太行山隧道通風方案的比選研究

郭 福

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西太原 030032）

1 隧道概況

昔榆高速公路太行山隧道穿越太行山北段，隧道的進口位于河北王家坪村西，出口位于山西茶葉洼村南。隧道為分離式雙洞結構，最大間距34 m，屬于特長公路隧道。隧道左線長13 915 m，單坡1.9%；右線長14 108 m，單坡1.9%。隧道橫跨山西河北兩省，其在河北省內約4 km，山西省內約10 km。

2 優化調整后的隧道需風量

公路隧道的通風原理：向隧道內注入新鮮空氣，稀釋洞內由汽車排出的廢氣和煙霧，使得隧道內的空氣質量和煙霧透過率能保證司乘人員的身體健康和行車安全[1]。各獨立隧道需風量計算按照稀釋煙塵的需風量、稀釋CO 的需風量、稀釋空氣中異味的需風量和火災工況時的需風量分別計算后取最大值作為隧道最終實際需風量[2]。

綜合優化后煙塵顆粒物（PM）年遞減率仍維持初步設計的3%不變，折減年限控制在2035年。同時，根據實際調查情況，將重載LNG 貨車按照汽油車計算需風量，占比按30%控制。按上述參數優化后，重新測算太行山隧道的需風量，并結合PIARC 2019 標準對太行山隧道進行各工況需風量對比后，太行山隧道近、遠期各工況需風量計算采用結果如表2所示。

表1 太行山隧道概況

表2 太行山隧道近、遠期各工況需風量計算結果 單位：m3/s

3 優化后的通風方案

目前特長公路隧道通風方案比選時采用送排式通風方案，從方案設計角度分析幾種不同縱向通風模式的功能特點、適用條件，結合送排式通風，從全壽命周期角度，對通風井送排式方案進行比選研究[3]。原方案中，爬坡方向的隧道采用4 井分5 段通風方案，下坡方向隧道采用1 井分2 段通風方案，其中左、右線共用一豎井。隧道需風量優化后，爬坡方向的隧道可實行3 井分2 段或2 井分3 段的通風方案，下坡方向的隧道仍采用1 井分2 段通風方案。結合需風量確定分段方案后，從實際地形地質條件、通風需求、施工進度及工程造價等方面綜合考慮，提出4 個方案[4]，具體如下。

3.1 優化通風方案一

右線2 斜井分3 段軸流風機送排風+射流風機通風，左線1 斜井分2 段軸流風機送排風+射流風機通風。隧道左線設置2 號斜井分為2 個通風段；右線設置1 號斜井、3 號斜井將隧道分為3 個通風段，具體設置詳見圖1。

圖1 方案一通風平面示意圖

經隧道通風計算，確定通風方案近、遠期規模詳見表3，各斜井設置參數見表4。

表3 方案一通風規模計算結果

表4 方案一各斜井參數表

施工工期安排：利用1 號斜井向大樁號方向施工2 840 m，工期39 個月；利用2 號斜井向大樁號方向施工2 450 m，工期37.5 個月；利用3 號斜井向大樁號方向施工1 830 m，工期34 個月；該方案控制工期為起點方向工區，工期為43.2 個月。

3.2 優化通風方案二

右線3 斜井分4 段軸流風機送排風+射流風機通風，左線1 豎井分2 段軸流風機送排風+射流風機通風。

隧道左線設置1 豎井分為2 個通風段；右線設置1號斜井、2 號斜井、3 號斜井將隧道分為4 個通風段，具體設置詳見圖2。

圖2 方案二通風平面示意圖

經隧道通風計算，確定通風方案近、遠期規模詳見表5，各斜井設置參數見表6。

表5 方案二通風規模計算結果

表6 方案二各斜豎井參數表

施工工期安排：利用1 號斜井施工2 760 m，工期38.7 個月；利用2 號斜井施工2 690 m，工期37 個月；利用3 號斜井施工2 290 m，工期38 個月；該方案控制工期為1 號斜井工區。

3.3 優化通風方案三

右線2 斜井+1 豎井分4 段軸流風機送排風+射流風機通風，左線1 豎井分2 段軸流風機送排風+射流風機通風，左右洞共用一個豎井。

隧道左線設置1 豎井分為2 個通風段，右線設置1號斜井、豎井、3 號斜井將隧道分為4 個通風段，具體設置詳見圖3。

圖3 方案三通風平面示意圖

經隧道通風計算，確定通風方案近、遠期規模詳見表7，各斜井設置參數見表8。

表7 方案三通風規模計算結果

表8 方案三各斜豎井參數表

施工工期安排：利用1 號斜井施工3 500 m，工期45.1 個月；利用3 號斜井施工3 500 m，工期46.4 個月；該方案控制工期為終點方向工區，工期為46.8 個月。

3.4 優化通風方案四

右線3 斜井分4 段軸流風機送排風+射流風機通風，左線1 斜井分2 段軸流風機送排風+射流風機通風，左右洞共用一個斜井，采用地上風機房。

隧道左線設置1 斜井分為2 個通風段；右線設置1號斜井、2 號斜井、3 號斜井將隧道分為4 個通風段，具體設置詳見圖4。

圖4 方案四通風平面示意圖

經隧道通風計算，確定通風方案近、遠期規模詳見表9，各斜井設置參數見表10。

表9 方案四通風規模計算結果

表10 方案四各斜井參數表

施工工期安排：利用1 號斜井施工2 150 m，工期33.9 個月；利用2號斜井施工4 590 m（2 290 m+2 300 m），工期37 個月（2 號斜井兩個井的工期分別為34.7月、35.3月）；利用3 號斜井施工2 090 m，工期35.3 個月；該方案控制工期為終點方向工區，工期為35.6 個月。

4 方案比選

4.1 通風方案對比

分別對原方案及3 個優化方案共4 個方案進行土建、通風及綜合等經濟技術比較，具體情況詳見表11。

表11 4個方案經濟技術比較表

4.2 方案優缺點

a）方案一 分別設1 號（K0+810）、2 號（K3+060）、3 號（K5+510）共3 座通風斜井，3 座斜井斷面積均較大，3 井均在山西境內，投資和運營均由山西方面負責。下坡方向隧道使用2 號（K3+060）斜井，為1 井2 段式通風。爬坡方向隧道使用1 號（K0+810）和3 號（K5+510）斜井，為2 井3 段式通風方案，其中1 號（K0+810）斜井完全避讓了嶂石巖風景保護區；3 號（K5+510）斜井長度達到2 000 m，對通風十分不利，斜井施工工期長對主洞施工幫助小，因此不推薦。

b）方案二 分別設1 號（-K0+400）、2 號（K3+100）、3 號（K6+600）3 座通風斜井和ZK3+200 處1 座通風豎井，總計3 斜1 豎4 座通風井。爬坡方向設3 座通風斜井，1 號（-K0+400）斜井位于河北境，斜井井口和主洞河北端隧道洞口均位于嶂石巖風景保護區的試驗區，并不在核心區和緩沖區范圍內。另外2 座斜井在山西境內，不涉及風景保護區，山西境設1 座通風豎井，豎井直徑7 m，埋深217 m。3 座斜井長度均在1.6 km 左右，面積均在40～50 m2之間，施工工期39 個月（批復為48 個月），該方案施工進度能夠保障。

c）方案三 分別設1 號（-K0+400）、3 號（K6+600）共2座通風斜井，ZK3+200處1座通風豎井，總計2斜1豎3 座通風井。河北境1 號（-K0+400）斜井同方案二，井口和隧道洞口均位于嶂石巖風景保護區的試驗區，并不在核心區和緩沖區范圍內。山西境設ZK3+200 處1座豎井和3 號（K6+600）處1 座斜井，其中K6+600 處斜井與方案二斜井相同。ZK3+200 處豎井為左右洞共用豎井，豎井面積達到75 m2，直徑達10 m，施工難度大。該方案建設期總體投資較為合理，但施工工期達到47個月，進度慢且工期控制難度大，因此不推薦。

d）方案四 分別設1 號斜井（-K0+400）、2 號斜井（K3+100）、3 號（K6+600）斜井進行排風。河北境內的1 號斜井與方案二、方案三的位置相同，1 號斜井口和隧道進口均位于風景保護區的試驗區。3 號斜井的位置與方案二、方案三斜井一致。其2 號斜井由48.1 m2+44.2 m2兩個小斷面斜井共同組成。方案四的最大優點是在隧道中央位置設置兩處斜井輔助施工，其施工進度最快，施工工期最短。

e）方案比選 方案二與方案四的最大區別在于K3+100 處的井位的成井形式，其中方案二在此處是由1 斜井+1 豎井共同組成，方案四在此處由2 個小斷面斜井共同組成。

f）工期比較 方案四是由兩個斜井共同出渣，其施工進度比方案三至少快3 個月，工期短。

g）施工難度 方案二中豎井半徑大，豎向施工，較困難，方案四為普通無軌斜井施工，其工藝較成熟，施工難度低。

h）經濟比較 方案二的總投資為22 501 萬元，施工工期為38.6 個月；方案四總投資為26 505 萬元，施工工期為35.5 個月。方案四比方案二投資雖多4 005 萬元、但其工期少3.1 個月。但考慮建設期貸款利息，則每增加1 個月至少要多償還5 580 萬元貸款利息，方案四晚通車3.1 個月，至少需增加1.5 億元利息。

綜合考慮施工的工期、難度、經濟投資，得出方案四為最優方案，因此推薦太行山隧道通風方案選擇方案四。