扎尕梁特長公路隧道通風方案比選研究

李志鵬

(山西省交通科學研究院， 山西 太原 030006)

0 引言

目前，隨著國內公路隧道數量的不斷增加，單洞雙向行車特長公路隧道所占的比例也越來越大。與雙洞單向行車公路隧道相比，單洞雙向行車公路隧道發生火災的概率更大，根據相關統計分析大約要高40%[1]。

國外大部分單洞雙向特長公路隧道采用橫向或半橫向通風，全橫向和半橫向通風對于隧道通風排煙效果均是最好的選擇，其缺點是初期投資大、后期維護不便、運營費用高，新建的隧道已經很少采用這種方式。

而國內單洞雙向特長公路隧道主要采用平行導洞壓入式網絡通風，劉彤等[2]首次將平導送風型半橫向式通風系統運用于二郎山隧道(4 176 m)；曾艷華等[3-4]在鷓鴣山隧道(4 448 m)將該方案進行了優化；金文良等[5]應用隧道通風網絡解算程序,對雪峰山隧道的通風方案進行計算分析；彭偉等[6]基于行人與車輛單獨疏散的原則，依托二郎山隧道提出了具體的火災排煙和人車疏散方案；楊洪[7]依托白芷山隧道(6 710 m)，綜合采用理論分析、數值模擬、網絡分析等手段研究了平導壓入式網絡風流穩定性；嚴濤等[8]依托巴朗山隧道(7 954 m)研究了橫通道打開數量對通風網絡的影響；蔣琪[9]針對單洞雙向公路隧道研究了火災通風排煙控制策略；王明年等[10]、嚴濤[11]針對高海拔地區單洞雙向特長公路隧道研究了防災與通風節能技術；陳漢波[12]、屈建榮[13]、陳詩明[14]針對單洞雙向特長公路隧道研究了火災時人員疏散救援的問題。2014年7月《公路隧道通風設計細則》發布以后，要求縱向排煙的單洞雙向交通隧道在進行火災排煙設計時，應遵循火災煙霧在隧道內的最大行程不宜大于3 000 m的原則[15-16]，平行導洞壓入式網絡通風不適用于超過6 000 m的隧道。

隨著單洞雙向特長公路隧道運營經驗的積累，發現平行導洞壓入式網絡通風存在通風控制較復雜、通風網絡穩定性較差[7-8]、通風方案的適用性受限制等問題，對隧道的安全運營產生了一定的隱患。針對此類隧道是否有更好的通風方案，使得隧道的建設運營成本和人員安全達到很好的平衡，已成為設計人員必須認真研究的問題。

1 工程概況

舟曲立節至四川永和公路建設工程ZYZCB-2標段起點里程為K99+929，終點里程為K156+420，路線全長56.491 km。扎尕梁隧道屬于該路段的控制性工程，布設于舟曲縣博峪鄉扎尕梁，隧道起點里程為K123+066，終點里程為K128+848，總長5 782 m，最大埋深約965 m。隧道小樁號側坡度為1.9%，坡長4 705 m，設計標高2 463.437 m；大樁號側坡度為-0.5%，坡長1 640 m，設計標高2 535.762 m，變坡點在K127+675處。

根據《舟曲立節至四川永和公路建設工程可行性研究報告》對交通量的預測，扎尕梁隧道路段近、遠期預測交通量換算結果見表1。車型組成及比例見表2。

表1 隧道交通量計算

表2 車型組成及比例

扎尕梁隧道的主要技術參數如下： 1)道路等級為三級公路； 2)交通方式為雙向兩車道交通； 3)設計行車速度為40 km/h； 4)交通量方向不均勻系數為0.52； 5)設計高峰小時交通量系數為0.12； 6)隧道斷面面積為57.85 m2，周長為19.29 m； 7)隧道風速不宜大于10 m/s。

2 需風量的計算

確定需風量時，應對稀釋煙塵、CO按40、30、20、10 km/h的行車速度工況分別進行計算，并計算交通阻滯、換氣和火災工況的需風量，取其較大者作為設計需風量，阻滯段按每車道長度1 000 m計算。

2.1 稀釋煙塵基準排放量

2000年的機動車尾排有害氣體中煙塵的基準排放量取2.0 m2/(veh·km)。可分別得出本項目隧道設計近期2025年煙塵的基準排放量為2×(1-0.02)25；設計遠期2032年煙塵的基準排放量為2×(1-0.02)30。

2.2 稀釋CO基準排放量

正常交通時，2000年的機動車尾排有害氣體中CO的基準排放量應取0.007 m3/(veh·km);交通阻滯時車輛按照怠速考慮，2000年的機動車尾排有害氣體中CO的基準排放量應取0.015 m3/(veh·km)，且阻滯段的計算長度不宜大于1 000 m。

本項目中，設計近期2025年CO的基準排放量為0.007×(1-0.02)25；設計遠期2032年CO的基準排放量為0.007×(1-0.02)30。

2.3 隧道換氣需風量

隧道換氣需風量應按照以下公式進行計算:

(1)

式中：Qreq(ac)為隧道換氣需風量，m3/s；Ar為隧道凈空斷面積，m2；l為隧道長度，m;ns為隧道最小換氣頻率，次/h。

2.4 火災工況需風量

火災工況需風量按照以下公式進行計算:

Qreq(f)=vf·Ar。

(2)

式中：Qreq(f)為火災工況需風量，m3/s；vf為火災控制風速,m/s。

2.5 需風量計算結果

通過計算得到扎尕梁隧道設計近期和設計遠期對應的設計需風量見表3。由表3可知，該隧道近、遠期的控制工況均為稀釋異味工況(即換氣工況)，所以通風系統按照稀釋異味需風量一次設計，一次實施。

表3設計近、遠期隧道對應不同控制指標的設計需風量

Table 3 Air demand for different control indicators in the short and long term

m3/s

3 通風計算

通風系統中，風機及交通通風力提供的風量和風壓應滿足需風量和克服通風阻力的要求。

1)隧道自然通風力： 扎尕梁隧道將自然通風力作為隧道通風阻力考慮；自然風作用引起的洞內風速取3.0 m/s。

2)隧道交通通風力： 扎尕梁隧道是雙向交通隧道，交通通風力作為阻力考慮，并按設計車速以下各工況車速分別計算。

3)隧道通風摩阻力與風道損失： 在具體計算過程中取值，根據隧道不同部位、不風道形式、角度等取值也不同。

4)隧道火災排煙工況： 考慮火風壓的影響。

5)射流風機升壓力： 采用全射流縱向通風方式時，在隧道內風流穩定情況下，射流風機增加的風壓與隧道內的自然通風力、交通通風力和隧道通風阻力相平衡。

4 通風方案

4.1 合流型通風井排出式+射流風機縱向通風(方案1)

根據表3的計算結果可知，扎尕梁隧道近、遠期的需風量均由稀釋異味的需風量決定。由于近、遠期扎尕梁隧道的控制需風量均為稀釋異味的需風量372.17 m3/s，所以將372.17 m3/s作為設計需風量，通風系統一次設計，一次實施。通過計算可知，扎尕梁隧道采用全射流風機縱向通風即可滿足正常運營工況下的通風要求，需要射流風機32臺。考慮到火災煙霧在隧道內的最大行程不宜大于3 000 m，故需設置1處通風井。

扎尕梁隧道山體較寬厚，地形復雜，埋深較大，通風井與主洞的交叉位置只能位于隧道中段218 m范圍內(K125+848～K126+066)，此范圍內隧道的埋深在881.361～933.820 m。如果設置豎井，豎井深度過大，施工困難，無便道，不論從施工安全還是工程造價考慮均無有利條件，且該區域處于自然環境保護核心區，不能辦理施工手續，所以放棄豎井方案;如果設置斜井，斜井稍長，施工難度一般，有可利用的便道。故結合扎尕梁隧道地形、地質、幾何線形、工程經濟等多方面因素，在隧道K126+000處設置1處排風斜井，將隧道分為2 934 m和2 848 m 2段，保證該隧道火災排煙要求。

扎尕梁隧道通風方案1將斜井用于正常通風及火災排煙，故采用合流型通風斜井排出式+射流風機縱向通風，通風區段劃分為2段。為了滿足人員逃生及救援需要，在隧道主洞的北側設置平行導洞，并設置間距不超500 m的橫通道。通風方案1如圖1所示。

圖1 扎尕梁隧道通風方案1平面示意圖

該方案斜井長度為1 760 m，坡度為12%，凈空斷面積為27.98 m2，隧道軸流風機房采用地上風機房。斜井及風道參數見表4。

表4 扎尕梁隧道斜井及風道參數(方案1)

射流風機選用直徑1 120 mm、單機功率30 kW的雙向射流風機；送、排風機采用大風量、低風壓、靜葉可調的軸流風機。

軸流風機功率的計算應結合風機的風壓、風量的特點，選用的軸流風機經濟、可行，并考慮一定的富余。通過計算，軸流風機裝載總功率為827.3 kW，選用3臺280 kW的軸流風機；同時，隧道主洞需要再設置20臺射流風機進行調壓。當隧道內發生火災時，為保證隧道火災臨界風速為3 m/s，在不開啟軸流風機的情況下，以射流風機提供推力，對火災工況進行驗算，需要設置射流風機16臺。最后得出整個隧道通風系統風機配置見表5。

表5 扎尕梁隧道風機配置(方案1)

4.2 平行導洞壓入式網絡通風(方案2)

扎尕梁隧道通風方案2利用在隧道北側設置的平行導洞進行通風、排煙。導洞的兩端分別設置1處風機房，內置軸流送風機220 kW各1臺，主洞設置30 kW調壓射流風機20臺。正常運營工況下，軸流風機將洞外的新鮮空氣通過平行導洞和橫通道均勻地送入隧道主洞中，主洞風流方向在中間部位的6#橫通道處一分為二，分別向隧道入口和出口方向送風。

火災工況時，隧道主洞作為排煙通道，排煙方式為分段排煙，煙霧在隧道中的行程為2 900 m和2 849 m，均滿足規范要求，人員則通過平行導洞進行疏散逃生。剛開始疏散階段軸流風機應調小風量，滿足橫通道內的風壓為正壓即可；確定人員撤離完畢后，進入排煙階段可調大風量，消防人員可從主洞一端進入火災現場進行專業滅火。

事故工況時，救援車輛可以通過平行導洞進入隧道事故地點進行快速處理，避免人員在隧道內滯留時間過久。通風方案2如圖2所示。

圖2 扎尕梁隧道通風方案2平面示意圖

通風方案2通風系統風機配置見表6。

表6 扎尕梁隧道風機配置表(方案2)

4.3 射流風機縱向通風+斜井分段排煙(方案3)

扎尕梁隧道通風方案3在正常運營工況時主洞采用射流風機縱向通風，火災工況時利用排煙斜井進行排煙，并利用平行導洞進行人員的疏散逃生和救援。通風方案3如圖3所示。

該通風方案在運營工況時，通過32臺射流風機縱向通風來滿足隧道新鮮空氣的補給；火災工況時利用斜井分段排煙來實現火災煙霧在隧道內的最大行程不大于3 000 m的要求，平行導洞可以滿足人員疏散逃生及救援的要求。

圖3 扎尕梁隧道通風方案3平面示意圖

該方案排煙斜井長度為1 760 m，坡度為12%，凈空斷面積為13.35 m2，隧道軸流風機房采用地上風機房。斜井及風道參數見表7。

通過計算得到軸流風機裝載總功率為327.4 kW，選用2臺180 kW的軸流風機；同時，隧道主洞需要再設置16臺射流風機進行調壓。最后得出整個隧道通風系統風機配置見表8。

表7 扎尕梁隧道斜井及風道參數(方案3)

表8 扎尕梁隧道風機配置表(方案3)

4.4 方案比選

下面主要從土建費用、機電設備初期投資、運營電費、通風控制、通風網絡穩定性、通風方案的適用性以及管理維護幾個方面對扎尕梁隧道的通風方案進行比選,土建費用主要包括通風斜井(排煙斜井)、聯絡風道、風機房和便道的費用比較。比較結果見表9。

表9 土建費用比較表

機電設備初期投資主要考慮射流風機和軸流風機的初期投資；運營用電費按照20年，每年按365 d，每天風機平均運行時間為10 h，電費1.0元/(kW·h)計算。通風方案比選計算結果見表10。

表10 通風方案比選計算結果表

由表10可知： 1)方案1的特點是采用合流型通風井排出式通風，平行導洞作為人員疏散及救援的通道。該方案的優點是通風方案較成熟，通風網絡穩定性好，通風控制及管理維護比較容易；但是其斜井主要作用為運營通風，斷面較大，導致初期投資和運營費用均較高。

2)方案2的特點是將新鮮空氣通過平行導洞和橫通道壓入主洞，分段通風、排煙，平行導洞同時作為人員疏散及救援的通道。該方案優點是可以取消斜井，大大降低土建工程投資。但是缺點是風孔開啟大小及風孔風量的控制困難，通風網絡的穩定性較差[7-8]；且火災工況時洞內自然風對通風網絡影響較大，有一定的安全隱患，通風后期的管理維護較難；該方案只能分2段排煙，只適用于6 000 m以下的隧道，不適用于超過6 000 m的隧道。

3)方案3的特點是運營工況以射流風機縱向通風為主，斜井只需要考慮排煙風量，平行導洞作為人員疏散及救援的通道。其優點是主洞射流風機縱向通風方式成熟，斜井的斷面較方案1可以減小一半，土建費用投資減少，通風網絡穩定性好，通風控制及管理維護比較容易，軸流風機只需要在火災工況開啟，運營電費最省、安全性最高。

通過比選，扎尕梁隧道通風方案3土建費用適中，機電設備初期投資較低，后期運營電費最少，通風控制及管理維護容易，網絡穩定性好，因此將其作為推薦方案。本項目由于地形條件所限，又處于自然環境保護核心區，造成斜井過長，前期土建費用較大，如果其他類似隧道地形條件允許，可縮短斜井長度，推薦方案的優勢將更加明顯。

5 結論與建議

本文針對扎尕梁特長公路隧道的特點，提出3種通風方案，并通過方案比選，推薦射流風機縱向通風+斜井分段排煙為最優方案。推薦通風方案的特點為： 利用射流風機運營通風，利用排煙井分段排煙，利用平行導洞疏散救援各司其職。該研究主要解決了以下3個問題。

首先，采用縱向通風，避免網絡通風控制復雜、網絡穩定性差帶來的安全隱患；其次，利用排煙井分段排煙，可根據排煙區段要求增設排煙井，不受隧道長度的影響，解決了平導壓入式排煙方式只能分2段排煙(只適合6 000 m以下隧道)的問題；最后，利用平行導洞疏散救援，解決了單洞隧道疏散救援難的問題。

建議此類隧道在后期運營階段，根據實際交通量及自然風進一步研究其節能及安全疏散救援的問題。