臨清高速王家寨隧道通風(fēng)井優(yōu)化設(shè)計(jì)

鄭勇 ZHENG Yong；蔣樹屏 JIANG Shu-ping；李志厚 LI Zhi-hou；王安民 WANG An-min；殷志峰 YIN Zhi-feng；陳星宇 CHEN Xing-yu

（①云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，昆明 650041；②招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400000）

0 引言

臨滄臨翔至清水河高速公路王家寨隧道為一座分離式隧道，臨翔端間距約為27m，清水河端間距約為24m，洞身段最大間距約為56m。王家寨隧道右幅樁號(hào)K21+440～K29+480，全長(zhǎng)8040m，左幅樁號(hào)ZK21+460～ZK29+470，全長(zhǎng)8010m。最大埋深右幅1022m，左幅1002m。隧道左右幅縱坡均為-1.75%，進(jìn)口端處于反坡施工段。王家寨隧道設(shè)置1座通風(fēng)斜井，斜井長(zhǎng)1985m，斜井縱坡為-11.14%，風(fēng)機(jī)房設(shè)置為地表。

隧址區(qū)位于云南省西南部，屬橫斷山脈南段。隧道臨翔端半成巖地段地形總體較緩，自然坡度5～10°，地表大部為耕地；清水河端花崗巖地段地形稍陡，植被發(fā)育，自然坡度12～30°。臨翔端海拔1750.0～2110.0，相對(duì)最大高差360m，地貌類型屬構(gòu)造-侵蝕、剝蝕型中山地貌。隧道覆蓋層為第四系殘坡積層粉質(zhì)粘土，下伏基巖為上第三系半成巖（約2.3km長(zhǎng)）及三疊紀(jì)侵入巖花崗巖、石英片巖（約5.7km長(zhǎng)）。本隧道半成巖段具有膠結(jié)差、巖質(zhì)極軟、孔隙比大、飽和度高、失水干裂、水穩(wěn)性差，受擾動(dòng)易發(fā)生潰砂、流土、突泥涌沙破壞等特點(diǎn)。（圖1）

圖1 王家寨隧道斜井布置示意圖

隧道正洞自2018年3月開始進(jìn)洞施工、斜井自2019年3月開始進(jìn)洞施工，受臨翔端半成巖（砂巖夾黏土巖）的地質(zhì)條件制約，截止到2021年8月下旬，臨滄端工區(qū)累計(jì)施工約900m，清水河端工區(qū)累計(jì)施工約3300m，斜井工區(qū)累計(jì)僅施工約242m。

斜井剩余1743m（其中半成巖308m）未開挖。按目前施工進(jìn)度，斜井將不能為隧道主洞提供輔助工作面。斜井施工完成后，僅能作為通風(fēng)風(fēng)道使用。（圖2）

圖2 王家寨隧道施工進(jìn)度示意圖

1 王家寨隧道通風(fēng)井原設(shè)計(jì)概況

1.1 隧道需風(fēng)量計(jì)算

依據(jù)《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》中相關(guān)的隧道內(nèi)的需風(fēng)量的計(jì)算公式及參照《公路隧道設(shè)計(jì)手冊(cè)》中有關(guān)通風(fēng)計(jì)算的說明，結(jié)合本隧道的工程概況、預(yù)測(cè)交通量與交通組成以及隧道的通風(fēng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等各值，對(duì)計(jì)算行車速度以下按10km/h為一檔分別計(jì)算，不同工況下的需風(fēng)量計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 王家寨隧道兩幅通車，各工況下的計(jì)算需風(fēng)量

1.2 隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)

根據(jù)隧道運(yùn)營(yíng)需風(fēng)量及防災(zāi)救援的需求，王家寨隧道總體通風(fēng)系統(tǒng)采用左幅兩區(qū)段縱向通風(fēng)方式（送排+與右幅共用排煙道）+右幅全射流縱向通風(fēng)方式（與左幅共用排煙道）。（圖3）

圖3 王家寨隧道通風(fēng)斜井布置示意圖

王家寨隧道左幅兩區(qū)段段落劃分為：隧道起點(diǎn)～ZK25+000為第一區(qū)段，ZK25+000～隧道止點(diǎn)為第二區(qū)段。

王家寨隧道右幅運(yùn)營(yíng)工況下不分區(qū)段。排煙工況二區(qū)段段落劃分為：隧道起點(diǎn)～K25+000為第一區(qū)段，K25+000～隧道止點(diǎn)為第二區(qū)段。（表2）

表2 王家寨隧道方案需風(fēng)量計(jì)算表

王家寨隧道現(xiàn)左幅布置30kW，直徑Φ1120mm射流風(fēng)機(jī)48臺(tái)（24組），按照行車方向，隧道入口布置了8臺(tái)（4組）射流風(fēng)機(jī)，隧道中間第一段布置了12臺(tái)（6組）射流風(fēng)機(jī)，隧道中間第二段布置了12臺(tái)（6組）射流風(fēng)機(jī)，隧道出口布置了8臺(tái)（4組）射流風(fēng)機(jī)。

隧道右幅布置30kW，直徑Φ1120mm射流風(fēng)機(jī)60臺(tái)（30組），隧道入口布置了8臺(tái)（4組）射流風(fēng)機(jī)，隧道中間第一段布置了12臺(tái)（6組）射流風(fēng)機(jī)，隧道中間第二段布置了12臺(tái)（6組）射流風(fēng)機(jī)，隧道中間第三段布置了12臺(tái)（6組）射流風(fēng)機(jī)，隧道出口布置了8臺(tái)（4組）射流風(fēng)機(jī)。

其中左、右幅排煙消防射流風(fēng)機(jī)均為30臺(tái)（15組）。

王家寨隧道左幅軸流排風(fēng)風(fēng)機(jī)3臺(tái)，軸流送風(fēng)風(fēng)機(jī)2臺(tái)。

1.3 隧道通風(fēng)斜井設(shè)計(jì)

根據(jù)隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)需求及相關(guān)規(guī)范的要求，并考慮施工、結(jié)構(gòu)受力等因素，擬定斜井內(nèi)輪廓，采用r1=4.80m的單心圓襯砌斷面，內(nèi)輪廓凈空寬度9.60m、凈空高度6.35m。斜井中部設(shè)置30cm厚橫隔板將斜井分為送風(fēng)井和排風(fēng)井，其中送風(fēng)井?dāng)嗝婷娣e24.46m2，排風(fēng)（煙）井?dāng)嗝婷娣e24.46m2。

2 王家寨隧道通風(fēng)井優(yōu)化設(shè)計(jì)概況

2.1 王家寨隧道通風(fēng)井優(yōu)化原因

本隧道斜井自2019年3月開始進(jìn)洞施工，受臨翔端半成巖（砂巖夾黏土巖）段的地質(zhì)條件制約，截止到2021年8月下旬，斜井累計(jì)僅施工約242m，斜井剩余1743m（其中半成巖308m）未開挖。按目前施工進(jìn)度，斜井將不能為隧道主洞提供輔助工作面，斜井施工完成后，僅能作為通風(fēng)風(fēng)道使用。

相比斜井，豎井在運(yùn)營(yíng)通風(fēng)方面具有長(zhǎng)度短、摩阻小等優(yōu)勢(shì)，隨著公路隧道豎井設(shè)計(jì)和施工水平的不斷提高，因而公路隧道井型的選擇越來越傾向考慮豎井。加之本隧道除臨翔段2.3km為半成巖（砂巖夾黏土巖）外，剩余段落約5.7km以中風(fēng)化花崗巖、石英片巖為主。因此，放棄僅施工242m的斜井，在隧道中部埋深不大的區(qū)段，選擇一處地表地形較平坦、地質(zhì)良好的位置設(shè)置一處豎井重新施工，基于本隧道工程現(xiàn)狀而言不失為一良策。

2.2 王家寨隧道通風(fēng)方案優(yōu)化原則

大量的工程實(shí)踐表明，公路隧道通風(fēng)工程的土建與機(jī)電設(shè)備費(fèi)用、后期運(yùn)營(yíng)費(fèi)用占隧道的建設(shè)運(yùn)營(yíng)費(fèi)用都同等高。因此在制定本隧道的通風(fēng)優(yōu)化方案時(shí)，盡可能一方面減少土建與機(jī)電設(shè)備費(fèi)用的投資，另一方面降低后期運(yùn)營(yíng)成本。

本隧道通風(fēng)方案優(yōu)化遵循以下原則進(jìn)行：近遠(yuǎn)期工程相結(jié)合的原則、正常運(yùn)營(yíng)與防火救災(zāi)相結(jié)合的原則、通風(fēng)方案的研究與技術(shù)設(shè)計(jì)相結(jié)合的原則、隧道右幅通風(fēng)方案不變，僅結(jié)合井位設(shè)置對(duì)左幅通風(fēng)方案做優(yōu)化的原則。

2.3 隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)

結(jié)合通風(fēng)方案優(yōu)化的原則，以及隧址區(qū)地形、地質(zhì)等條件，經(jīng)多方案比選后最終在ZK24+000設(shè)置一處豎井（深316m），并在大樁號(hào)側(cè)設(shè)置500長(zhǎng)排煙聯(lián)絡(luò)道。豎井一分為二，一半作為送風(fēng)井，另一半作為排風(fēng)（煙）井，王家寨隧道總體通風(fēng)系統(tǒng)仍采用左幅兩區(qū)段縱向通風(fēng)方式（送排+與右幅共用排煙道）+右幅全射流縱向通風(fēng)方式（與左幅共用排煙道）。（圖4）

圖4 王家寨隧道通風(fēng)豎井布置示意圖

王家寨隧道左幅風(fēng)道，將通風(fēng)區(qū)段劃分為2個(gè)區(qū)段。第一區(qū)段為ZK21+440～ZK24+000，第二區(qū)段為ZK24+000～ZK29+480，每個(gè)區(qū)段的需風(fēng)量計(jì)算如表3所示。

表3 王家寨隧道優(yōu)化后方案需風(fēng)量計(jì)算表

通過通風(fēng)計(jì)算，隧道左幅現(xiàn)有射流風(fēng)機(jī)的配置不能滿足升壓力需求，需在主洞內(nèi)增加射流風(fēng)機(jī)數(shù)量。需在隧道左幅ZK21+440～ZK24+000需增加2臺(tái)（1組）射流風(fēng)機(jī)。

隧道主洞內(nèi)增加了射流風(fēng)機(jī)數(shù)量后，變壓器容量不能滿足需求，需增加部分變電所內(nèi)變壓器容量。

2.4 隧道通風(fēng)豎井設(shè)計(jì)

根據(jù)隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)需求及相關(guān)規(guī)范的要求，并考慮施工、結(jié)構(gòu)受力等因素，擬定豎井內(nèi)輪廓，豎井內(nèi)徑8.0m。豎井中部設(shè)置30cm厚橫隔板將豎井分為送風(fēng)井和排風(fēng)井，其中送風(fēng)井?dāng)嗝婷娣e18.46m2，排風(fēng)（煙）井?dāng)嗝婷娣e29.11m2。

3 王家寨隧道通風(fēng)井方案對(duì)比

3.1 王家寨隧道通風(fēng)井方案經(jīng)濟(jì)對(duì)比

王家寨隧道通風(fēng)井方案經(jīng)濟(jì)對(duì)比主要包括通風(fēng)井土建費(fèi)用、機(jī)電初期投入費(fèi)用、20年運(yùn)營(yíng)費(fèi)用等方面?？紤]到隧道右幅通風(fēng)方案、地表風(fēng)機(jī)房方案未發(fā)生變化，故右幅運(yùn)營(yíng)費(fèi)用、地表風(fēng)機(jī)房方案費(fèi)用不參與對(duì)比。

從表4可以看出，采用斜井方案建設(shè)及運(yùn)營(yíng)費(fèi)用約274百萬元，采用豎井方案則為176百萬元。若采用豎井方案，扣除斜井因廢置242m產(chǎn)生的建設(shè)費(fèi)約30百萬元，豎井方案仍然節(jié)省68百萬元。

表4 王家寨隧道斜、豎井方案費(fèi)用對(duì)比表

考慮到斜井剩余1743m未開挖，按目前施工進(jìn)度，斜井將不能為隧道主洞提供輔助工作面，斜井施工完成后，僅能作為通風(fēng)風(fēng)道使用，現(xiàn)階段基于工程現(xiàn)狀采用豎井方案經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯。

3.2 王家寨隧道通風(fēng)井方案綜合對(duì)比

王家寨隧道通風(fēng)井方案綜合對(duì)比主要包括建設(shè)費(fèi)用、建設(shè)難度、建設(shè)工期、輔助主洞功能、長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)等方面。

從表5可以看出，在不考慮井輔助主洞施工的情況下，豎井方案在各方面都優(yōu)于斜井方案，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

表5 王家寨隧道斜、豎井方案對(duì)比表

4 結(jié)論和建議

本文就斜井和豎井方案，從建設(shè)費(fèi)用、建設(shè)難度、建設(shè)工期、輔助主洞功能、長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)等方面對(duì)王家寨隧道通風(fēng)井方案展開對(duì)比和論述，提出如下結(jié)論與建議。①基于本隧道工程現(xiàn)狀，在不考慮井輔助主洞施工的前提下，豎井方案在各方面都優(yōu)于斜井方案，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。②建議項(xiàng)目建設(shè)單位放棄僅施工242m的斜井，在隧道中部埋深不大的區(qū)段，選擇一處地表地形較平坦、地質(zhì)良好的位置設(shè)置一處豎井重新施工。③類似特長(zhǎng)隧道在前期決策和設(shè)計(jì)階段，建議對(duì)隧道地質(zhì)情況進(jìn)行詳細(xì)勘察和研究，并制定合理化項(xiàng)目建設(shè)工期，從多方面考慮，最終選擇最合適的通風(fēng)方案。