蒙山特長公路隧道通風(fēng)方案設(shè)計

李志鵬

（山西省交通科學(xué)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(quán)高速公路的特長公路隧道。隧道區(qū)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(jìn)口段里程樁號為ZK20+880，洞口底板設(shè)計高程為882.8 m，出口段里程樁號為ZK26+545，洞口底板設(shè)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(jìn)口段里程樁號為YK20+875，洞口底板設(shè)計高程為882.7 m，出口段里程樁號為YK26+488，洞口底板設(shè)計高程為975.2 m，洞體最大埋深273.8 m，位于YK25+380。隧道設(shè)計參數(shù)表如表1所示。

表1 蒙山隧道設(shè)計參數(shù)表

主要設(shè)計參數(shù)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(shè)計行車車速 80 km/h；

d）交通量方向不均勻系數(shù) 0.51；

e）設(shè)計高峰小時交通量系數(shù) 0.14；

f）設(shè)計年限 近期為2025年，遠(yuǎn)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(fēng)速 隧道風(fēng)速，2.5≤v＜10 m/s。

2 通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)

公路隧道的通風(fēng)原理是通過向隧道內(nèi)注入新鮮空氣，稀釋洞內(nèi)由汽車排出的廢氣和煙霧，使得隧道內(nèi)的空氣質(zhì)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(nèi)的廢氣總量和煙霧濃度與汽車的排污強(qiáng)度以及隧道內(nèi)的車流密度成正比，而送入隧道內(nèi)的新風(fēng)量又取決于隧道內(nèi)的安全標(biāo)準(zhǔn)（稀釋煙塵）、衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（稀釋CO）和舒適性標(biāo)準(zhǔn)（稀釋異味）。另外，長度大于1000 m的高速公路隧道應(yīng)考慮火災(zāi)工況下的防煙與排煙。

2.1 煙霧設(shè)計濃度

表2 煙霧設(shè)計濃度K

2.2 CO設(shè)計濃度

根據(jù)公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范（JTJ 026.1—1999），隧道正常運(yùn)營時，長度小于1000 m的隧道，CO設(shè)計濃度取300 ppm，長度大于3000 m的隧道，CO設(shè)計濃度取250 ppm，長度為1000～3000 m的隧道CO設(shè)計濃度采用插值法取值。隧道內(nèi)發(fā)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(shè)計濃度取300 ppm，經(jīng)歷時間不超過20 min。阻滯段長度取1 km，其余長度正常運(yùn)營段工況車速取40 km/h。

2.3 稀釋空氣中異味

根據(jù)公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)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(shè)計根據(jù)蒙山隧道的規(guī)模以及交通量的分布，每小時換氣取3次。

2.4 火災(zāi)工況

根據(jù)公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范（JTJ 026.1—1999）火災(zāi)時排煙風(fēng)速按Vr=2.0～3.0 m/s取值。根據(jù)隧道的規(guī)模以及交通量的分布，蒙山隧道火災(zāi)時排煙風(fēng)速取3.0 m/s。

3 交通流組成

根據(jù)《陽泉至左權(quán)公路工程可行性研究報告》對交通量的預(yù)測，隧道的近、遠(yuǎn)期交通量見表3，車型分布情況見表4，車型折算系數(shù)見表5。隧道的高峰小時交通量見表6。

表3 蒙山隧道近（遠(yuǎn)）期交通量 pcu/d

表4 各種類型車輛實(shí)際所占比例 %

表5 車型折算系數(shù)表

表6 蒙山隧道高峰小時交通量 veh/h

4 需風(fēng)量計算

隧道需風(fēng)量的計算，以2025年為近期，2033年為遠(yuǎn)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(zāi)工況4種要求，分別計算需風(fēng)量。

4.1 需風(fēng)量計算方法

4.1.1 稀釋煙霧濃度的需風(fēng)量

隧道內(nèi)的煙霧排放量計算公式為：

稀釋煙霧的需風(fēng)量計算公式為：

4.1.2 稀釋CO的需風(fēng)量

隧道內(nèi)的CO排放量計算公式為：

稀釋CO的需風(fēng)量計算公式為：

4.1.3 稀釋空氣中異味的需風(fēng)量

隧道內(nèi)稀釋空氣異味的需風(fēng)量計算公式為：

4.1.4 考慮火災(zāi)時排煙的需風(fēng)量

4.2 隧道需風(fēng)量計算

煙霧基準(zhǔn)排放量和CO基準(zhǔn)排放量以1995年為起點(diǎn)（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(shè)計年限的基準(zhǔn)排放量。

根據(jù)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(gòu)成等，按照取定的煙霧和CO設(shè)計濃度值，計算隧道不同行車速度工況及交通阻滯狀態(tài)下的需風(fēng)量。計算結(jié)果如表7—表10所示。

表7 稀釋煙霧的需風(fēng)量計算結(jié)果 m3/s

表8 稀釋CO的需風(fēng)量計算結(jié)果 m3/s

表9 稀釋空氣中異味的需風(fēng)量計算結(jié)果

表10 考慮火災(zāi)時排煙的需風(fēng)量計算結(jié)果

4.3 需風(fēng)量計算匯總

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

表11 蒙山隧道需風(fēng)量取值結(jié)果

注：隧道按照全射流縱向通風(fēng)方式計算風(fēng)速。

5 通風(fēng)方案

5.1 通風(fēng)方案設(shè)計原則

a）先期建設(shè)投資與后期運(yùn)營費(fèi)用并重原則。

b）近、遠(yuǎn)期工程相結(jié)合的原則。

c）正常運(yùn)營和防災(zāi)救災(zāi)相結(jié)合的原則。

5.2 蒙山隧道通風(fēng)方案一

蒙山隧道右洞近、遠(yuǎn)期最大風(fēng)速均大于10 m/s，超過規(guī)范對最大風(fēng)速的要求，結(jié)合隧道地形、地質(zhì)、幾何線形、縱坡、工程經(jīng)濟(jì)等多方面因素，并考慮該隧道防災(zāi)救災(zāi)需要，隧道右洞采用豎井分段送排式縱向式通風(fēng)。

如圖1所示，在YK23+683處設(shè)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(shè)置隔板，將其分為送風(fēng)井和排風(fēng)井，隧道內(nèi)布置射流風(fēng)機(jī)調(diào)壓。

圖1 蒙山隧道通風(fēng)方案一示意圖

蒙山隧道左洞采用全射流風(fēng)機(jī)縱向通風(fēng)。結(jié)合蒙山隧道右洞豎井送排式通風(fēng)，隧道左洞排煙通道與右洞通風(fēng)道相對應(yīng)。排煙通道位于ZK23+681處，與右洞排風(fēng)道相連。

由上述通風(fēng)分段方案進(jìn)一步計算出蒙山隧道分段縱向通風(fēng)各區(qū)段的需風(fēng)量、風(fēng)速、風(fēng)壓等，從而確定風(fēng)機(jī)的配置及通風(fēng)系統(tǒng)工程量。

5.3 蒙山隧道通風(fēng)方案二

方案二如圖2所示，在YK23+886處設(shè)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(shè)置隔板，將其分為送風(fēng)井和排風(fēng)井，隧道內(nèi)布置射流風(fēng)機(jī)調(diào)壓。

圖2 蒙山隧道通風(fēng)方案二示意圖

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

同樣，由上述通風(fēng)分段方案進(jìn)一步計算出蒙山隧道分段縱向通風(fēng)各區(qū)段的需風(fēng)量、風(fēng)速、風(fēng)壓等，從而確定風(fēng)機(jī)的配置及通風(fēng)系統(tǒng)工程量。

5.4 蒙山隧道通風(fēng)方案比選

通過整理分析統(tǒng)計計算結(jié)果，表12—表14給出了方案一、方案二的近、遠(yuǎn)期風(fēng)機(jī)配置及豎井、風(fēng)道工程規(guī)模。

表12 蒙山隧道近期風(fēng)機(jī)配置規(guī)模

表13 蒙山隧道遠(yuǎn)期風(fēng)機(jī)配置規(guī)模

表14 蒙山隧道豎井、風(fēng)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(qū)段，優(yōu)點(diǎn)是通風(fēng)區(qū)段劃分合理，排煙效果好；缺點(diǎn)是工程造價高，后期運(yùn)營費(fèi)用高。

方案二把豎井及風(fēng)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(qū)段，優(yōu)點(diǎn)是工程造價較低，后期的運(yùn)營費(fèi)用較低，缺點(diǎn)是排煙效果不及方案一。

上述兩方案從技術(shù)上均可行，結(jié)合隧址區(qū)域地形、地質(zhì)、水文條件以及豎井、風(fēng)道的土建規(guī)模和運(yùn)營費(fèi)用，確定方案二為推薦方案。

6 結(jié)論

根據(jù)蒙山隧道的特點(diǎn)，對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，提出了兩種通風(fēng)方案，通過綜合比較計算，采用了豎井分段送排式縱向通風(fēng)方案。本通風(fēng)方案具有先期建設(shè)投資低，通風(fēng)及排煙效果好，防火救災(zāi)功能區(qū)域劃分合理，運(yùn)營成本低等特點(diǎn)。推薦通風(fēng)方案對類似隧道工程的設(shè)計具有參考和指導(dǎo)意義。