駱駝山隧道通風技術研究

郭婷婷

（山西省交通規劃勘察設計院，山西 太原 030012）

京昆國家高速公路太原繞城西北段改線工程（太原西北二環）高速公路項目第BEH標段是山西省高速路網重點項目之一，是加強國防建設和抗災防險的需要，對帶動區域經濟發展具有積極的推動作用。駱駝山隧道是其中的一個特長隧道，本文將對該隧道的通風方案進行比選確定。

1 工程概況

駱駝山隧道所屬區域屬于暖溫帶半干旱大陸性氣候，四季分明，一月份最冷，平均氣溫-7.3℃，最低曾降至-25.7℃。七月份最熱，平均氣溫23.5℃，最高曾達38.2℃。根據地質調查，隧址區范圍內未見地下水出露，沖溝內也無地表水流，屬埋藏型裂隙巖溶水。駱駝山隧道平均設計標高為1169 m，隧道主洞內輪廓采用三心圓曲墻斷面，其凈寬11.0 m，凈高5.0 m。左線隧道長度為7140 m，采用-1.9%（7140 m）的單坡；右線隧道長度為7120 m，采用+1.9%（7120 m）的單坡。

根據《公路隧道通風設計細則》[1]JTG/T D70/2-02—2014（以下簡稱《細則》）規定，單向交通隧道，當符合L×N≥2×106時可設置機械通風（其中L為隧道長度，N為設計小時交通量）；同時，根據《細則》第10.1條：長度L＞1000 m的高速公路隧道應設置火災機械防煙與排煙系統。通過計算確定駱駝山隧道需設置機械通風。

2 運營通風系統基礎參數

2.1 隧道通風標準

2.1.1 隧道內CO的設計濃度δco

依據《細則》第五章規定選取正常交通及阻滯工況下隧道內CO的設計濃度，如表1所示。

表1 隧道內CO設計濃度δco cm3/m3

2.1.2 煙塵設計濃度K

依據隧道照明設計方案，本文煙塵設計濃度選用LED燈隧道煙塵允許濃度，如表2所示。

表2 煙塵設計濃度K

2.1.3 機動車基準排放量取值

依據《細則》，以2000年為起點，按每年2.0%的遞減率（最高不超過30年，即2030年后以2030年的基準排放量為準）計算出近、遠期年份的有害氣體基準排放量。本次計算以2030年為近期，2040年為遠期，因此近、遠期的基準排放量相同：正常交通與交通阻滯工況時，煙塵的基準排放量為1.091 m2/（veh·km）；正常交通時CO的基準排放量為0.0038 m2/（veh·km），阻滯工況下CO的基準排放量為0.0082 m2/（veh·km）。

2.1.4 換氣要求

依據《細則》，隧道內換氣頻率ns取為3次/h，同時保證隧道內換氣風速大于1.5 m/s。

2.1.5 火災工況

依據《細則》第 10.2條規定：長度 L大于5000 m的單向交通高速公路隧道火災最大釋熱率取30 MW，對應的火災臨界風速取3～4 m/s，因此本文駱駝山隧道取隧道火災臨界風速為3.5 m/s，公路隧道的火災排煙設計應考慮火風壓的影響。

2.2 技術參數

a）道路等級 高速公路，雙洞隧道，每洞兩車道單向行駛。

b）通風計算行車速度 隧道內的設計車速為80 km/h。正常行車速度下限取V=40 km/h；阻滯情況下阻滯段外行車速度分別取40 km/h和30 km/h。

c）隧道摩阻系數 λ=0.02。

d）自然風速 vn=2.5 m/s。

e）隧道凈空斷面積 Ar=71.84 m2。

f）斷面周長 Cr=33.07 m。

g）斷面當量直徑 Dr=8.69 m。

h）大型車混入率 近期rl=58.6%，遠期rl=54.2%。

i）隧道夏季的設計氣溫，取25℃。

2.3 交通量參數

本路段預測混合交通量如表3所示，車型折算系數如表4所示，車型分布情況如表5所示，交通量方向不均衡分布系數D的標準值取0.52，高峰小時交通量占年平均日交通量的12%。按照汽車車型折算系數和汽柴油車比例，將其換算成實際交通量。

表3 隧道混合交通量 veh/h

表4 車型折算系數

表5 車型分布情況

3 隧道需風量計算

公路隧道通風主要考慮對煙塵、一氧化碳及空氣中的異味進行稀釋，同時針對正常運營工況、火災及交通阻滯等異常工況進行全面考慮[2]。

3.1 稀釋CO的需風量

隧道內CO排風量計算公式如式（1）：

式中：Qco為隧道CO排放量；qco為設計目標年份的CO基準排放量；fa為車況系數；fd為車密度系數；fh為海拔高度系數；fm為車型系數；fiv為縱坡——車速系數；n為車型類別數；Nm為相應車型的交通量。

稀釋CO的需風量計算公式如式（2）：

式中：Qrep(co)為隧道稀釋CO的需風量；δ為CO濃度；P0為標準大氣壓，取101.325 kN/m2；P為隧址大氣壓；T0為標準氣溫，取273 K；T為隧址夏季氣溫。

3.2 稀釋煙塵的需風量

隧道內煙霧排放量的計算公式如式（3）：

式中：QVI為隧道煙塵排放量；qVI為設計目標年份的煙塵基準排放量；fa(VI)為考慮煙塵的車況系數；fd為車密度系數；fh(VI)為考慮煙塵的海拔高度系數；fiv(VI)為考慮煙塵的縱坡——車速系數；fm(VI)為考慮煙塵的柴油車車型系數；nD為柴油車車型類別數；Nm為相應車型的交通量。

稀釋煙塵的需風量計算公式如式（4）：

3.3 換氣工況的需風量

隧道內稀釋空氣中異味的需風量Qreq(ac)由隧道長度L、隧道內輪廓斷面積Ar及換氣頻率共同確定，公式如式（5）：

由于駱駝山隧道采用縱向通風方式，因此還需滿足換氣風速vac大于1.5 m/s的規定，此要求下換氣工況的需風量需同時滿足：

3.4 火災工況的需風量

隧道內火災工況下的排煙需風量Qreq(f)由臨界風速vc和隧道內輪廓斷面積Ar確定，公式如式（7），經計算得出駱駝山隧道左、右洞火災工況下的需風量均為251.44 m3/s。

3.5 左、右洞需風量計算結果

獨立隧道需風量計算時，按照行車速度以下每10 km/h一檔，分別計算稀釋煙塵的需風量、稀釋CO的需風量、稀釋空氣中異味的需風量和火災工況時的需風量，取其最大值作為隧道最終實際需風量。駱駝山隧道左、右洞各工況下的需風量計算結果如表6～表9所示。

表6 駱駝山隧道右洞各工況下需風量計算結果 m3/s

表7 駱駝山隧道左洞各工況下需風量計算結果 m3/s

表8 駱駝山隧道右洞需風量 m3/s

表9 駱駝山隧道左洞需風量 m3/s

4 隧道通風方案比選

根據駱駝山隧道需風量發現，隧道右線需風量不大，主要通風需求為稀釋空氣異味，若采用全射流風機通風，隧道內設計風速均小于7.0 m/s，風速合適，滿足通風要求，因此右線采用全射流縱向通風。左線近期風速為6.6～15.2 m/s，遠期風速均超過10 m/s，同時，左線主要通風需求為稀釋煙塵，加之本項目中大車混入率高，若不采用分段通風，風速較高，容易加重粉塵污染，使隧道內衛生環境更差，達不到隧道安全衛生標準，故應采用分段縱向通風方式。

駱駝山隧道所在區域為自然保護區，在其緩沖區內才可設斜井。從實際地形地貌、通風需求和施工進度三方面考慮，先后提出了兩個通風方案，具體方案如下：

a）方案一 左線一斜井分兩段軸流風機送排風+射流風機通風；右線全射流風機通風，布置如圖1。

圖1 駱駝山隧道通風方案一系統圖

如圖1所示，隧道左線設一個通風斜井，同時為隧道右線設置聯絡排風道，用于火災工況下排煙需要，經聯絡風道分段，隧道右線被劃分為兩個防火分區。

方案一只設一個通風斜井，節省了主體土建工程。但經過詳細計算后發現，此方案并不能滿足隧道遠期通風需求。由表10的計算結果可知遠期兩通風段的設計風速Vr1、Vr2均大于10 m/s，不滿足規范要求。同時，各通風段所需射流風機數量已超過各段的最大射流風機安裝量。所以，方案一不可行。

表10 方案一右線通風計算結果表

b）方案二 左線兩斜井分3段軸流風機送排風+ 射流風機通風；右線全射流風機通風，布置如圖2。

圖2 駱駝山隧道通風方案二系統圖

如圖2所示，方案二中隧道左線設1號、2號兩個通風斜井，將隧道分為3段，同時為隧道右線設置聯絡排風道，用于火災工況下排煙需要，經聯絡風道分段，隧道右線被劃分為3個防火分區，在兼顧正常通風需求的基礎上較好地滿足了隧道防災需要。經詳細計算后其結果如表11，可以看出方案二能很好地滿足各工況下的隧道通風需求，遠期三通風段的設計風速 Vr1、Vr2、Vr3均小于 10 m/s。同時，隧道運營通風斜井兼做隧道主洞輔助施工工作井用，增加工作面，可有效縮短工期。

表11 方案二左線通風計算結果表

5 結語

以新版公路隧道通風規范為標準、以駱駝山隧道各項參數為基礎進行數值計算，最后以計算結果為依據對駱駝山隧道通風方案進行比選研究，最終推薦使用方案二。

方案二左線設兩通風斜井分3段式縱向送排風，既確保隧道內有良好的通風環境，又降低了隧道內的設計風速，保證人員的行車安全。同時為隧道右線設置聯絡排風道，用于火災工況下排煙需要，在兼顧正常通風需求的基礎上較好地滿足了隧道防災需要。因此，從通風標準、技術要求、防災救援及工程經驗等方面綜合考慮，方案二均可行。