特長隧道通風(fēng)方法及保障措施技術(shù)研究

黃立潤

特長隧道通風(fēng)方法及保障措施技術(shù)研究

黃立潤

（廣西路建工程集團有限公司，廣西 南寧 530001）

觀音山隧道是廣西路建工程集團有限公司崇愛高速工程中的重點項目，該隧道為雙向分離式特長隧道，全長約4 805 m，工程規(guī)模巨大，施工條件復(fù)雜。文章結(jié)合觀音山隧道工程實際情況與參數(shù)，計算通風(fēng)需風(fēng)量和通風(fēng)設(shè)備數(shù)量，設(shè)計該隧道的通風(fēng)系統(tǒng)，同時從設(shè)備控制管理與安裝兩方面對通風(fēng)設(shè)備的保障措施進行研究，從風(fēng)機的安裝、調(diào)試、運行和維護等方面提出不同建議。該研究認(rèn)識可為類似特長隧道通風(fēng)提供參考。

特長隧道；通風(fēng)設(shè)計；保障措施；運行維護

引言

我國高速公路建設(shè)發(fā)展迅猛，高速公路已成為區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的重要保障。面對快速發(fā)展的高速公路建設(shè)，在滿足安全、質(zhì)量以及進度的同時，也要保障施工過程中的技術(shù)研究以及科研創(chuàng)新，通過不斷研究創(chuàng)新，得出新的技術(shù)以沿用于正在建設(shè)的工程以及后續(xù)新建設(shè)的工程。在高速公路建設(shè)中，路線的規(guī)劃不可避免地要穿過崇山峻嶺，如正常進行路基路面開挖，會加大施工的投資成本，因此一旦出現(xiàn)線路的走線經(jīng)過山嶺，那么就會設(shè)計隧道。隧道也分為特長隧道、長隧道、中隧道以及短隧道，其中特長隧道作為高速工程中的重點控制性項目，由于隧道長度超過3000 m，隧道施工過程中的圍巖情況，以及通風(fēng)排煙等是施工中以及通車后的一個難點。特長隧道工程規(guī)模浩大，施工條件復(fù)雜，如世界上最長的雙洞高速公路隧道：秦嶺終南山特長公路隧道，長度為18.20 km；四川涼山州錦屏山特長隧道，長度為17.90 km；巴陜高速中米倉山隧道，長度超過10 km。面對這些特長隧道，通風(fēng)將會是一個重點和難點，高速隧道中車流不僅會產(chǎn)生煙塵，如通風(fēng)出現(xiàn)問題會導(dǎo)致隧道內(nèi)可視范圍降低，增加行車危險系數(shù)，汽車排放的尾氣更含有劇毒的一氧化碳（CO），一旦在隧道內(nèi)出現(xiàn)交通事故造成交通堵塞，濃度高的一氧化碳（CO）會給后續(xù)的傷員帶來二次傷害。隧道內(nèi)的通風(fēng)僅靠洞口兩端的氣流難以提供足夠的新鮮風(fēng)流，因此隧道需要設(shè)計一套完整的通風(fēng)系統(tǒng)以保障行車安全和緊急情況下的應(yīng)急搶險。目前已有學(xué)者結(jié)合工程實際對高速公路隧道的通風(fēng)方法進行研究[2-6]。本文以某高速公路特長隧道項目為依托，設(shè)計通風(fēng)方案并提出相應(yīng)的保障措施。

1 項目概況

水口－崇左－愛店高速公路（崇左至愛店口岸段）是《廣西高速公路網(wǎng)規(guī)劃（2018－2030年）》中“聯(lián)17”的重要組成部分，本項目全線位于崇左市境內(nèi)，北起崇左市寧明縣亭亮鎮(zhèn)天西村，與南寧至友誼關(guān)高速公路相交，路線總體由北向南布線，經(jīng)亭亮鎮(zhèn)、東安鄉(xiāng)、明江鎮(zhèn)、峙浪鄉(xiāng)等地，止于愛店口岸，中間與規(guī)劃的憑祥至東興高速公路互通，路線全長58.677 km，其中高速公路段長55.250 km，愛店連接線3.427 km。

水口－崇左－愛店公路（崇左至愛店口岸段）二分部主線起點樁號為K31+666，終點樁號為K55+250；愛店連接線起點接K58+250，終點樁號為K58+718.58，與規(guī)劃中的G219國道相接，項目沿線河流有派連河等。本項目路線范圍內(nèi)有大中橋6480 m/9座，天橋360 m/4座，分離式立體交叉橋526 m/1座，互通橋561 m/4座。涵洞67道，通道25道（含主線、服務(wù)區(qū)、連接線），分離式隧道4805 m/0.5座，愛店服務(wù)區(qū)1處。設(shè)置有1處互通立交，即峙浪互通。

本項目主線采用雙向四車道高速公路，設(shè)計速度為 100 km/h，路基設(shè)計寬度26 m，路基設(shè)計洪水頻率1/100；愛店連接線采用雙向四車道一級公路，路基設(shè)計寬度25.5 m，路基設(shè)計洪水頻率1/100。其中觀音山隧道、板堪2號大橋是本項目重點、難點及控制性工程。觀音山隧道位于我國南部的崇愛高速公路項目，此高速連接我國陸路邊境口岸，是我國西南對外貿(mào)易的重要動脈。該高速公路采用雙向四車道設(shè)計，設(shè)計最高時速為100 km/h。路線總體自北向南布線，主線全長約55.25 km。高速公路全線隧道長7431 m，同時包括21座大中型橋梁、隧道管理站、養(yǎng)護工區(qū)、管理分中心和配套的收費站、服務(wù)區(qū)等。觀音山隧道是兩座隧道之一，屬于分離式特長隧道，長度約4.8 km，起訖樁號分別為ZK29+272～ZK34+062（4790 m）、K29+256～K34+076（4820 m）。隧道概況列于表1。

表1 隧道概況

2 隧道通風(fēng)方法

觀音山隧道內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)共有兩個設(shè)計要求：一是保證隧道正常運營，滿足清除煙塵、汽車尾氣等有毒有害物質(zhì)，使空氣達到衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，保證隧道安全和舒適的要求。二是在應(yīng)急情況下，通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)能滿足火災(zāi)發(fā)生時的通風(fēng)需求，及時排出有害氣體并通入足夠的新鮮空氣，最大程度上減少人員傷亡和對隧道的破壞。本項目中觀音山隧道屬于特長隧道，因此該隧道通風(fēng)設(shè)計具體針對正常交通工況、交通阻滯工況、火災(zāi)等緊急狀況設(shè)計。

2.1 通風(fēng)計算基本參數(shù)

通風(fēng)設(shè)施根據(jù)預(yù)測交通量增長變化分期、分階段實施，設(shè)計目標(biāo)年近期采用2035年交通量，遠期采用2043年交通量。觀音山隧道2035年交通預(yù)測量為762 evh/h，2043年交通預(yù)測量為1160 evh/h。具體計算參數(shù)為：隧道行車最高時速100 km/h，隧道斷面積71.43 m2，斷面當(dāng)量直徑8.68 m，沿程阻力系數(shù)取-0.02，隧址夏季氣溫取28℃；火災(zāi)工況下控制風(fēng)速為2.0 m/s～3.0 m/s，稀釋異味設(shè)計控制風(fēng)速≥1.5 m/s，正常行車設(shè)計控制風(fēng)速≤10 m/s（表2）。

表2 通風(fēng)計算參數(shù)

2.2 需風(fēng)量計算

觀音山隧道設(shè)計采用機械通風(fēng)。根據(jù)不同行車速度，從10 km/h～100 km/h以10 km/h為間隔計算每段行車速度所需風(fēng)量，需風(fēng)量包括稀釋煙塵需風(fēng)量（QVI）、稀釋一氧化碳所需風(fēng)量（QCO）、稀釋空氣異味的需風(fēng)量和火災(zāi)工況下需風(fēng)量。其中，各速度運行工況的設(shè)計需風(fēng)量（Qreq）取正常行車工況、阻滯工況、換氣工況的最大值，火災(zāi)工況需風(fēng)量根據(jù)隧道火災(zāi)臨界風(fēng)速計算（表3）。

表3 觀音山隧道各工況下需風(fēng)量

注：QVI為稀釋煙塵所需風(fēng)量，QCO為稀釋一氧化碳（CO）所需風(fēng)量，Qreq為各速度下運行工況需風(fēng)量，單位均為m3/s。

2035年，觀音山隧道在正常行車工況下左線、右線最大需風(fēng)量分別為285 m3/s和475 m3/s，在阻滯工況下左線、右線最大需風(fēng)量分別為285 m3/s和333 m3/s。2043年，在正常行車工況下左線、右線最大需風(fēng)量分別為285 m3/s和775 m3/s，在阻滯工況下左線、右線最大需風(fēng)量分別為328 m3/s和543 m3/s。2035年在換氣工況下需風(fēng)量為285 m3/s（左線）、287 m3/s（右線），火災(zāi)工況下需風(fēng)量為161 m3/s。2043年在換氣工況下需風(fēng)量為285 m3/s（左線）、287 m3/s（右線），火災(zāi)工況下需風(fēng)量為161 m3/s。

2.3 通風(fēng)設(shè)備選擇

觀音山隧道主線近遠期選用Φ1120、37 kW射流風(fēng)機，風(fēng)機流量≥31.5 m3/s，每個斷面安裝兩臺。施工現(xiàn)場突發(fā)意外，如洞內(nèi)出現(xiàn)火災(zāi)的情況下，火災(zāi)點處的風(fēng)機不能開啟，因此為滿足火災(zāi)工況時的通風(fēng)排煙、人員逃生，隧道所需安裝的風(fēng)機應(yīng)比計算的火災(zāi)工況下的風(fēng)機多出1組～2組做為備用風(fēng)機，以應(yīng)對緊急突發(fā)情況。根據(jù)《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細則》（JTG/T D 70/2－02－2014）要求，選擇的射流風(fēng)機臺數(shù)＞6組時，必須預(yù)留風(fēng)機總臺數(shù)15%的備用量。觀音山隧道2035年左線布置37 kW射流風(fēng)機18臺，右線布置24臺，共布置42臺，總功率1554 kW；2043年左線布置37 kW射流風(fēng)機22臺，右線布置60臺，共布置82臺，總功率為3034 kW（表4）。

表4 風(fēng)機配置表

注：風(fēng)機臺數(shù)已考慮15%備用風(fēng)機數(shù)量和火源點造成的風(fēng)機損失。遠期風(fēng)機臺數(shù)是指遠期共設(shè)置的臺數(shù)，數(shù)量已包含近期的風(fēng)機臺數(shù)。

3 通風(fēng)設(shè)備控制方式

通風(fēng)控制系統(tǒng)包括隧道監(jiān)控站內(nèi)計算機管理系統(tǒng)、區(qū)域控制器（PLC）和風(fēng)機安裝現(xiàn)場控制箱、風(fēng)速風(fēng)向檢測器、CO/VI檢測器、傳輸通道、風(fēng)機。通風(fēng)控制系統(tǒng)的控制原則根據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定制定。系統(tǒng)配備自檢功能，可隨時檢測CO/VI檢測器、風(fēng)速風(fēng)向檢測器，并檢測風(fēng)機工作狀態(tài)，在以上設(shè)備異常時發(fā)出警告和故障信息。風(fēng)機控制采用一拖一的軟啟動方式，即一臺軟啟動器控制一臺風(fēng)機；風(fēng)機具備正反轉(zhuǎn)切換功能，并能在系統(tǒng)軟啟動器損壞時直接啟動風(fēng)機。通風(fēng)系統(tǒng)以自動控制為主，必要時可用手動控制輔助。自動、手動控制結(jié)合可以在隧道管理站內(nèi)實現(xiàn)對射流風(fēng)機的遠程控制，檢修人員也能在現(xiàn)場對風(fēng)機進行起停、正反轉(zhuǎn)操作，以便于維護檢修風(fēng)機。

3.1 自動控制

通風(fēng)控制系統(tǒng)的自動控制由直接控制法、間接控制法和時序控制法共同作用。直接控制法是基于布置在隧道內(nèi)的傳感器（CO/VI檢測器、風(fēng)速風(fēng)向檢測器），檢測隧道內(nèi)一氧化碳濃度和煙塵濃度，并將信號傳輸給控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)控制風(fēng)機啟停、運轉(zhuǎn)。間接控制法依據(jù)隧道外的車輛檢測器、監(jiān)控等設(shè)備，記錄隧道內(nèi)交通流量及行車時速，并計算出實時的煙塵和一氧化碳濃度，反饋至系統(tǒng)控制風(fēng)量。時序控制法是參照隧道的管理經(jīng)驗，根據(jù)各個時間段估計的交通量和一氧化碳濃度、煙霧濃度，預(yù)設(shè)置程序控制風(fēng)機的運行狀態(tài)。三種控制方式相結(jié)合的方法調(diào)節(jié)風(fēng)機的工作狀況，給隧道供給新鮮風(fēng)量，并稀釋CO和煙塵的濃度，達到合理控制風(fēng)機，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保和維持風(fēng)機最佳運行狀態(tài)的效果。

3.2 手動控制

手動控制是控制系統(tǒng)對風(fēng)機進行聯(lián)動控制與單獨控制。聯(lián)動控制是通過手動操縱風(fēng)量的檔次按鈕控制風(fēng)機的風(fēng)量檔次，實現(xiàn)對風(fēng)機的聯(lián)動控制。單獨控制是指維護人員單獨控制每臺風(fēng)機的啟、停。手動控制也可繞過系統(tǒng)通過隧道內(nèi)的手工操作控制按鈕控制風(fēng)機，此方法也稱為就地控制，其目的是方便風(fēng)機的檢修測試。

4 通風(fēng)設(shè)備安裝維護

4.1 風(fēng)機安裝

安裝射流風(fēng)機前安裝風(fēng)機生產(chǎn)廠家提供的預(yù)埋件，預(yù)埋件安裝完成后，焊接風(fēng)機支架焊接做載荷試驗，要求支承強度大于實際載荷的15倍。預(yù)埋件接頭和連接件為防止銹蝕，需刷兩遍防銹底漆和面漆。需要注意的一點是，為減少風(fēng)機損失，安裝時各臺風(fēng)機的主風(fēng)流方向需保持與交通流方向相同，同時各風(fēng)機安裝位置在同一直線上且盡量靠近隧道走軸線。此外，風(fēng)機安裝時嚴(yán)禁磕碰，通風(fēng)設(shè)備安裝完畢后，應(yīng)進行單臺風(fēng)機性能測試。

4.2 風(fēng)機調(diào)試

風(fēng)機安裝完成后在啟動前應(yīng)檢查電壓范圍是否正常（通常為380 V，誤差±6%以內(nèi)），檢查葉輪轉(zhuǎn)動是否正常、葉頂間隙是否符合要求。同時清理干凈風(fēng)機內(nèi)和風(fēng)機附近的雜質(zhì)異物。風(fēng)機試機時檢查風(fēng)機葉輪是否按照標(biāo)牌所示方向旋轉(zhuǎn)，并檢查風(fēng)機的額定轉(zhuǎn)速和電路連接情況尤其是接地線和熔斷器，最后檢查風(fēng)機的震動情況。安裝完成后開啟風(fēng)機運轉(zhuǎn)半小時，再檢查其運行狀況，以上均無異常則風(fēng)機調(diào)試完成。

4.3 風(fēng)機運行

對于多組（多臺）風(fēng)機啟動或停止，為減少對電網(wǎng)的沖擊，每次適宜增加和減少風(fēng)機運行的臺數(shù)為一組2臺。每組風(fēng)機的啟動間隔時間不得低于30 s。風(fēng)機在正常運行中，首先應(yīng)注意電機電流，這是風(fēng)機載荷以及故障顯示的信號；其次，定期檢查風(fēng)機以及電機的振動情況，檢查是否存在摩擦或撞擊的異常聲響。在進行風(fēng)機檢修或反轉(zhuǎn)時，必須等待風(fēng)機葉輪完全停止后才可切斷電源或接通反向電源。風(fēng)機在正常運行中，當(dāng)出現(xiàn)以下異常情況必須立即停機檢查：電流突然增大超出正常范圍、振動異?；虺霈F(xiàn)撞擊聲、電機軸承溫度急劇上升等。

4.4 風(fēng)機維護

射流風(fēng)機的維護方面，需要定期清理風(fēng)機外表面，清理時嚴(yán)禁用水沖洗，在刷除積灰時須使用干燥的長毛刷。此外需要定期檢查風(fēng)機聯(lián)接的螺栓是否松動，如發(fā)現(xiàn)有松動跡象應(yīng)及時扭緊，定期給風(fēng)機外殼上的注油孔加注電機軸承潤滑油。

5 結(jié)束語

本文依托崇愛高速公路建設(shè)項目，對該高速公路中的觀音山隧道（特長隧道）的通風(fēng)進行設(shè)計計算，選擇滿足設(shè)計要求所需風(fēng)機，并在控制端與設(shè)備端探討了通風(fēng)系統(tǒng)的保障措施。通風(fēng)設(shè)備的控制為自動控制與手動控制相結(jié)合，在控制系統(tǒng)的程序中自動控制可在傳感設(shè)備的支持下對風(fēng)機自動控制調(diào)整，手動控制可人為對風(fēng)機的工況進行調(diào)整。同時通風(fēng)設(shè)備需按規(guī)定進行安裝、保養(yǎng)和維修，以保障通風(fēng)系統(tǒng)的正常工作。

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Study on Ventilation Methods and Safeguard Measures Technology for Extra Long Tunnels

Guanyinshan tunnel is a key project of Chongai expressway project of Guangxi Road Construction Engineering Group Co., Ltd. It is a two-way separated extra long tunnel with a total length of about 4 805 m. The project scale is huge and the construction conditions are complex. Combined with the actual situation and parameters of Guanyinshan tunnel project, this paper calculates the air volume required for ventilation and the number of ventilation equipment, designs the ventilation system of the tunnel, studies the safeguard measures of ventilation equipment from the two aspects of equipment control management and installation, and puts forward different suggestions from the aspects of fan installation, commissioning, operation and maintenance. This study can provide reference for ventilation of similar extra long tunnels.

extra long tunnels; ventilation design; safeguard measures; operation and maintenance

U45

A

1008-1151(2022)11-0030-03

2022-09-17

黃立潤（1997－），男，廣西路建工程集團有限公司二分公司水口－崇左（愛店口岸）段項目經(jīng)理部二分部質(zhì)檢工程師，從事工程質(zhì)檢工作。