對(duì)地表環(huán)境破壞最少，但是前期土建費(fèi)用太高，故不作為推薦方案。

方案三采用兩豎一斜，地上風(fēng)機(jī)房，該方案前期投入和后期運(yùn)營(yíng)費(fèi)用最低，但是施工周期最長(zhǎng)（較其他方案長(zhǎng)140 d左右），施工期間增加利息和施工機(jī)械等增資較大，約1億元以上，故也不作為推薦方案。

方案一和方案二均能充分利用兩處施工斜井，兩個(gè)方案的主要區(qū)別在于豎井位置不同，方案二雖然在經(jīng)濟(jì)比選中也有一定的優(yōu)勢(shì)，但是考慮到其地上風(fēng)機(jī)房所處位置地勢(shì)較低，附近有季節(jié)性地表溪流，距離風(fēng)機(jī)房300 m左右有村莊。選在此處施工，前期對(duì)周圍環(huán)境影響較大，后期風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲以及排出的有害氣體會(huì)對(duì)周圍村民產(chǎn)生影響（秋冬兩季排風(fēng)口處于村莊的上風(fēng)方向），方案一則不存在此類問(wèn)題。綜合比較，將方案一作為推薦方案。

5 結(jié)論

通風(fēng)設(shè)計(jì)是隧道總體設(shè)計(jì)的重要組成部分，與隧道長(zhǎng)度、縱坡、地形、地質(zhì)、氣象等密切相關(guān)。本文通過(guò)呂梁山隧道通風(fēng)方案的設(shè)計(jì)和比選，經(jīng)計(jì)算、分析、比較和論證，確定了技術(shù)可靠、投資相對(duì)節(jié)約的通風(fēng)方案。希望能夠指導(dǎo)呂梁山隧道通風(fēng)方案的設(shè)計(jì)，也為以后長(zhǎng)大隧道通風(fēng)方案的設(shè)計(jì)和比選提供一定的參考。