單向坡特長公路隧道通風方案研究

周 森 楊 洪 崔 炫 田 嬌

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550081)

近年來，高速公路建設蓬勃發展，西南地區地形多為丘陵及大山脈，公路沿線橋隧比大，長大隧道的數量也日益增多。特長隧道的通風系統設計對項目的建設成本、運營安全及費用、行車舒適性會產生直接影響[1]，因而，特長隧道的通風系統設計及方案研究比選是項目建設的重中之重。待建的彌勒至楚雄國家高速公路彌勒至玉溪段登樓山隧道是目前國內最長的雙向6車道高速公路隧道，本文以該隧道通風技術問題為例開展研究，經過綜合比選，以確定最優的隧道通風方案。

彌勒至楚雄國家高速公路彌勒至玉溪段為雙向6車道高速公路，設計行車速度為100 km/h。登樓山隧道為分離式特長隧道，左幅起訖樁號為ZK48+330-ZK59+315，全長10 985 m，最大埋深約838 m，右幅起訖樁號為YK48+315-YK59+240，全長10 925 m，最大埋深約826 m。左右幅縱坡分別采用1.9%及2.3%的單向坡。

1 隧道交通量及通風計算參數

欲做好隧道通風設計，首先需要確定項目的交通量及交通組成，以確定相應的通風參數。根據交通量預測，將2030年及2040年的平均日交通量分別作為近期值及遠期值。依據道路交通調研結果，利用汽車車型折算系數換算得到實際車型的交通量，隧道近遠期交通量見表1。結合文獻[2-3]的要求，通過優化分析，得到登樓山隧道通風計算參數見表2。

表1 隧道交通量及車型構成比例預測(折算數)

注：表中交通量為設計年度隧道平均日交通，方向不均勻系數0.5，設計小時交通量系數0.095。

表2 通風計算參數

2 隧道通風方案比選

根據登樓山隧道平面線性、縱坡形式、交通量大小及組成、地形地質情況，結合通風分段長度，并按照通風區段長度及相關排煙要求，對設置斜井及豎井進行組合、篩選，初步得出5個通風方案。各方案具體內容如下。

2.1 方案一

左、右線隧道均采用雙斜井三段式縱向送排式通風(地面風機房)。

結合施工需求，左、右線隧道均采用斜井方案。WX1號斜井排風口與右線隧道相交于YK51+150，WX3號斜井排風口與右線隧道相交于YK56+080。通風井將右線隧道分成2 835，4 930，3 160 m 3段，遠期3段風速分別為Vr1=4.15 m/s，Vr2=7.26 m/s，Vr3=4.65 m/s。WX2號斜井排風口與左線隧道相交于ZK51+200，WX4號斜井排煙道與左線隧道相交于ZK56+150。通風井將左線隧道分成2 870，4 950，3 165 m 3段，遠期3段風速分別為Vr1=3.00 m/s，Vr2=4.13 m/s，Vr3=3.00 m/s。正常運營工況下左右洞3段風速較為均勻，行車環境較好。火災工況下左洞最長排煙區段長度為4 580 m，右洞最長排煙區段長度為4 950 m，均小于5 000 m，運營安全性較高，且4座斜井均可作為輔助施工。通風方案見圖1。

圖1 方案一通風系統示意圖(單位：m)

由于該區域地質條件較差，設置地下風機房造價較高，且具有一定的工程風險，斜井出口場地均較為平整，具備建設地面風機房的條件，故宜設置地面風機房。

2.2 方案二

右線隧道采用雙斜井三段式縱向送排式通風，左線隧道單斜井兩段式縱向送排式通風(火災工況下利用右線WX1號斜井輔助排煙通道排煙)。

方案二右洞斜井與分段情況與方案一相同，不再闡述。WX4號斜井排風口與左線隧道相交于ZK56+150，WX1號斜井輔助排煙道與左線隧道相交于ZK51+150。正常運營階段分成7 820，3 165 m 2段，遠期風速分別為Vr1=6.52 m/s，Vr2=3.00 m/s。2段風速較為均勻，行車環境較好。火災工況下利用右線隧道的輔助排煙道，排煙區段分成2 835，4 930，3 160 m 3段，排煙區段劃分合理，3座斜井均可以輔助施工。通風方案見圖2。

圖2 方案二通風系統示意圖(單位：m)

2.3 方案三

左、右線隧道均采用斜井+豎井三段式縱向送排式通風(地面風機房)。

WX1號斜井與S1號豎井將右線隧道分為3段，S1號豎井與隧道右線相交于YK56+150，通風井將右線隧道分成2 835，5 000，3 090 m 3段，遠期3段風速分別為Vr1=4.15 m/s，Vr2=7.26 m/s，Vr3=4.65 m/s。WX2號斜井與S2號豎井將左線隧道分為3段，S2號豎井與隧道左線相交于ZK56+190，通風井將左線隧道分成2 870，4 990，3 125 m 3段，遠期3段風速分別為Vr1=3.00 m/s，Vr2=4.13 m/s，Vr3=3.00 m/s。該方案左、右線隧道采用三段式通風方案滿足了正常運營通風和火災工況下排煙的需求。

設置2座斜井可作為輔助施工通道。出口端左右線隧道各設置1座豎井，減少了通風井的工作面和對環境的破壞，但豎井是垂直施工，施工難度大，地下水出水困難，安全性差，量測投點困難，也基本不能作為輔助主洞施工的通道。通風方案見圖3。

圖3 方案三通風系統示意圖(單位：m)

2.4 方案四

左、右線隧道均采用無軌斜井+有軌斜井三段式縱向送排式通風(地上風機房)。

WX1號斜井與YX3號斜井將右線隧道分為3段，YX3號斜井與隧道右線相交于YK56+080，通風井將右線隧道分成2 835，4 930，3 160m 3段，遠期3段風速分別為Vr1=4.15 m/s，Vr2=7.26 m/s，Vr3=4.65 m/s。WX2號斜井與YX4號斜井將左線隧道分為3段， YX4號斜井與隧道左線相交于ZK56+140，通風井將左線隧道分成2 870，4 940，3 175 m 3段，遠期3段風速分別為Vr1=3.00 m/s，Vr2=4.13 m/s，Vr3=3.00 m/s。該方案左、右線隧道采用三段式通風方案滿足了正常運營通風和火災工況下排煙的需求，無軌斜井可作為輔助施工。YX3號與YX4號斜井坡度均達到了29%，為有軌斜井。利用有軌斜井輔助施工，設備投入大，由于井口高層較高，造成施工便道規模較大，不利于保護環境。有軌斜井進料及出渣為有軌提升方式，特別是在進料時存在多次倒運的過程，輔助主洞效率低。同時，由于自身坡度較陡，一旦出現涌水和塌方，后果和施救難度較緩坡斜井大很多。通風方案見圖4。

圖4 方案四通風系統示意圖(單位：m)

2.5 方案五

左、右線隧道均采用雙有軌斜井三段式縱向送排式通風(地上風機房)。

方案五與方案四類似，YX1號斜井與YX3號斜井將右線隧道分為3段，YX2號斜井與YX4號斜井將左線隧道分為3段。該方案左、右線隧道采用三段式通風方案滿足了正常運營通風和火災工況下排煙的需求。但利用有軌斜井輔助施工，設備投入大，施工費用高。通風方案見圖5。

圖5 方案五通風系統示意圖(單位：m)

2.6方案對比

通風方案綜合比較見表3。

表3 登樓山隧道通風方案比選

以目前普遍采用的礦車有軌提升方式為例，與汽車無軌運輸相比，陡坡斜井需要增加投入大量的設備，包括軌道系統、礦車、提升設備等。由于采用礦車提升方式，且坡度較陡，開挖、出渣成本大幅增加[4]。施工過程當中，倘若遇到涌水或塌方，與坡度較小的隧道相比，將造成更為嚴重的后果。同時采用有軌提升方式，本身存在較多的安全隱患，成本高，施工進度較慢，進料困難[4]。對主洞施工的輔助效率不如緩坡斜井，在不出現安全事故的前提下，方案四、方案五的計算工期均大于60個月。

方案三設置了2處豎井，而且豎井深度分別達到了374 m，豎井施工需垂直運輸，需要一套專門設施。與斜井相比，存在施工設備更復雜、施工進度更慢、排出水更困難、造價更高、安全性更差、測量投點更困難等問題。豎井出渣與下料均為垂直運輸，基本無輔助主洞施工能力，故工期也大于60個月。方案一和方案二均能滿足工期和通風要求，方案二左幅隧道少打1個斜井，可以在右幅WX4號斜井處打設1個支洞到左幅，實現輔助左幅主洞施工，實現全隧資源共享的目的。方案二較方案一減少7 629萬元費用，地質情況及施工難度一致，故將方案二作為推薦方案。

3 結論

1) 特長公路隧道通風方式通常有縱向式通風、橫向式通風、半橫向式通風等。縱向式通風能夠充分利用交通流的活塞風效應，通風效率好，對于雙向分離式單向坡特長隧道，推薦采用縱向式通風。

2) 在初步確定斜井及豎井的組合形式時，應著重考慮特長隧道平面線性、縱坡形式、交通量大小及組成、地形地質情況，并按照通風區段長度及相關的排煙要求，對設置的各種形式進行篩選。

3) 通風方案的比選，應從安全性、施工便利性、對環境的影響性、設備費、后期運營管理費、通風井土建費、工期、總工程造價等方面進行綜合分析，以確保通風系統經濟可靠。

4) 火災工況下利用右線WX1號斜井輔助排煙通道排煙，減少了左線斜井的數量，在滿足工期和通風要求且工程難度沒有增加的情況下，設備費、后期運營管理費、通風井土建費及總費用均得到了節約，實現了通風方案的最優化。

5) 陡坡斜井在建設過程中存在較多難點，設備投入大、施工費用高、施工進度慢、施工風險高，如受現場條件限制并經過對比分析需采用時，建議對陡坡斜井進行優化。