北嶺隧道地下風機房及風機聯控方案探討

林同龍

(福州海峽建設發展有限責任公司，福州 350004)

北嶺隧道為特長隧道， 原隧道通風方案采用分段縱向通風(排煙)模式，按照射流風機+通風豎井+地面風機房方案進行送風和排風， 因地面風機房位于國家森林公園中，屬于生態敏感區，且地處偏遠山區，為國網電網覆蓋末端盲區，就近電網無法增容擴容，無法滿足地面風機房及軸流風機一級用電負荷要求，需另行架設兩回路10 kV 的外供電專線，專線線路需穿越森林保護區，受用地指標控制及環保要求影響， 及民眾環保意識理念不斷提升， 地面風機房及外供電專線走廊占用地報批及征收工作持續受阻， 停滯不前， 無法滿足地面風機房實施條件，已嚴重影響工程按期建成通車，由于民眾對完善城區北向交通路網，緩解交通壓力及日常出行便利有相當迫切的需求，若工程未按期建成通車，將產生消極、負面的社會影響， 同時也將對城區北翼經濟組團的實現產生不利影響。 鑒此，對原隧道通風替代方案研討，以及減少占用地、消除社會環境影響、施工難度及風險、維護管理、工程造價等方面綜合研究有相當緊迫性需求，且目前隧道地下風機房的各項技術研究已日趨成熟，突破了各項施工技術壁壘， 本項目調整通風方案為地下風機房已具備了實施條件， 現僅結合本項目地勘資料及隧道通風設計相關規范， 對本隧道地下風機房方案、通風衛生標準、風機供電方式、風機聯控方案等各方面進行探討。

1 工程概況

北嶺隧道屬于特長隧道，隧址區位于國家森林公園，為城區北向交通路網的重要組成部分，以客、貨運機動車通行為主，按照二級公路兼城市主干路公路標準建設，采用雙洞六車道，設計時速為60 km/h，其中隧道右洞全長7983 m，采用縱向上坡0.6%，下坡-0.727%的人字坡；左洞全長7915 m，采用縱向上坡0.6%，下坡-0.728%的人字坡，隧道全縱向通風方案采用射流風機+豎井送排式組合模式，在隧道右洞右側設置2 座通風豎井，用于隧道左右洞基本段送風和排風。

2 地下風機房方案

2.1 隧道通風設定標準

本隧道以客、貨運機動車通行為主，隧道內空氣污染物以機動車排放的CO 和煙霧為主， 按照公路隧道通風設計細則， 以2000 年度為基準年，CO 基準排放量為0.007 m3/輛·km，煙霧基準排放量為2.0 m3/輛·km，按年遞減率2%計算：2025 年度及以后，CO 排放量為0.003～0.004 m3/輛·km，煙霧基準排放量為1.1～1.2 m3/輛·km，計算如表1。 根據項目工程可行性研究報告中預測交通車流量測算隧道空氣污染物含量， 為確保各隧道營運工況下CO、煙濃度符合公路隧道通風標準要求，采用不間斷換氣稀釋隧道內空氣中異味，換氣頻率按不低于3 次/h，換氣風速按不小于2.5 m/s 標準設定，計算如表2。

表1 污染物排放量計算

表2 通風衛生標準

2.2 地下風機房土建方案

擬建地下風機房位于隧道右洞右側與通風豎井之間，原通風豎井位置不變，風機房位置地質圍巖為III 級，為凝灰熔巖，無斷裂帶，地質穩定。 總體地下風機房方案包含2 座排風機房、2 座送風機房、1 間設備房、主洞連接送排風道、豎井聯絡送排風道及相關配套運輸、人行通道等設施。 其中左洞送風機房通過送風道與左洞吊頂送風道相連，通過聯絡送風道與左洞豎井連接，左洞排風機房通過排風道與左洞主洞相連， 通過聯絡排風道與左洞豎井連接； 右洞送風機房通過送風道與右洞吊頂送風道相連，通過聯絡送風道與右洞豎井連接，右洞排風機房通過排風道與右洞主洞相連， 通過聯絡排風道與右洞豎井連接；各風機房之間設置設備運輸通道及人員通道，風機房用于安裝4 臺軸流風機(3 備1)，設備房用于安裝高低壓柜、變壓器、風機變頻起動控制柜、PLC 等機電設施，地下風機房土建方案見圖1。

圖1 隧道地下機房土建方案圖

2.3 隧道整體通風方案

本隧道通風方案采用分段縱向通風， 設定同時有且僅有一處火災進行設計， 火災發熱量按30 MW 考慮，火災臨界風速取3.0 m/s，為滿足上述通風設定標準，射流風機(單機功率為37 kW)按每個斷面2 臺為一組，組距150 m 布設， 其中左洞入口段0～550 m 段內布設4 組射流風機，基本段3058～3358 m 段內布設3 組射流風機，基本段3558～3646 m 段為豎井送排風(布設4 臺單機功率220 kW 軸流排風機及4 臺單機功率335 kW 軸流送風機)，出口段6866～7916 m 段內布設7 組射流風機，功率總計3256 kW； 右洞入口段0～600 m 內布設5 組射流風機，基本段4053～4203 m 段內布設2 組射流風機，基本段4403～4491 m 段為豎井送排風(布設4 臺單機功率200 kW 軸流排風機及4 臺單機功率220 kW 軸流送風機)，出口段6933～7983 m 段內布設7 組射流風機， 功率總計2716 kW，隧道總體通風方案布置如圖2。

2.4 風機供電方案

圖2 隧道總體通風布置圖

本隧道通風排煙風機為一級負荷， 采用兩路10 kV電源供電，隧道兩側電網變電站負荷容量充足，可滿足隧道用電容量需求， 第一回路10 kV 電源可由右洞入口側的電網變電站引入，由1# 橫道變電所沿著隧道電纜溝敷設至2# 及3# 橫洞變電所、 風機設備房、4# 橫洞變電所直到5# 橫洞變電所；第二回路電源由左洞入口側的電網變電站引入， 由5# 橫道變電所沿著隧道電纜溝敷設至4# 橫洞變電所、 風機設備房、3# 及4# 橫洞變電所直到1# 橫洞變電所變電站負荷容量充足， 采用兩回路10 kV電源高壓和低壓互備高可靠雙保險模式， 滿足隧道一級負荷用電需求， 其中射流風機的低壓供配電系統由隧道內橫道變配電所采用0.4 kV 放射式供電方式，射流風機起動及運行由風機軟起動控制柜控制； 軸流風機的供配電系統由地下風機設備房采用0.4 kV 點對點供電方式， 軸流風機起動及運行由風機變頻起動控制柜進行控制。

2.5 風機聯控方案

隧道風機控制采用本地控制和遠程控制結合模式，遠程控制網絡由隧道監控系統網絡及通信系統網絡組成，隧道監控系統網絡由設置在橫洞和風機設備房內工業級交換機通過8 芯光纜進行環形組網，通過交換機下設PLC，由PLC 控制風機軟啟動柜及變頻啟動控制柜實現風機聯動工作。 在遠端管養中心設置風機控制服務器，可通過通信系統實現對風機實時狀態監控，即可實現地下風機房無人值守管理模式，亦可實現各隧道營運工況下，快速按照預先設定通風方案實現風機聯動工作，滿足隧道通風需求，風機聯控方案如圖3。

3 兩種風機房方案對比

3.1 風機裝機總功率對比

風機裝機總功率對比見表3。

圖3 風機聯控方案圖

表3 風機裝機總功率對比

3.2 有關因素對比

有關因素對比見表4。

表4 有關因素對比

3.3 預算造價對比

預算造價對比見表5

表5 預算造價對比

按照上述地下風機房等相關方案， 與原地表風機房相關方案進行全方位綜合對比分析， 采用地下風機房方案，存在施工難度大、風險高等不利因素，但在運營維護管理、地表征地面積、環保影響等方面有著顯著優勢。 隧道整體通風方案布設射流風機數量和軸流風機數量不變，僅需調整部分射流風機安裝位置及左洞軸流送、排風機功率，總裝機功率增加220 kW，測算相關費用增加約200 萬元；風機房土建方案造價增加約3900 萬元，風機房供電專線減少約3500 萬元，地表征地費用減少約100萬元，綜合測算總工程造價增加約500 萬元。

4 結語

因本隧道地處生態敏感區，隨著整體環保意識提升，提倡建設綠色公路要求， 地表風機房及外供電專用線路走廊，用地審批及征遷難度大，本文僅對地面風機房實施條件受限情況下， 對替代方案暨地下風機房方案及風機聯控等方案進行探討，經綜合分析對比，雖然地下風機房方案在風機總裝機功率、施工難度、工程造價等方面高于原地表風機房方案，但地下風機房地表征收面積小，對周邊環境影響小， 后期運營維護便捷， 可實現遠程控制管理，無人值守管理模式，節約維護人工成本等方面優勢效果顯著，具有可操作性。