蒙山特長公路隧道通風方案設計

李志鵬

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

1 工程概況

蒙山隧道是位于山西省陽泉至左權高速公路的特長公路隧道。隧道區域地處昔陽縣建都村和鳳居村之間，地形十分破碎，溝壑縱橫，山多樹少，巖石裸露。左洞洞體全長5665 m，進口段里程樁號為ZK20+880，洞口底板設計高程為882.8 m，出口段里程樁號為ZK26+545，洞口底板設計高程為975.2 m，洞體最大埋深313.4 m，位于ZK23+620。右洞洞體全長5613 m，進口段里程樁號為YK20+875，洞口底板設計高程為882.7 m，出口段里程樁號為YK26+488，洞口底板設計高程為975.2 m，洞體最大埋深273.8 m，位于YK25+380。隧道設計參數表如表1所示。

表1 蒙山隧道設計參數表

主要設計參數如下：

a）道路等級 高速公路；

b）交通方式 雙洞四車道單向交通；

c）設計行車車速 80 km/h；

d）交通量方向不均勻系數 0.51；

e）設計高峰小時交通量系數 0.14；

f）設計年限 近期為2025年，遠期為2033年；

g）隧道斷面 分離式雙洞，斷面面積62.79 m2，周長31.95 m；

h）控制風速 隧道風速，2.5≤v＜10 m/s。

2 通風標準

公路隧道的通風原理是通過向隧道內注入新鮮空氣，稀釋洞內由汽車排出的廢氣和煙霧，使得隧道內的空氣質量和煙霧透過率能保證司乘人員的身體健康和行車安全。然而，隧道內的廢氣總量和煙霧濃度與汽車的排污強度以及隧道內的車流密度成正比，而送入隧道內的新風量又取決于隧道內的安全標準（稀釋煙塵）、衛生標準（稀釋CO）和舒適性標準（稀釋異味）。另外，長度大于1000 m的高速公路隧道應考慮火災工況下的防煙與排煙。

2.1 煙霧設計濃度

表2 煙霧設計濃度K

2.2 CO設計濃度

根據公路隧道通風照明設計規范（JTJ 026.1—1999），隧道正常運營時，長度小于1000 m的隧道，CO設計濃度取300 ppm，長度大于3000 m的隧道，CO設計濃度取250 ppm，長度為1000～3000 m的隧道CO設計濃度采用插值法取值。隧道內發生交通阻滯時，阻滯段平均車速取10 km/h，阻滯段的平均CO設計濃度取300 ppm，經歷時間不超過20 min。阻滯段長度取1 km，其余長度正常運營段工況車速取40 km/h。

2.3 稀釋空氣中異味

根據公路隧道通風照明設計規范（JTJ 026.1—1999），隧道空間不間斷換氣頻率不宜低于每小時5次；交通量較小或特長隧道，可采用每小時3～4次。本次設計根據蒙山隧道的規模以及交通量的分布，每小時換氣取3次。

2.4 火災工況

根據公路隧道通風照明設計規范（JTJ 026.1—1999）火災時排煙風速按Vr=2.0～3.0 m/s取值。根據隧道的規模以及交通量的分布，蒙山隧道火災時排煙風速取3.0 m/s。

3 交通流組成

根據《陽泉至左權公路工程可行性研究報告》對交通量的預測，隧道的近、遠期交通量見表3，車型分布情況見表4，車型折算系數見表5。隧道的高峰小時交通量見表6。

表3 蒙山隧道近（遠）期交通量 pcu/d

表4 各種類型車輛實際所占比例 %

表5 車型折算系數表

表6 蒙山隧道高峰小時交通量 veh/h

4 需風量計算

隧道需風量的計算，以2025年為近期，2033年為遠期，行車速度分別按 80 km/h、60 km/h、40 km/h、20 km/h以及交通阻塞（10 km/h）時的工況，并按稀釋煙霧濃度、稀釋CO、稀釋空氣異味和考慮火災工況4種要求，分別計算需風量。

4.1 需風量計算方法

4.1.1 稀釋煙霧濃度的需風量

隧道內的煙霧排放量計算公式為：

稀釋煙霧的需風量計算公式為：

4.1.2 稀釋CO的需風量

隧道內的CO排放量計算公式為：

稀釋CO的需風量計算公式為：

4.1.3 稀釋空氣中異味的需風量

隧道內稀釋空氣異味的需風量計算公式為：

4.1.4 考慮火災時排煙的需風量

4.2 隧道需風量計算

煙霧基準排放量和CO基準排放量以1995年為起點（qvi=2.5 m3/輛·km，qco=0.01 m3/輛·km），并按每年1.8%的遞減率計算獲得的排放量作為設計年限的基準排放量。

根據隧道的長度、隧道線形、高峰小時交通量、汽油車和柴油車的車輛構成等，按照取定的煙霧和CO設計濃度值，計算隧道不同行車速度工況及交通阻滯狀態下的需風量。計算結果如表7—表10所示。

表7 稀釋煙霧的需風量計算結果 m3/s

表8 稀釋CO的需風量計算結果 m3/s

表9 稀釋空氣中異味的需風量計算結果

表10 考慮火災時排煙的需風量計算結果

4.3 需風量計算匯總

根據上述計算結果可以看到：蒙山隧道的需風量由稀釋煙霧的需風量決定，但考慮到交通阻塞及火災控制風速要求，隧道需風量見表11所示。

表11 蒙山隧道需風量取值結果

注：隧道按照全射流縱向通風方式計算風速。

5 通風方案

5.1 通風方案設計原則

a）先期建設投資與后期運營費用并重原則。

b）近、遠期工程相結合的原則。

c）正常運營和防災救災相結合的原則。

5.2 蒙山隧道通風方案一

蒙山隧道右洞近、遠期最大風速均大于10 m/s，超過規范對最大風速的要求，結合隧道地形、地質、幾何線形、縱坡、工程經濟等多方面因素，并考慮該隧道防災救災需要，隧道右洞采用豎井分段送排式縱向式通風。

如圖1所示，在YK23+683處設置一豎井，豎井長度260.66 m，直徑7.5 m，距離右洞出口2805 m。該豎井中間設置隔板，將其分為送風井和排風井，隧道內布置射流風機調壓。

圖1 蒙山隧道通風方案一示意圖

蒙山隧道左洞采用全射流風機縱向通風。結合蒙山隧道右洞豎井送排式通風，隧道左洞排煙通道與右洞通風道相對應。排煙通道位于ZK23+681處，與右洞排風道相連。

由上述通風分段方案進一步計算出蒙山隧道分段縱向通風各區段的需風量、風速、風壓等，從而確定風機的配置及通風系統工程量。

5.3 蒙山隧道通風方案二

方案二如圖2所示，在YK23+886處設置一豎井，豎井長度137.23 m，直徑7.5 m，距離右洞出口2602 m。該豎井中間設置隔板，將其分為送風井和排風井，隧道內布置射流風機調壓。

圖2 蒙山隧道通風方案二示意圖

結合蒙山隧道右洞豎井送排式通風，蒙山隧道左洞排煙通道與右洞通風道相對應。排煙通道位于ZK23+886處，與右洞排風道相連。

同樣，由上述通風分段方案進一步計算出蒙山隧道分段縱向通風各區段的需風量、風速、風壓等，從而確定風機的配置及通風系統工程量。

5.4 蒙山隧道通風方案比選

通過整理分析統計計算結果，表12—表14給出了方案一、方案二的近、遠期風機配置及豎井、風道工程規模。

表12 蒙山隧道近期風機配置規模

表13 蒙山隧道遠期風機配置規模

表14 蒙山隧道豎井、風道土建工程量對比

方案一基本上把蒙山隧道左右兩個洞平分成4個區段，優點是通風區段劃分合理，排煙效果好；缺點是工程造價高，后期運營費用高。

方案二把豎井及風道位置整體向大樁號方向偏移了200 m左右，同樣將兩個洞分成4個區段，優點是工程造價較低，后期的運營費用較低，缺點是排煙效果不及方案一。

上述兩方案從技術上均可行，結合隧址區域地形、地質、水文條件以及豎井、風道的土建規模和運營費用，確定方案二為推薦方案。

6 結論

根據蒙山隧道的特點，對通風系統進行了設計，提出了兩種通風方案，通過綜合比較計算，采用了豎井分段送排式縱向通風方案。本通風方案具有先期建設投資低，通風及排煙效果好，防火救災功能區域劃分合理，運營成本低等特點。推薦通風方案對類似隧道工程的設計具有參考和指導意義。