汾石高速東山隧道通風解決方案

任衛英

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

汾陽至石樓高速公路是山西省“三縱十二橫十二環十五條連接線”中的重要一段，該項目向北與國家高速公路網青銀線相接，向西與在建國家高速公路網G59呼北線（即山西省西縱高速公路離石至隰縣段）十字交叉后至石樓縣。該路段建成后，可實現兩條國家高速公路網之間的順暢轉換，進一步補充完善晉西北區域高速公路網。同時，該路段的建設將拉近太原市與交口、石樓、永和、大寧、隰縣等革命老區的聯系，增強太原都市圈對其輻射帶動作用，有利于推進呂梁山區集中連片特困地區扶貧開發。本文將對東山特長隧道的通風方案進行比選確定。

1 工程概況

東山隧道左線隧道長度為7 730 m，采用坡度為+1.189（7 290 m）、-1.7（515 m）的人字坡；右線隧道長度 為 7 810 m，采 用 坡 度 為 +1.7（510 m）、-1.189（7 220 m）的人字坡。

根據《公路隧道通風設計細則》[1]JTG/T D70/2-02—2014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＞1 000 m的高速公路隧道應設置火災機械防煙與排煙系統。通過計算確定東山隧道需設置機械通風。《細則》中指出：火災煙氣在隧道內的最大行程不宜大于5 000 m，該項目的隧道長度大于5 000 m，最終確定東山特長隧道采用通風井送排式縱向通風方案。

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》5.3.1選取東山隧道正常交通情況下CO設計濃度δCO=100 cm3/m3，交通阻滯工況下隧道內CO的設計濃度δCO=150 cm3/m3。

2.1.2 煙塵設計濃度K

選用LED燈作為隧道照明方式，煙塵設計濃度K在不同車速下的取值如表1所示[1]。

表1 煙塵設計濃度K

2.1.3 機動車基準排放量取值

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0.003 8 m2/(veh·km)，阻滯工況下CO的基準排放量為 0.008 2 m2/(veh·km)。

2.1.4 換氣要求

《公路隧道通風設計細則》JTG/TD70/2-02—2014第5.4條規定：隧道空間最小換氣頻率不應低于每小時3次；采用縱向通風的隧道，換氣風速不應低于1.5 m/s。

2.1.5 火災工況

《公路隧道通風設計細則》第10.1條規定：長度L＞1 000 m的高速公路隧道應設置火災機械防煙與排煙系統。該項目隧道長度7 730 m，火災最大釋放率取30 MW，隧道火災臨界風速取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 東山隧道內的設計車速為100 km/h。隧道內車輛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=67.31 m2。

f）斷面周長 Cr=32.06 m。

g）斷面當量直徑 Dr=8.4 m。

h）隧道夏季的設計氣溫，取25℃。

2.3 交通量參數

該隧道預測交通量見表2，車型折算系數如表3所示，隧道汽柴比如表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0.55，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2 隧道混合交通量 veh/h

表3 車型折算系數

表4 汽柴比

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[1]

隧道內CO排風量：

稀釋CO的需風量：

3.2 稀釋煙塵的需風量[1]

隧道內煙霧排放量：

稀釋煙塵的需風量：

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，公式如下：

由于東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，公式如下，經計算得出東山隧道左、右洞火災工況下的需風量分別為434 m3/s、438 m3/s。

3.5 需風量的優化

3.5.1 重載LNG貨車需風量計算

LNG車屬于單一燃料汽車，我國對其尾氣檢測時執行的是汽油車尾氣檢測標準，不對煙塵顆粒物（PM）排放量進行控制，LNG車通風計算時應執行汽油車需風量計算方法，無需按照柴油車標準計算煙塵顆粒物（PM）排放量。

3.5.2 區域路網重載LNG貨車比例調查點

依據并延續《工可》中的OD調查點分布情況，對工可中確定的9個OD調查點和3個交通觀測點進行LNG比例調查。為使調研數據更加準確，項目組擴大了調查范圍，對與該項目平行或競爭的G20青銀高速、G5京昆高速、G2211長延高速、G2516京呂高速進行LNG比例調查，優化后的調查點共16個。

3.5.3 區域路網重載LNG貨車調查比例

圖1為部分站點的調查照片。

圖1 羅村調查點和汾孝互通調查點

通過對16個調查點進行12 h觀測，重載LNG占整個重載貨車的比例統計，16個觀測點的現狀比例均不低于40%，即使不考慮未來15年LNG車預期增長率，按現狀比例情況，選取LNG占整個重載貨車比例35%是非常保守的。

3.6 左、右洞需風量計算結果

獨立隧道需風量計算時，按照行車速度以每10 km/h為一檔，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。東山隧道左、右洞各工況下的需風量計算結果如表6～表9所示。

表6 東山隧道右洞各工況下需風量計算結果 m3/s

表7 東山隧道左洞各工況下需風量計算結果 m3/s

表8 東山隧道右洞需風量 m3/s

表9 東山隧道左洞需風量 m3/s

4 隧道通風方案

東山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8.0 m/s，風速合適，滿足通風要求。左線近期風速為6.5～9.2 m/s，遠期最高風速為11.5 m/s，同時，左線主要通風需求為稀釋煙塵，加之該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。

4.1 東山隧道選用地上風機房

4.1.1 采用地上風機房的特點

a）機電設備安裝環境干燥，設備的維護保養容易，檢修方便。

b）需長期人員駐守，且生活環境艱苦，巡檢和維修路途遙遠。

c）風機房施工簡單，地面風機房估價在900萬元左右。

d）可結合原有鄉村道路，增加永久性施工便道。

4.1.2 采用地下風機房的特點

a）地下風機房較為潮濕，容易漏水，不利于機電設備維護保養，機電設備壽命短。

b）地下風機施工復雜，難度大。

c）地下風機房人員檢修路途短，可快速抵達風機房。

d）采用地下風機房約需2 000萬元左右。

該項目東山隧道附近無自然保護區，斜井井口附近2 km內有村道，施工便利，斜井井口地形較為平坦，因此根據上述地上風機房和地下風機房優缺點的比較，同時結合斜井地面在地形、征地、環境保護、運營維護方面有建地上風機房的客觀條件，該次設計采用有人職守的地上風機房。

4.2 東山隧道采用斜井

東山隧道的通風井采用斜井通風，長度為1 422 m。斜井和豎井方案比較：斜井可結合施工進程，便于輔助主洞內出渣運輸，具有施工周期短，難度低等優點。因此從施工難度考慮，結合了施工造價，選擇了斜井通風方式。

4.3 通風方案

東山隧道所在區域無自然保護區，結合實際地形地貌、通風需求和施工進度要求，提出如下通風方案。

左線一斜井分兩段軸流風機送排風+射流風機通風；右線全射流縱向通風，布置如圖2所示。

圖2 東山隧道通風方案系統圖

隧道左線設一個通風斜井，同時為隧道右線設置聯絡排煙道，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2個防火分區。

東山隧道左右線隧道對應不同控制指標的設計需風量詳見表10、表11。

表10 東山左線隧道對應不同控制指標的設計需風量 m3/s

表11 東山右線隧道對應不同控制指標的設計需風量 m3/s

東山隧道通風斜井主要參數如表12。

表12 東山隧道斜井主要參數表

東山隧道軸流風機主要參數如表13。

表13 東山隧道軸流風機主要參數表

東山隧道左線各項參數計算結果，詳見表14，表中為隧道內行車速度100 km/h下的參數，其他速度下不再詳細計列。軸流風機選型時考慮了通風和防排煙系統的漏風量，取漏風附加系數為10%.

表14 東山隧道左線通風計算結果表

依據規范，在隧道最終風機配置時考慮一定的備用風機。正常運營工況下風機長期開啟，火災工況下需要一定的冗余度，因此計算時需考慮正常工況和火災工況下備用風機數量。計算時若正常工況和火災所需射流風機臺數在1～6組間，盡量備用一組，阻滯工況由于發生概率低且危害程度較小，出于節能考慮不再備份；計算所需射流風機臺數大于6組時，可考慮所需臺數15%的備用量。結論如表15～表17。

表15 東山隧道左線近期各種工況下風機臺數 臺

表16 東山隧道左線遠期各種工況下風機臺數 臺

表17 東山隧道右線隧道風機需求量 臺

射流風機的功能是為了輔助通風和調壓，右線為下坡方向，考慮了火風壓的影響，射流風機設置臺數如表18。

表18 東山隧道射流風機數量表 臺

5 隧道通風設計方案確定

a）在進行通風方案研究時，除了土建工程一次完成外，其余通風設備分期購置和安裝，避免了一次設備投入費用過大，造成設備閑置，又為結合未來實際汽車排污水平，進一步優化設備配置留有空間。

b）在確定隧道通風方案時，不僅考慮到盡可能減少近期通風主體工程的費用和通風設備的投資，而且重視降低后期運營成本。

c）公路隧道通風方案設計除滿足交通運營通風外，還滿足了火災發生時的通風需求，即把正常運營和火災時的通風看作是整個通風系統的兩種不同工況。

d）在進行通風方案研究時，除將重點放在通風方案的研究上外，還將通風方案和通風技術設計相結合，盡可能完善設計。在隧道通風方案設計中，衛生標準和允許煙霧透過率是所有通風方案的約束條件，充分利用雙洞單向交通的汽車交通風。

6 結語

對東山特長隧道進行隧道通風設計方案的確定，采用通風井送排式縱向通風方案，對每個分段內的通風分別進行計算，同時在通風計算中結合重載LNG車比例，對需風量進行優化，達到了方案合理、施工期短、施工難度小、總體投資低的目的。