東天山特長高海拔公路隧道通風系統(tǒng)優(yōu)化

王修彬

（中交一公局集團第五工程有限公司，北京 100000）

公路隧道通風是隧道施工和運營中非常重要的一部分。隧道通風方案的設計和選擇顯著影響著后續(xù)隧道運營的成本，一個優(yōu)質的通風方案往往能夠在初期建設成本和后期運營成本中做好平衡，達到整體上的最優(yōu)化。同時，車輛能源和通風設備的進步也給了隧道通風方案的改進和優(yōu)化提供了更大的空間，也基于此推動隧道通風系統(tǒng)的研究不斷向前發(fā)展。

在隧道通風方面最近的一些研究包括，劉凡等[1]采用CFD-Fluent 數值模擬軟件對公路隧道合流段的通風特性進行了研究，分析了合流夾角、擴大斷面處風速、出口風量、壓損系數等因素的變化規(guī)律，并給出了最佳的隧道合流夾角。在隧道的通風設計中車輛煙霧和一氧化碳的基準排放量是決定通風系統(tǒng)設計的關鍵因素，郭志杰等[2]以海拔2800m 的新疆地區(qū)為試點地點對多種國IV 和國V 車輛進行煙霧和一氧化碳實測，并與《公路隧道通風設計細則》中的建議取值進行比較，認為應提高煙霧排放量和一氧化碳排放量的折減率應該予以提高。山嶺隧道的修建中，可能會遇到難以逾越的地形，此時采用曲線隧道具有更好的適應性。駱陽等[3]以曲線隧道施工通風為研究對象，通過建立風機- 風管- 隧道施工通風系統(tǒng)的數值模型，計算了不同曲線隧道半徑、風速下的隧道沿程阻力系數，并提出了相應的經驗計算公式。秦小超以[4]隧道的建設工期、工程造價以及通風效果為指標，對特長公路隧道中不同斜井、豎井通風方案進行了論證，認為豎井與斜井相結合的方式能夠實現(xiàn)整體上的最優(yōu)。李蒙等[5]以特長公路隧道的施工通風為研究對象，根據隧道的施工進度分段設計了施工通風方案，并根據現(xiàn)場實測的污染物結果對通風方案進行了優(yōu)化。康海波等[6]以高瓦斯隧道的施工通風為研究對象，在考慮瓦斯?jié)舛群秃０蔚那闆r下將隧道全線劃分為10 個不同的工區(qū)，分別進行施工通風方案的設計，并進行了區(qū)間優(yōu)化。孔杰等[7]通過Fluent 建立了隧道通風系統(tǒng)模型，對不同坡度情況下射流風機的升壓系數進行了計算，并給出了隧道坡度對風機升壓系數的影響規(guī)律。海底隧道在隧道中段設置豎井具有較大施工難度，車輪飛等[8]根據海底隧道的頂部排煙道、服務通道、黃道岸邊豎井和盾構底部救援通道的布置，提出了布設海中豎井的海中送排通風方案，并與海中設豎井通風的方案進行了對比。從上述研究可以看出，不同隧道類型的通風方案具有差異化的特征，難以通過一個設定好的范式取得整體最佳的效果，因此需要根據不同隧道類型對通風方案進行優(yōu)化設計研究。

目前鮮有研究以通風效果和經濟指標對公路隧道通風中斜井中隔板設置方式進行優(yōu)化。本文將根據東天山特長高海拔隧道的埋深、海拔高度、交通情況對既有通風方案中的斜井通風進行優(yōu)化研究，以期為類型工程提供參考。

1 工程概況

東天山特長隧道北起東天山北坡的巴里坤哈薩克族自治縣，南至東天山南坡的哈密市，是《國家公路網規(guī)劃》中G575 線的重要組成部分，同時也是G575 線巴里坤至哈密高速公路關鍵性控制工程，隧道左線長11764m，右線長11775m，為一級公路隧道，設計速度80km/h，雙向四車道，單向通行。隧道斷面面積65.61m2，左線有5091m 長的0.50%縱坡和6673m 長的-1.67%縱坡，右線有5117m 長的0.50%縱坡和6658m 長的-1.67%縱坡。進洞口設計高程2129.2m，出洞口設計高程2043.4m，軸線地面標高2023～3349m，最大埋深約1210m。

東天山隧道具有以下特點：（1）埋深大，斜井長。東天山隧道最大埋深約1210m，設有1#（左線）通風井、1#（右線）通風井和2#通風井共三座通風井，其中1#通風井長約2160m，2#通風井長約1340m。（2）海拔高。隧道進洞口設計高程2129.2m，出洞口設計高程2043.4m，需風量計算中CO 海拔高度系數1.94，海拔高度系數1.51，設計需風量遠高于一般低海拔地區(qū)公路隧道。（3）大貨車比例高。根據工程可行性報告交通量預測結果，通風系統(tǒng)設計特征年（近期：2030 年；遠期：2041 年）隧道大貨車、特大貨車比例均超過70%，致使隧道稀釋煙塵設計風量遠超一般公路隧道。上述工程特點給東天山隧道的通風系統(tǒng)選擇帶來了較大的挑戰(zhàn)，下面將結合東天山隧道的實際參數，對其通風系統(tǒng)的設計和優(yōu)化展開討論。

2 隧道需風量計算

2.1 隧道通風標準

根據《公路隧道通風設計細則》（JTG/T D70/2-02-2014）（以下簡稱《細則》）的要求，公路隧道通風設計應滿足安全、衛(wèi)生、舒適性標準，以稀釋機動車排放的煙塵、一氧化碳以及帶來的異味為主。結合東天山隧道設計參數，隧道通風設計采用的主要設計標準如表1 所示。

表1 東天山隧道通風主要設計指標

2.2 交通量及其組成

交通量與交通組成是進行通風計算的基礎數據，根據《細則》的要求，通風設計采用的設計小時交通量應根據隧道所在路段項目可行性研究報告提出的設計（預測）年平均日交通量（AADT）進行換算，公路隧道通風設計應統(tǒng)籌規(guī)劃，一次設計，通風設施可根據預測交通量變化分期實施。根據《公路工程技術標準》（JTG B01-2014）有關規(guī)定，一級公路隧道通風設計分期可按10 年為界劃分。據此取東天山隧道近期設計特征年為2030 年，遠期設計特征年為2041 年，得東天山隧道2030 年和2041 年預測交通量分別為16496 和22488pcu/d。根據預測車型的比例、汽油車與柴油車的比例、車型換算系數，高峰小時交通量取年平均日交通量的13%、重方向率取0.52，經換算得到隧道單幅高峰小時實際交通量如表2 所示。

表2 東天山隧道車型比例組成

2.3 隧道需風量

按照《細則》的要求，根據交通量、交通組成、通風標準、通風計算參數、隧道幾何參數，對東天山隧道設計速度以下各工況車速10km/h 為一檔分別計算稀釋煙塵（VI）、一氧化碳（CO）所需需風量，并計算換氣、交通阻滯以及火災工況下的需風量，取其最大值為設計需風量，得隧道設計需風量如表3 所示。

表3 東天山隧道近遠期需風量

3 既有通風方案

3.1 隧道通風分區(qū)方案

東天山隧道采用機械通風方案，即通過通風機械使隧道內空氣沿著預定的路線流動來實現(xiàn)隧道內外的空氣交換。機械通風可分為縱向式、半橫向式、橫向式以及組合式通風方式，該隧道為雙洞單向行車隧道，故采用縱向送排式通風更為經濟合理。根據隧道長度和控制需風量計算值，從防災救援和運營通風角度測算東天山隧道需采用分三段縱向通風方式。結合隧道左右線縱坡關系和洞內斜井與主洞交點樁號，隧道正常運營通風左線分三段、右線分兩段，火災工況左右線均分三段排煙。隧道分段長度為左線第一區(qū)段長3891m，第二區(qū)段長4300m、第三區(qū)段長3549m。右線第一區(qū)段長3917m，第二區(qū)段長7843m，第二區(qū)段增加排煙通道，與左線2 號斜井排風道共用，各分段需風量計算如表4、表5 和圖1，其中需風量后括號內的注釋為該需風量的控制條件。

圖1 隧道左右線近遠期斜井設計需風量分布

表4 隧道左線通風分段長度和需風量計算表

表5 隧道右線通風分段長度和需風量計算表

3.2 既有斜井風道方案

目前，東天山隧道的通風系統(tǒng)土建部分已大部分施工完畢，進出口斜井均采用了單井方案，其中1#斜井采用地面風機房，2#斜井采用地下風機房，2 座斜井均采用十字形隔板，斜井內的中隔板布置，如圖2 所示。既有隧道的風機配置方案如表6 所列。

表6 東天山隧道風機配置方案

圖2 既有2#斜井風道設置

4 通風系統(tǒng)優(yōu)化

4.1 隧道通風分區(qū)優(yōu)化

根據隧道左右線起點與終點樁號和各通風井與主洞交叉樁號數據，可得各通風區(qū)段劃分結果，即為左右線第一區(qū)段長度分別為3943 和3803m，第二區(qū)段長度分別為4303 和4364m、第三區(qū)段長度分別為3518 和3608m。按照上述隧道通風區(qū)段進行分段進行得到各個區(qū)段的近遠期需風量如表7。

表7 隧道通風分段長度和需風量計算表

圖3 優(yōu)化后隧道左右線近遠期斜井計算需風量分布

4.2 2#斜井風道優(yōu)化

從通風原理上來說，在設置地面風機房時，通向各送排風點的通道須隔離設置，以確保軸流風機能夠控制每個送排風點的風量和風壓。而地下風機房的情況下，從風機到各送排風點由獨立的送排風聯(lián)絡道相連，是相互隔離的。而從風機房至地表的風道來說，由于沒有獨立控制的要求，左右線的排風道可以合并設置。同理，送風道也可以合并設置，從而減少隔板，除了可以降低工程造價外，還可以降低斜井斷面的占用，從而降低風速和通風系統(tǒng)的運營功率。通常來說豎隔板受力更好，也易于維保車輛通行。但本項目地下風機房及風道已施工完畢，兩條送風聯(lián)絡道位于中部，兩條排風道位于兩側，因此難以匯流成左右側，故而建議采用橫隔板方案，如圖4。十字形隔板方案和單層隔板方案的相關技術指標對比如表8 所示。

圖4 優(yōu)化后2#斜井風道設置

表8 方案技術指標對比表

從上表可看出，單層隔板方案的新風量與十字形隔板方案完全一致，但由于減少了隔板，擴大了實際通風斷面面積，降低了風速，因此降低了風阻，使得風壓有一定幅度的降低，從而節(jié)約了軸流風機裝機功率，技術上優(yōu)于十字形隔板方案。

4.3 風機配置優(yōu)化

2#斜井風道合并之后，各段風量沒有變化，但風壓有所降低。這是由于優(yōu)化之后，擴大了送排風的斷面，降低了風速所導致的，起到了節(jié)能減排的效果，優(yōu)化后的風機配置如表9。

表9 東天山隧道風機配置方案

4.4 經濟指標比選

經濟指標主要從土建費用、風機設備購置費用、運營期電費三個方面進行比選。目前，東天山隧道的通風系統(tǒng)土建部分已大部分施工完畢，兩個方案的土建費用差異體現(xiàn)在斜井隔板的設置上，隔板長度按2#斜井全長計算。風機配置應該遵循一次設計、分步實施的原則，按近、遠期分別配置更換兩次的步驟來實施。運營期電費按照30 年計算，經濟比選如表10 所示。

表10 方案經濟指標對比表

5 結論

東天山特長隧道具有埋深大、斜井長、海拔高、大貨車比例高等工程特點，這為通風系統(tǒng)的設計和優(yōu)化帶來了較大挑戰(zhàn)，目前東天山隧道目前已基本建設完成，通過對東天山隧道通風系統(tǒng)的檢核和優(yōu)化可以發(fā)現(xiàn)：

5.1 隧道通風井設計風速影響風機配置和能耗，但不影響隧道行車主洞通風風速，不涉及運營安全問題。

5.2 隨著車輛技術和燃油技術的進步，特別是“國V”“國VI”燃油標準的推廣，燃油車實際排放量比規(guī)范已大為降低。在可預見的未來，電動汽車的比例也會逐步提高。因此實際的需風量會大大低于上述計算值。這也是現(xiàn)在大量隧道通風系統(tǒng)閑置比例較高的原因之一。因此上述計算結果即使高于推薦值，實際影響不大。

5.3 單層隔板方案（優(yōu)化后）與十字形隔板方案（既有方案）相比，需風量與方案一完全一致，但由于減少了隔板，擴大了實際通風斷面面積，降低了風速，因此降低了風阻，使得風壓有一定幅度的降低，從而節(jié)約了軸流風機裝機功率。