某超特長公路隧道通風方案優(yōu)選設(shè)計探討

賈佳欣，曾柯華

（1.四川公路橋梁建設(shè)集團有限公司勘察設(shè)計分公司，成都610041；2.四川樂漢高速公路有限責任公司，四川 樂山 614200）

1 通風方案設(shè)計思路

研究通風方案時，既要結(jié)合隧道所處區(qū)域的地形與地質(zhì)情況、運營情況以及防災(zāi)救援，又要考慮隧道長期運營的經(jīng)濟效益，因此，方案設(shè)計應(yīng)堅持先期建設(shè)投資與后期運營費用并重原則、近期和遠期工程相結(jié)合原則以及正常運營和防災(zāi)救援相結(jié)合原則。

同時，公路隧道通風設(shè)計根據(jù)公路等級、隧道長度、設(shè)計交通量、車道數(shù)、平縱線形、地形地質(zhì)、隧道海拔高程、隧址區(qū)域自然條件等因素，進行技術(shù)性與經(jīng)濟性的綜合比較，確定合理的通風方案。然而，在工程實施中，面對復雜多變的地質(zhì)條件，隧址區(qū)的地質(zhì)條件可能成為影響通風方案可行性和經(jīng)濟性的重要指標，因此，本文將“地質(zhì)優(yōu)選”通風方案的理念引入超特長公路隧道通風設(shè)計[1]。

2 通風方案設(shè)計

2.1 依托工程及其背景

本文的依托工程為峨漢高速大巖隧道，為雙向四車道高速公路隧道，左線長7 009 m，縱坡為1.7%和-1.9%；右線長7 019 m，縱坡為1.7%和-1.9%。隧道位于漢源縣順河彝族鄉(xiāng)和萬工鄉(xiāng)境內(nèi)，高程在700~2 300 m，相對高差為800~1 600 m，坡度一般為30°~40°，屬于中山地貌，地形地貌條件復雜多變。

2.2 通風計算基本參數(shù)

交通量預(yù)測為：2022 年 7 988 pcu/d，2030 年 14 315 pcu/d，2035年18 552 pcu/d，2041年25 540 pcu/d，2051 年34 435 pcu/d。

計算參數(shù)為：（1）行車時速為80 km/h，內(nèi)空斷面積為66 m2，隧道內(nèi)空當量直徑8.35 m；（2）正常行車設(shè)計控制風速≤10 m/s，火災(zāi)工況下設(shè)計控制風速為2~3 m/s，稀釋異味設(shè)計控制風速≥1.5 m/s；（3）射流風機采用 SDS-112T-4PD5，直徑 1 120 mm，電機功率37 kW。

2.3 通風計算結(jié)果

通過計算，大巖隧道需風量及設(shè)計風速計算結(jié)果如下：

左洞：稀釋CO（一氧化碳）需風量=309.8 m3/s，稀釋煙霧需風量=280.05 m3/s，稀釋異味需風量=386.39 m3/s，三者取最大值386.39 m3/s；洞內(nèi)計算風速=5.85 m/s；風機臺數(shù)=58 臺。

右洞：稀釋CO（一氧化碳）需風量=310.95 m3/s，稀釋煙霧需風量=267.87 m3/s，稀釋異味需風量=387.82 m3/s，三者取最大值為387.82 m3/s；洞內(nèi)計算風速=5.87 m/s；風機臺數(shù)=58 臺。

對計算結(jié)果進行分析，大巖隧道全縱向射流通風可以滿足通風要求，洞內(nèi)最大風速為5.87 m/s，風機布置臺數(shù)為58臺。但JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通風設(shè)計細則》10.2.7規(guī)定，采用縱向排煙的單向交通隧道，火災(zāi)煙霧在隧道內(nèi)的最大行程不宜大于5 000 m，因此，需設(shè)置排煙井進行分段排煙。設(shè)置排煙井后亦可考慮將風井斷面擴大參與運營通風，進一步降低通風能耗。據(jù)此通風方案有全射流+分段排煙和通風井分段通風兩大類[2]。

2.4 通風方案設(shè)計

2.4.1 確定通風井井口位置

通風井分段式通風或者全射流+分段排煙均是將隧道分成2 個區(qū)段進行通風，結(jié)合隧道的縱坡和通風分段長度確定通風井口位置，如圖1 所示。

圖1 通風井井口位置布置

2.4.2 通風方案技術(shù)經(jīng)濟指標比選

為了確定本隧道最佳通風方案，需綜合考慮經(jīng)濟、技術(shù)、防災(zāi)要求進行通風方案比選，如表1 所示。

表1 全射流+分段排煙與分段通風方案經(jīng)濟技術(shù)比較表

從表1 可以看出，通風橫洞分段通風方案與全射流+分段排煙方案相比總費用省，采用分段式通風可為遠期交通量的增長預(yù)留較大的空間。因此，推薦通風橫洞分段式通風方案。

2.4.3 分段式通風方案地下通風系統(tǒng)設(shè)計

分段式通風方案通風區(qū)段分為2 個，分段長度為3 455 m+3 554 m，通風橫洞長為670 m（含地下風機房）。大巖隧道地下通風系統(tǒng)由通風橫洞、主體結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)組成，具體布置及相對位置關(guān)系如圖2 所示。

圖2 地下通風系統(tǒng)總體布置圖

3 通風方案地質(zhì)優(yōu)選

3.1 原設(shè)計地質(zhì)概況

大巖隧道附近的主要斷層有順河斷層（F17）、桂賢斷層（F18）及其分支斷層（F18-1、F18-2）。其中，順河斷層（F17）位于隧道北側(cè)，距離約650 m，而F18 在隧道出口的白巖河床通過，F(xiàn)18-2 斷層呈大角度穿過隧道中部，F(xiàn)18-1 呈大角度穿過隧道出口漢源方向如圖3 所示。

圖3 隧道區(qū)斷層分布圖

隧址區(qū)域地層主要為上元古界上統(tǒng)燈影組麥地坪段（Z2-∈1dm）、燈影組三段（Z2-∈1d3）。穿越深灰色、灰白色微新白云巖，巖體較破碎-破碎，圍巖穩(wěn)定性差，可能產(chǎn)生一定規(guī)模的坍塌。地下水發(fā)育，可能發(fā)育巖溶，可能發(fā)生涌水突泥等現(xiàn)象，危險程度較大。圍巖級別主要為Ⅲ級和Ⅳ級。

3.2 地質(zhì)揭露情況

大巖隧道地下通風系統(tǒng)區(qū)域地層巖性以燈影組深灰色、灰白色微新白云巖為主，部分地段發(fā)育不同厚度的薄層泥灰質(zhì)白云巖、薄層含碳泥質(zhì)微晶白云巖或黏土巖軟弱夾層，形成層間破碎帶，導致圍巖整體穩(wěn)定性較差，導致圍巖在自重作用下沿軟弱夾層滑移失穩(wěn)而產(chǎn)生破壞；受地質(zhì)構(gòu)造作用，該區(qū)域發(fā)育2 組優(yōu)勢節(jié)理裂隙，優(yōu)勢節(jié)理裂隙與巖層層面共同作用，使得巖體完整性較差，巖體較破碎~破碎，使圍巖容易出現(xiàn)冒頂坍塌和局部塌落、掉塊等變形破壞，影響圍巖的整體穩(wěn)定性；由于該區(qū)域位于富水地層，地下通風系統(tǒng)內(nèi)的地下水發(fā)育，在地下水的作用下，其圍巖質(zhì)量變差，圍巖穩(wěn)定性相對較差；另外，隧道開挖后圍巖應(yīng)力發(fā)生重分布，尤其是在地下通風系統(tǒng)交叉口部位的洞段往往會導致應(yīng)力集中，局部形成高應(yīng)力區(qū)，導致巖體發(fā)生變形破壞或洞壁塌落，局部段落圍巖泥質(zhì)夾層或?qū)娱g破碎較發(fā)育，從而導致洞壁圍巖產(chǎn)生大變形。

通過取樣試驗，地下通風系統(tǒng)區(qū)域圍巖級別均為Ⅴ級圍巖，且其修正后的［BQ］(巖石質(zhì)量指標)平均值小于200，大多數(shù)低于150。

3.3 通風方案地質(zhì)優(yōu)選

初步判斷地下通風系統(tǒng)區(qū)域位于寬緩層間破碎帶，地質(zhì)條件極差，地下通風系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜、規(guī)模大，交叉口多，施工安全風險極大，初步估算地質(zhì)因素引起造價增加5 000 萬元以上。為了降低工程造價，控制總體土建成本，降低施工風險，對大巖隧道通風方案進行優(yōu)化。綜合考慮經(jīng)濟、技術(shù)、防災(zāi)要求，施工風險等因素，通風方案采用全射流+分段排煙方案[3]。

3.4 全射流+分段排煙方案設(shè)計

通過地質(zhì)優(yōu)選，將地下通風系統(tǒng)復雜結(jié)果優(yōu)化為全射流+分段排煙方案，設(shè)置左右線排煙通道如圖4 所示，并在通風橫洞洞口設(shè)置洞內(nèi)軸流風機房如圖5 所示。

圖4 全射流+分段排煙方案總體布置圖

圖5 隧道洞內(nèi)風機房空間結(jié)構(gòu)布置圖

4 結(jié)語

通過超特長大巖隧道通風計算、通風方式選擇，結(jié)合揭示后的地質(zhì)情況，優(yōu)選更為合理可行、安全經(jīng)濟的通風系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，全壽命周期評價通風設(shè)計方案，提出了洞內(nèi)風機房空間結(jié)構(gòu)布置，指導設(shè)計和施工，具有較高的工程應(yīng)用價值，得到以下幾點認識：

1）超特長公路隧道通風方式的選擇既要考慮通風系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)成本，又要考慮運營期運營成本和能耗大小。對于約7 km的公路隧道，全射流通風和分段式通風可滿足規(guī)范要求，但是5 km 以上隧道需要考慮排煙，需要設(shè)置排煙井。因此，當水文地質(zhì)條件成熟時，可優(yōu)先選擇分段式通風，通風效果更佳。

2）若水文地質(zhì)條件較為復雜，如隧道穿越斷層破碎帶、地下水發(fā)育、地應(yīng)力較高等，通風方式選擇更應(yīng)優(yōu)先考慮通風結(jié)構(gòu)的可實施性、安全風險和經(jīng)濟成本。可優(yōu)先選擇風險可控且結(jié)構(gòu)簡單的全射流通風+分段排煙的通風形式。