晉陽高速公路隧道通風系統改造與效果分析

睢向文

（晉城高速公路管理有限公司，山西 晉城 048000）

0 引言

近年來，很多早期修建的高速公路通風系統已達到了設計年限，再加上運行環境惡劣、維護管理不到位等因素影響[1]，已經達到報廢或是大修的標準。為了恢復隧道通風系統的基本功能，及時排出隧道內部的粉塵和有害氣體，必須開展全面調查，制定方案進行改造升級[2]。晉陽高速公路自1997年建成通車以來已運營使用二十余年，雖然運營期間進行了多次維護改造，但很多隧道內部的通風設備已經出現了損壞，通風效果已不能滿足現今高速公路運行的需求。通過對公路沿線隧道通風系統進行調查，制定方案進行了升級改造。為驗證通風系統的改造效果，在隧道內部開展風速、CO濃度和VI濃度監測[3]，整理數據分析確定改造效果。

1 項目背景

晉陽高速公路是山西省第二條高速公路，于1997年12月建成通車，2009年晉城至陽城段進行了大修養護。晉陽高速主線全長36.1 km，全幅路基長28 km、寬度為21.5 m、單向行車道寬為2×7.5 m，半幅高速公路8.1 km，路基寬度為12 m。晉陽高速公路全線共5座隧道，分別為五佛山、牛王山、天壇山、八甲口、官道嶺隧道，其中五佛山隧道和牛王山隧道限速70 km/h；天壇山隧道、官道嶺隧道、八甲口隧道限速60 km/h。經查閱原始設計文件，該項目5座隧道有3座超過1 000 m，分別為天壇山隧道、官道嶺隧道和牛王山隧道，本文以最長的牛王山隧道為研究對象，開展風速、CO濃度和VI濃度監測確定改造效果。

2 晉陽高速隧道通風系統調查結果

2.1 風機數量

晉陽高速公路隧道內大部分風機是1997年投入使用的，只有少部分是2015年更換的。牛王山隧道內共配置風機7組，檢查中發現K10+040位置一臺風機存在接地故障，K10+140位置和K10+340位置各一臺風機于2015年更換。天壇山隧道和官道嶺隧道內分別配置風機4組，其中2015年對官道嶺隧道內K38+860位置2臺風機進行了更換。

2.2 隧道內風機配電箱情況

隧道內風機配電箱均為晉陽高速建成時采購，由于運行環境惡劣、使用年限長等原因，風機配電箱存在密封條老化、銹蝕等問題，且配電箱內落灰嚴重。2012年對隧道內風機控制系統進行改造，統一移至隧道變電所內，除斷路器外，風機配電箱內全部控制線路均已拆除。經過測試分析，隧道配電箱內斷路器運行狀況良好。

3 隧道通風系統改造方案

3.1 通風改造設計

3.1.1 隧道通風標準

牛王山隧道長1 868 m、官道嶺隧道長1 300 m、天壇山隧道長1 108 m，均超過了1 000 m，根據《公路隧道通風設計細則》（JTG/TD70/2-02—2014）中的相關規定，CO設計濃度取140 cm3/m3，交通阻滯時阻滯段的平均CO濃度可取150 cm3/m3，隧道內養護維修作業段的空氣CO允許濃度不超過30 cm3/m3。隧道內煙塵設計濃度不超過0.006 5 m-1，在火災工況下該項目隧道火災臨界風速取2.5 m/s。隧道換氣頻率不低于每小時3次，換氣風速不低于1.5 m/s[4]。

3.1.2 需風量計算

隧道需風量計算是確定能夠稀釋隧道內煙塵、CO、空氣中異味的需風量，并取最大值作為最終需風量。經調查，晉城至陽城方向自然交通量為14 013輛/d，陽城至晉城方向自然交通量為15 185輛/d。根據《公路隧道通風設計細則》（JTG/TD70/2-02—2014）中的通風量計算方法，3座隧道不同工況下需風量計算結果如表1和表2所示。

表1 牛王山隧道不同工況下需風量設計計算結果 m3/s

表2 兩座隧道不同工況下需風量設計計算結果 m3/s

3.1.3 射流風機數量

由于3座隧道安裝的風機型號均為φ900型射流風機，考慮到安裝條件，改造方案仍選用φ900型射流風機。在滿足各種工況需風量的前提下，綜合考慮隧道坡度與運營速度的關系，結合上述3座隧道需風量計算結果，確定3座隧道射流風機配置情況和各隧道實際最大風機需求數量：牛王山隧道上行風機14臺，下行12臺；天壇山隧道上下行各4臺；官道嶺隧道上下行各4臺。

3.2 風機的更換

該項目隧道內配置的通風風機絕大多數為晉陽高速建成通車時采購，在運營過程中對個別損壞的風機進行了更換。綜合考慮高速公路改擴建對隧道通風的要求，牛王山隧道內所有風機暫不更換，本次只進行檢測與維修，待改擴建時再進行更換。官道嶺和天壇山隧道不考慮改擴建，本次改造更換了兩座隧道內所有的老舊風機。

3.3 風機的控制

該項目隧道內所有風機均配置有軟啟動器，可在隧道洞口的變電所進行遠程控制，沒有設置手動控制系統。考慮到改擴建的影響，本次改造中牛王山隧道內風機不增設手動控制功能，對官道嶺和天壇山隧道內的風機增設現場手動控制功能。本次改造工程對隧道通風系統進行升級，整合了數據采集、處理、控制、顯示功能。

4 隧道改造后通風效果檢測與分析

4.1 隧道改造后通風效果檢測方案

為確定隧道改造后通風效果，在現有交通流的情況下，制定方案對隧道內CO濃度、風速和Ⅵ濃度進行檢測。檢測儀器為XC-2200便攜式CO檢測儀、CFJD5機械式風速表、SH-1型光透過率儀等設備。該項目牛王山、天壇山、官道嶺3座隧道均進行了通風改造，本文以長度最長的牛王山隧道為研究對象。

牛王山隧道風速監測共選擇6個斷面，分別位于K10+200、K10+400、K10+600、K10+800、K10+1000 和K11+720。CO和Ⅵ濃度檢測斷面布置在距隧道出口200 m處K11+720斷面，CO采樣點高度為1.5 m，距邊墻0.5 m，Ⅵ濃度采樣點布置在電纜槽上部，對100 m范圍內的光透過率進行檢測。檢測時間選擇車輛高峰期，確定在上午9：30—11：30和下午15：30—17：30。檢測過程中保證人員和儀器設備安全，并做好記錄。

4.2 風速監測結果分析

分別在牛王山隧道每個監測斷面布置一臺CFJD5機械式風速表，對6個監測斷面風速開展監測。由于各斷面監測數據變化規律基本一致，選取K10+800斷面作為研究對象，整理風速監測數據并繪制風速變化曲線如圖1所示。

圖1 K10+800斷面風速監測結果折線圖

分析圖1所示K10+800斷面風速監測結果，風速監測值分布在3.73～5.89 m/s之間，最大風速為5.89 m/s，遠小于《公路隧道通風設計細則》（JTJ/TD70/2-02—2014）中規定的單向通行隧道風速不大于10 m/s，最小風速也超過了換氣風速1.5 m/s。通過分析得到K10+800斷面風速平均值為4.698 m/s，結合其他斷面風速監測結果，K10+200風速平均值為5.102 m/s，K10+400斷面為4.706 m/s，K10+600斷面為4.816 m/s，K10+800斷面為5.021 m/s，K10+1000斷面為4.806 m/s，K11+720斷面為4.623 m/s。各監測斷面風速相差不大，但仍然有一定差距。理論上各斷面風速應該相同，但由于受到車輛行駛作用、橫洞關閉不嚴等因素的影響，存在一定的差異是正常的。

4.3 CO濃度檢測結果分析

在K11+720監測斷面布置一臺XC-2200便攜式CO檢測儀，檢測儀距邊墻0.5 m，高出路面1.5 m。每10 min檢測一次CO濃度，分別在上午和下午交通量最大的時間段開展檢測，整理數據繪制CO濃度檢測結果折線圖如圖2所示。

圖2 CO濃度檢測結果折線圖

分析圖2所示CO濃度檢測結果，整體分析得出上午CO濃度較下午略高，且總體波動不大。其中最大值出現在上午，為43 cm3/m3，上午隧道內CO濃度變化范圍為17～43 cm3/m3，下午變化范圍為13～35 cm3/m3。根據《公路隧道通風設計細則》（JTJ/TD70/2-02—2014）中的相關要求，運營期間隧道內CO濃度不得高于250 cm3/m3，檢測值遠小于要求值，也遠低于設計值140 cm3/m3，說明通風后CO濃度滿足要求。

4.4 VI濃度檢測結果分析

與CO濃度檢測相同，Ⅵ濃度檢測斷面也選擇在K11+720，布置一臺SH-1型光透過率儀，檢測頻率與CO濃度檢測也相同，VI濃度檢測結果折線圖如圖3所示。

圖3 VI濃度檢測結果折線圖

分析圖3所示VI濃度檢測結果，可以得出各時段VI濃度波動相對較大，且上午VI濃度較下午小。上午VI濃度最大值為0.002 0 m-1，空氣透過率良好。下午VI濃度最大值為0.003 2 m-1，較上午略高，空氣透過率有所下降，這是由于下午大貨車數量增加造成的。結合《公路隧道通風設計細則》（JTJ/TD70/2-02—2014）中的相關要求，設計時速為60～90 km/h的隧道VI設計濃度不得高于0.006 5 m-1，檢測結果遠小于設計值，滿足規范要求，改造方案可行。

5 結語

基于晉陽高速公路隧道通風系統改造工程，結合現場調查結果制定改造方案，并在隧道內開展通風效果檢測，分析風速、CO濃度和VI濃度檢測結果得出：隧道通風系統改造后風速監測結果分布在3.73～5.89 m/s之間，最大風速為5.89 m/s，滿足規范要求的不超過10 m/s，最小風速也超過了換氣風速1.5 m/s；改造后隧道內CO濃度檢測結果最大值為43 cm3/m3，遠小于規范要求的不超過250 cm3/m3和設計值140 cm3/m3；隧道內VI濃度最大值為0.003 2 m-1，與大貨車數量增加有關，遠小于設計與規范要求的不超過0.006 5 m-1。因此，隧道通風系統改造后風速、CO濃度和VI濃度檢測結果均滿足設計要求，說明改造方案可行，達到了預期效果。