扎尕梁特長公路隧道通風(fēng)方案比選研究

李志鵬

(山西省交通科學(xué)研究院， 山西 太原 030006)

0 引言

目前，隨著國內(nèi)公路隧道數(shù)量的不斷增加，單洞雙向行車特長公路隧道所占的比例也越來越大。與雙洞單向行車公路隧道相比，單洞雙向行車公路隧道發(fā)生火災(zāi)的概率更大，根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計分析大約要高40%[1]。

國外大部分單洞雙向特長公路隧道采用橫向或半橫向通風(fēng)，全橫向和半橫向通風(fēng)對于隧道通風(fēng)排煙效果均是最好的選擇，其缺點是初期投資大、后期維護不便、運營費用高，新建的隧道已經(jīng)很少采用這種方式。

而國內(nèi)單洞雙向特長公路隧道主要采用平行導(dǎo)洞壓入式網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)，劉彤等[2]首次將平導(dǎo)送風(fēng)型半橫向式通風(fēng)系統(tǒng)運用于二郎山隧道(4 176 m)；曾艷華等[3-4]在鷓鴣山隧道(4 448 m)將該方案進行了優(yōu)化；金文良等[5]應(yīng)用隧道通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算程序,對雪峰山隧道的通風(fēng)方案進行計算分析；彭偉等[6]基于行人與車輛單獨疏散的原則，依托二郎山隧道提出了具體的火災(zāi)排煙和人車疏散方案；楊洪[7]依托白芷山隧道(6 710 m)，綜合采用理論分析、數(shù)值模擬、網(wǎng)絡(luò)分析等手段研究了平導(dǎo)壓入式網(wǎng)絡(luò)風(fēng)流穩(wěn)定性；嚴濤等[8]依托巴朗山隧道(7 954 m)研究了橫通道打開數(shù)量對通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的影響；蔣琪[9]針對單洞雙向公路隧道研究了火災(zāi)通風(fēng)排煙控制策略；王明年等[10]、嚴濤[11]針對高海拔地區(qū)單洞雙向特長公路隧道研究了防災(zāi)與通風(fēng)節(jié)能技術(shù)；陳漢波[12]、屈建榮[13]、陳詩明[14]針對單洞雙向特長公路隧道研究了火災(zāi)時人員疏散救援的問題。2014年7月《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細則》發(fā)布以后，要求縱向排煙的單洞雙向交通隧道在進行火災(zāi)排煙設(shè)計時，應(yīng)遵循火災(zāi)煙霧在隧道內(nèi)的最大行程不宜大于3 000 m的原則[15-16]，平行導(dǎo)洞壓入式網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)不適用于超過6 000 m的隧道。

隨著單洞雙向特長公路隧道運營經(jīng)驗的積累，發(fā)現(xiàn)平行導(dǎo)洞壓入式網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)存在通風(fēng)控制較復(fù)雜、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性較差[7-8]、通風(fēng)方案的適用性受限制等問題，對隧道的安全運營產(chǎn)生了一定的隱患。針對此類隧道是否有更好的通風(fēng)方案，使得隧道的建設(shè)運營成本和人員安全達到很好的平衡，已成為設(shè)計人員必須認真研究的問題。

1 工程概況

舟曲立節(jié)至四川永和公路建設(shè)工程ZYZCB-2標(biāo)段起點里程為K99+929，終點里程為K156+420，路線全長56.491 km。扎尕梁隧道屬于該路段的控制性工程，布設(shè)于舟曲縣博峪鄉(xiāng)扎尕梁，隧道起點里程為K123+066，終點里程為K128+848，總長5 782 m，最大埋深約965 m。隧道小樁號側(cè)坡度為1.9%，坡長4 705 m，設(shè)計標(biāo)高2 463.437 m；大樁號側(cè)坡度為-0.5%，坡長1 640 m，設(shè)計標(biāo)高2 535.762 m，變坡點在K127+675處。

根據(jù)《舟曲立節(jié)至四川永和公路建設(shè)工程可行性研究報告》對交通量的預(yù)測，扎尕梁隧道路段近、遠期預(yù)測交通量換算結(jié)果見表1。車型組成及比例見表2。

表1 隧道交通量計算

表2 車型組成及比例

扎尕梁隧道的主要技術(shù)參數(shù)如下： 1)道路等級為三級公路； 2)交通方式為雙向兩車道交通； 3)設(shè)計行車速度為40 km/h； 4)交通量方向不均勻系數(shù)為0.52； 5)設(shè)計高峰小時交通量系數(shù)為0.12； 6)隧道斷面面積為57.85 m2，周長為19.29 m； 7)隧道風(fēng)速不宜大于10 m/s。

2 需風(fēng)量的計算

確定需風(fēng)量時，應(yīng)對稀釋煙塵、CO按40、30、20、10 km/h的行車速度工況分別進行計算，并計算交通阻滯、換氣和火災(zāi)工況的需風(fēng)量，取其較大者作為設(shè)計需風(fēng)量，阻滯段按每車道長度1 000 m計算。

2.1 稀釋煙塵基準(zhǔn)排放量

2000年的機動車尾排有害氣體中煙塵的基準(zhǔn)排放量取2.0 m2/(veh·km)。可分別得出本項目隧道設(shè)計近期2025年煙塵的基準(zhǔn)排放量為2×(1-0.02)25；設(shè)計遠期2032年煙塵的基準(zhǔn)排放量為2×(1-0.02)30。

2.2 稀釋CO基準(zhǔn)排放量

正常交通時，2000年的機動車尾排有害氣體中CO的基準(zhǔn)排放量應(yīng)取0.007 m3/(veh·km);交通阻滯時車輛按照怠速考慮，2000年的機動車尾排有害氣體中CO的基準(zhǔn)排放量應(yīng)取0.015 m3/(veh·km)，且阻滯段的計算長度不宜大于1 000 m。

本項目中，設(shè)計近期2025年CO的基準(zhǔn)排放量為0.007×(1-0.02)25；設(shè)計遠期2032年CO的基準(zhǔn)排放量為0.007×(1-0.02)30。

2.3 隧道換氣需風(fēng)量

隧道換氣需風(fēng)量應(yīng)按照以下公式進行計算:

(1)

式中：Qreq(ac)為隧道換氣需風(fēng)量，m3/s；Ar為隧道凈空斷面積，m2；l為隧道長度，m;ns為隧道最小換氣頻率，次/h。

2.4 火災(zāi)工況需風(fēng)量

火災(zāi)工況需風(fēng)量按照以下公式進行計算:

Qreq(f)=vf·Ar。

(2)

式中：Qreq(f)為火災(zāi)工況需風(fēng)量，m3/s；vf為火災(zāi)控制風(fēng)速,m/s。

2.5 需風(fēng)量計算結(jié)果

通過計算得到扎尕梁隧道設(shè)計近期和設(shè)計遠期對應(yīng)的設(shè)計需風(fēng)量見表3。由表3可知，該隧道近、遠期的控制工況均為稀釋異味工況(即換氣工況)，所以通風(fēng)系統(tǒng)按照稀釋異味需風(fēng)量一次設(shè)計，一次實施。

表3設(shè)計近、遠期隧道對應(yīng)不同控制指標(biāo)的設(shè)計需風(fēng)量

Table 3 Air demand for different control indicators in the short and long term

m3/s

3 通風(fēng)計算

通風(fēng)系統(tǒng)中，風(fēng)機及交通通風(fēng)力提供的風(fēng)量和風(fēng)壓應(yīng)滿足需風(fēng)量和克服通風(fēng)阻力的要求。

1)隧道自然通風(fēng)力： 扎尕梁隧道將自然通風(fēng)力作為隧道通風(fēng)阻力考慮；自然風(fēng)作用引起的洞內(nèi)風(fēng)速取3.0 m/s。

2)隧道交通通風(fēng)力： 扎尕梁隧道是雙向交通隧道，交通通風(fēng)力作為阻力考慮，并按設(shè)計車速以下各工況車速分別計算。

3)隧道通風(fēng)摩阻力與風(fēng)道損失： 在具體計算過程中取值，根據(jù)隧道不同部位、不風(fēng)道形式、角度等取值也不同。

4)隧道火災(zāi)排煙工況： 考慮火風(fēng)壓的影響。

5)射流風(fēng)機升壓力： 采用全射流縱向通風(fēng)方式時，在隧道內(nèi)風(fēng)流穩(wěn)定情況下，射流風(fēng)機增加的風(fēng)壓與隧道內(nèi)的自然通風(fēng)力、交通通風(fēng)力和隧道通風(fēng)阻力相平衡。

4 通風(fēng)方案

4.1 合流型通風(fēng)井排出式+射流風(fēng)機縱向通風(fēng)(方案1)

根據(jù)表3的計算結(jié)果可知，扎尕梁隧道近、遠期的需風(fēng)量均由稀釋異味的需風(fēng)量決定。由于近、遠期扎尕梁隧道的控制需風(fēng)量均為稀釋異味的需風(fēng)量372.17 m3/s，所以將372.17 m3/s作為設(shè)計需風(fēng)量，通風(fēng)系統(tǒng)一次設(shè)計，一次實施。通過計算可知，扎尕梁隧道采用全射流風(fēng)機縱向通風(fēng)即可滿足正常運營工況下的通風(fēng)要求，需要射流風(fēng)機32臺。考慮到火災(zāi)煙霧在隧道內(nèi)的最大行程不宜大于3 000 m，故需設(shè)置1處通風(fēng)井。

扎尕梁隧道山體較寬厚，地形復(fù)雜，埋深較大，通風(fēng)井與主洞的交叉位置只能位于隧道中段218 m范圍內(nèi)(K125+848～K126+066)，此范圍內(nèi)隧道的埋深在881.361～933.820 m。如果設(shè)置豎井，豎井深度過大，施工困難，無便道，不論從施工安全還是工程造價考慮均無有利條件，且該區(qū)域處于自然環(huán)境保護核心區(qū)，不能辦理施工手續(xù)，所以放棄豎井方案;如果設(shè)置斜井，斜井稍長，施工難度一般，有可利用的便道。故結(jié)合扎尕梁隧道地形、地質(zhì)、幾何線形、工程經(jīng)濟等多方面因素，在隧道K126+000處設(shè)置1處排風(fēng)斜井，將隧道分為2 934 m和2 848 m 2段，保證該隧道火災(zāi)排煙要求。

扎尕梁隧道通風(fēng)方案1將斜井用于正常通風(fēng)及火災(zāi)排煙，故采用合流型通風(fēng)斜井排出式+射流風(fēng)機縱向通風(fēng)，通風(fēng)區(qū)段劃分為2段。為了滿足人員逃生及救援需要，在隧道主洞的北側(cè)設(shè)置平行導(dǎo)洞，并設(shè)置間距不超500 m的橫通道。通風(fēng)方案1如圖1所示。

圖1 扎尕梁隧道通風(fēng)方案1平面示意圖

該方案斜井長度為1 760 m，坡度為12%，凈空斷面積為27.98 m2，隧道軸流風(fēng)機房采用地上風(fēng)機房。斜井及風(fēng)道參數(shù)見表4。

表4 扎尕梁隧道斜井及風(fēng)道參數(shù)(方案1)

射流風(fēng)機選用直徑1 120 mm、單機功率30 kW的雙向射流風(fēng)機；送、排風(fēng)機采用大風(fēng)量、低風(fēng)壓、靜葉可調(diào)的軸流風(fēng)機。

軸流風(fēng)機功率的計算應(yīng)結(jié)合風(fēng)機的風(fēng)壓、風(fēng)量的特點，選用的軸流風(fēng)機經(jīng)濟、可行，并考慮一定的富余。通過計算，軸流風(fēng)機裝載總功率為827.3 kW，選用3臺280 kW的軸流風(fēng)機；同時，隧道主洞需要再設(shè)置20臺射流風(fēng)機進行調(diào)壓。當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時，為保證隧道火災(zāi)臨界風(fēng)速為3 m/s，在不開啟軸流風(fēng)機的情況下，以射流風(fēng)機提供推力，對火災(zāi)工況進行驗算，需要設(shè)置射流風(fēng)機16臺。最后得出整個隧道通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機配置見表5。

表5 扎尕梁隧道風(fēng)機配置(方案1)

4.2 平行導(dǎo)洞壓入式網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)(方案2)

扎尕梁隧道通風(fēng)方案2利用在隧道北側(cè)設(shè)置的平行導(dǎo)洞進行通風(fēng)、排煙。導(dǎo)洞的兩端分別設(shè)置1處風(fēng)機房，內(nèi)置軸流送風(fēng)機220 kW各1臺，主洞設(shè)置30 kW調(diào)壓射流風(fēng)機20臺。正常運營工況下，軸流風(fēng)機將洞外的新鮮空氣通過平行導(dǎo)洞和橫通道均勻地送入隧道主洞中，主洞風(fēng)流方向在中間部位的6#橫通道處一分為二，分別向隧道入口和出口方向送風(fēng)。

火災(zāi)工況時，隧道主洞作為排煙通道，排煙方式為分段排煙，煙霧在隧道中的行程為2 900 m和2 849 m，均滿足規(guī)范要求，人員則通過平行導(dǎo)洞進行疏散逃生。剛開始疏散階段軸流風(fēng)機應(yīng)調(diào)小風(fēng)量，滿足橫通道內(nèi)的風(fēng)壓為正壓即可；確定人員撤離完畢后，進入排煙階段可調(diào)大風(fēng)量，消防人員可從主洞一端進入火災(zāi)現(xiàn)場進行專業(yè)滅火。

事故工況時，救援車輛可以通過平行導(dǎo)洞進入隧道事故地點進行快速處理，避免人員在隧道內(nèi)滯留時間過久。通風(fēng)方案2如圖2所示。

圖2 扎尕梁隧道通風(fēng)方案2平面示意圖

通風(fēng)方案2通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機配置見表6。

表6 扎尕梁隧道風(fēng)機配置表(方案2)

4.3 射流風(fēng)機縱向通風(fēng)+斜井分段排煙(方案3)

扎尕梁隧道通風(fēng)方案3在正常運營工況時主洞采用射流風(fēng)機縱向通風(fēng)，火災(zāi)工況時利用排煙斜井進行排煙，并利用平行導(dǎo)洞進行人員的疏散逃生和救援。通風(fēng)方案3如圖3所示。

該通風(fēng)方案在運營工況時，通過32臺射流風(fēng)機縱向通風(fēng)來滿足隧道新鮮空氣的補給；火災(zāi)工況時利用斜井分段排煙來實現(xiàn)火災(zāi)煙霧在隧道內(nèi)的最大行程不大于3 000 m的要求，平行導(dǎo)洞可以滿足人員疏散逃生及救援的要求。

圖3 扎尕梁隧道通風(fēng)方案3平面示意圖

該方案排煙斜井長度為1 760 m，坡度為12%，凈空斷面積為13.35 m2，隧道軸流風(fēng)機房采用地上風(fēng)機房。斜井及風(fēng)道參數(shù)見表7。

通過計算得到軸流風(fēng)機裝載總功率為327.4 kW，選用2臺180 kW的軸流風(fēng)機；同時，隧道主洞需要再設(shè)置16臺射流風(fēng)機進行調(diào)壓。最后得出整個隧道通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機配置見表8。

表7 扎尕梁隧道斜井及風(fēng)道參數(shù)(方案3)

表8 扎尕梁隧道風(fēng)機配置表(方案3)

4.4 方案比選

下面主要從土建費用、機電設(shè)備初期投資、運營電費、通風(fēng)控制、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性、通風(fēng)方案的適用性以及管理維護幾個方面對扎尕梁隧道的通風(fēng)方案進行比選,土建費用主要包括通風(fēng)斜井(排煙斜井)、聯(lián)絡(luò)風(fēng)道、風(fēng)機房和便道的費用比較。比較結(jié)果見表9。

表9 土建費用比較表

機電設(shè)備初期投資主要考慮射流風(fēng)機和軸流風(fēng)機的初期投資；運營用電費按照20年，每年按365 d，每天風(fēng)機平均運行時間為10 h，電費1.0元/(kW·h)計算。通風(fēng)方案比選計算結(jié)果見表10。

表10 通風(fēng)方案比選計算結(jié)果表

由表10可知： 1)方案1的特點是采用合流型通風(fēng)井排出式通風(fēng)，平行導(dǎo)洞作為人員疏散及救援的通道。該方案的優(yōu)點是通風(fēng)方案較成熟，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性好，通風(fēng)控制及管理維護比較容易；但是其斜井主要作用為運營通風(fēng)，斷面較大，導(dǎo)致初期投資和運營費用均較高。

2)方案2的特點是將新鮮空氣通過平行導(dǎo)洞和橫通道壓入主洞，分段通風(fēng)、排煙，平行導(dǎo)洞同時作為人員疏散及救援的通道。該方案優(yōu)點是可以取消斜井，大大降低土建工程投資。但是缺點是風(fēng)孔開啟大小及風(fēng)孔風(fēng)量的控制困難，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性較差[7-8]；且火災(zāi)工況時洞內(nèi)自然風(fēng)對通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)影響較大，有一定的安全隱患，通風(fēng)后期的管理維護較難；該方案只能分2段排煙，只適用于6 000 m以下的隧道，不適用于超過6 000 m的隧道。

3)方案3的特點是運營工況以射流風(fēng)機縱向通風(fēng)為主，斜井只需要考慮排煙風(fēng)量，平行導(dǎo)洞作為人員疏散及救援的通道。其優(yōu)點是主洞射流風(fēng)機縱向通風(fēng)方式成熟，斜井的斷面較方案1可以減小一半，土建費用投資減少，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性好，通風(fēng)控制及管理維護比較容易，軸流風(fēng)機只需要在火災(zāi)工況開啟，運營電費最省、安全性最高。

通過比選，扎尕梁隧道通風(fēng)方案3土建費用適中，機電設(shè)備初期投資較低，后期運營電費最少，通風(fēng)控制及管理維護容易，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性好，因此將其作為推薦方案。本項目由于地形條件所限，又處于自然環(huán)境保護核心區(qū)，造成斜井過長，前期土建費用較大，如果其他類似隧道地形條件允許，可縮短斜井長度，推薦方案的優(yōu)勢將更加明顯。

5 結(jié)論與建議

本文針對扎尕梁特長公路隧道的特點，提出3種通風(fēng)方案，并通過方案比選，推薦射流風(fēng)機縱向通風(fēng)+斜井分段排煙為最優(yōu)方案。推薦通風(fēng)方案的特點為： 利用射流風(fēng)機運營通風(fēng)，利用排煙井分段排煙，利用平行導(dǎo)洞疏散救援各司其職。該研究主要解決了以下3個問題。

首先，采用縱向通風(fēng)，避免網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)控制復(fù)雜、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性差帶來的安全隱患；其次，利用排煙井分段排煙，可根據(jù)排煙區(qū)段要求增設(shè)排煙井，不受隧道長度的影響，解決了平導(dǎo)壓入式排煙方式只能分2段排煙(只適合6 000 m以下隧道)的問題；最后，利用平行導(dǎo)洞疏散救援，解決了單洞隧道疏散救援難的問題。

建議此類隧道在后期運營階段，根據(jù)實際交通量及自然風(fēng)進一步研究其節(jié)能及安全疏散救援的問題。