吕梁山特长公路隧道通风方案研究

李志鹏

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

随着高速公路向山区的延伸，特长隧道甚至超长隧道将日渐增多。特长隧道运营通风方案的优劣将直接影响到整个隧道工程的工程造价、运营效益、行车环境以及防灾救灾的功能。因此根据隧道自身的特点，选取合理的通风方案，是隧道通风设计阶段必须认真研究的课题。

国内外长大公路隧道的通风方式一般分为分段纵向、半横向、全横向和组合通风方式。由于横向通风方式保持隧道内卫生状况及防火排烟效果良好，但其缺点是初期土建费用及后期的运营费用均很大。纵向通风方式出现以后弥补了横向通风方式的不足，成为多数国家长大公路隧道首选的通风方式。

国内虽然现在已建成将近10座8.0～12.0 km的特长隧道，但通风形式各不相同，通风效果相差甚远。由于运营期较短，所积累的经验还不能满足吕梁山隧道建设的需要。因此，必须结合吕梁山隧道的实际情况，对其通风方式、通风方案进行研究，提出适合于吕梁山公路隧道实际情况的通风方案。

1 工程概况

1.1 隧道的基本情况

吕梁山隧道是山西省祁县至离石高速公路中的控制性工程，隧道位于山西省中部，东西向展布，横贯吕梁山脉中部，地形地貌复杂，沟壑纵横，山势险峻，林木茂盛。

隧道为分离式双洞单向交通，两洞轴线相距50 m，最大埋深约430 m。左线设计长度9 818 m，进口标高1 471.509 m，出口标高1 624.147 m，平均海拔高度1 547.828 m，坡度1.58%（上坡）。右线设计长度9 818 m，进口标高 1 624.154 m，出口标高1 471.109 m，平均海拔高度 1 547.632 m，坡度-1.58%（下坡）。隧道设计行车速度80 km/h，隧道区域夏季平均温度20℃。

1.2 设计原则

a）近期与远期相结合的原则。

b）前期建设投资与后期运营费用并重的原则。

c）适用于多种工况的原则。

d）应满足运营安全、环保等的要求。

1.3 通风标准

a）隧道通风的安全标准以稀释机动车排放的烟尘为主。b）卫生标准以稀释机动车排放的一氧化碳为主。c）舒适性标准以换气稀释机动车带来的异味为主。

d）火灾排烟按隧道全线同一时间发生一次火灾考虑。

2 需风量计算

确定需风量时，应对稀释烟尘、CO按隧道设计速度以下各工况车速10 km/h为一档分别进行计算，并计算交通阻滞、换气和火灾排烟的需风量，取其大者作为设计需风量。

2.1 交通流组成

根据《祁县至离石高速公路工程可行性研究报告》对交通量的预测，将吕梁山隧道路段的标准小客车交通量换算成混合车型设计高峰小时交通量，计算结果见表1。

表1 交通量计算表

按照工可提供的车型比例、各汽车代表车型、车辆折算系数以及各类车辆的发动机类型比例计算出近、远期各类型车辆的实际数量，计算结果见表2。

表2 各类型车辆实际数量计算表 veh/h

2.2 稀释烟雾浓度的需风量

根据《公路隧道通风设计细则》（JTG/T D70/2-02—2014以下简称《细则》），隧道内的烟尘排放量计算公式为：

稀释烟雾的需风量计算公式为：

2.3 稀释CO的需风量

根据《细则》，隧道内的CO排放量计算公式为：

稀释CO的需风量计算公式为：

2.4 稀释空气中异味的需风量

稀释空气中异味的需风量公式为：

2.5 考虑火灾时排烟的需风量

考虑火灾时排烟的需风量公式为：

需风量的计算结果见表3。

由于吕梁山隧道将配备完善的监控系统，故不需考虑全程怠速行驶（平均车速20 km/h）的情况。结合国内隧道实际运营情况，大车在隧道内实际车速较低，故本隧道近期控制需风量取70 km/h车速对应的风量作为控制需风量。远期取50 km/h车速对应的风量作为控制需风量。

表3 各工况需风量计算结果表 m3/s

3 吕梁山隧道通风方案

3.1 方案一

根据隧道近、远期的控制需风量、排烟要求及隧道长度，利用主体工程为了满足工期要求而修建的两处施工斜井（1号、2号斜井均位于隧道左线左侧），将隧道左线分为3段，采用两处斜井送排式+射流风机纵向式通风；右线同样划分为3个通风区段，利用1号斜井排出式+竖井（YK74+600）送排式+射流风机纵向式通风。通风方案一平面示意图如图1所示。

图1 吕梁山隧道通风方案一平面示意图

3.2 隧道分段通风计算

各分段需风量应结合隧道实际坡度分别计算，避免出现风量不足和过剩的情况，对于吕梁山隧道左线两斜井送排式通风计算中，需假定各通风区段排风量Qei进行试算，利用各设计判定条件检验假定风量的合理性。

通过分析左线各区段近、远期的送排风量，暂定1号斜井排风口面积Ae=50.3 m2，送风口面积Ab=12.64 m2，2号斜井排风口面积Ae=53.8 m2，送风口面积Ab=16.56 m2，结合原始设计资料，可确定如下各量：取 Ke=0.9，Kb=1.0；左线第Ⅰ段排风量 Qe1=206.75 m3/s，第Ⅱ段送风量Qb2=530.0 m3/s，排风量Qe2=424.0 m3/s，第Ⅰ段排风风速ve1=3.84 m/s，第Ⅱ段排风风速ve2=7.88 m/s，对左线远期分段通风进行试算见表4。

表4 左线远期分段通风试算表

通过计算可以确定以下各量（见表5）。

表5 试算结果

对试算结果进行合理性验算，结果如下：

1号斜井排风口的浓度C1=Qe1/Qr1=0.939∈[0.9，1.0]，

2号斜井排风口的浓度C2=Qe2/Qr2=0.902∈[0.9，1.0]，

隧道出口内侧处的浓度C3=1∈[0.9，1.0].

Qe1/Qr1=0.70＜1.0，1号斜井底部短道不产生回流，Qe1/Qr1=0.68＜1.0，2号斜井底部短道不产生回流。通过验算可知以上通过试算确定的各量合理，可以进行下一步计算。

3.3 射流风机调压计算

根据压力平衡条件判断左线远期各通风区段是否需要射流风机进行调压，计算汽车产生的交通风压时，取vt=50 km/h进行计算，压力计算结果见表6。

表6 左线远期压力计算结果 Pa

通过计算，左线远期第一区段、第二区段、第三区段计算结果分别为-7.34（不需要设置调压风机，但要配置适量的排烟风机）、37.27（需要设置38台）和17.94（需要设置18台），正常运营条件下左线远期需要开启56台1120型射流风机进行调压。同理，可算出右线3个区段所需射流风机的台数。

3.4 轴流风机功率及送排风机所需全压计算

隧道左、右线所需设置的斜、竖井及风道参数汇总如表7所示。

表7 斜、竖井及风道参数汇总表

当隧道内发生火灾时，为保证隧道火灾临界风速为3 m/s，在不开启轴流风机的情况下，以射流风机提供推力，对火灾工况进行验算，左线需要设置射流风机24台，右线需要设置射流风机24台。最后得出整个隧道通风系统风机配置见表8、表9。

表8 风机配置表（左线）

表9 风机配置表（右线）

3.5 方案二

通过方案一的计算结果可知，由于吕梁山隧道左线是上坡，需风量较大，充分利用了1号和2号两处施工斜井进行分段通风，通过验算，满足要求。隧道右线需风量较小，需要选取一处竖井，并为了满足火灾烟雾在隧道内最大行程不宜大于5 000 m的要求，右线同样划分为3个通风区段，与左线共用一个排烟斜井，采用1号斜井排出式+竖井（YK74+600）送排式+射流风机纵向式通风，通过验算，也满足要求。但是，竖井位置的选择还不是唯一的，右线隧道还可以选择竖井（YK72+400）送排式+2号斜井排出式+射流风机纵向式通风，作为方案二进行同深度比选，通风方案二的平面示意图如图2所示。

图2 吕梁山隧道通风方案二平面示意图

此方案主要是在右线的通风方式上和方案一有所区别，方案二中右线的计算结果见表10。

表10 风机配置表（右线）

3.6 方案比较

根据上述计算结果可知，方案一和方案二从技术上均是可行的。左线隧道由于通风的分段与施工分段基本一致，充分利用了左线左侧的两处施工斜井作为通风斜井，两套方案的主要区别在于右线隧道竖井位置的不同，导致通风方案差异。下面从环境影响角度对通风方案做进一步比选。

方案二竖井出口及地上风机房所处位置地势较低，附近有季节性地表溪流，距离风机房500 m左右有村庄。选在此处施工，前期对周围环境破坏较大，后期风机产生的噪声以及排出的有害气体会对周围村民产生影响（秋、冬两季排风口处于村庄的上风方向），方案一则不存在此类问题。

综合比较，将方案一作为吕梁山隧道通风系统的推荐方案。

4 结语

根据吕梁山隧道的具体情况，分析研究了适合于吕梁山隧道的通风方案，利用了两处施工斜井，采用了左、右线共用一处斜井排风（一井两用）的思路，并合理地选择了竖井出口位置，充分考虑了运营安全、技术可行性和环境保护的要求，最终给出了推荐方案，对类似隧道工程的研究具有参考和指导意义。