某高速公路特长隧道通风方案比选与探讨

李 慧

(广东省南粤交通龙怀高速公路管理中心连英管理处，广东 广州 513000)



某高速公路特长隧道通风方案比选与探讨

李 慧

(广东省南粤交通龙怀高速公路管理中心连英管理处，广东 广州 513000)

通过计算分析某特长隧道的通风量，提出设置通风竖井或斜井型式，结合正常运营、火灾工况下紧急通风需求，从运营安全、运营成本、行车舒适度、施工可行性、工程造价、环保要求等方面进行了综合分析，确定了最优的隧道通风方案。

特长隧道，通风设计，需风量，交通量

随着高速公路建设的发展，穿越山区的高速公路越来越多，不可避免沿线设置的隧道占比越来越大，尤其长、特长隧道的数量较多，隧道的通风设计不仅影响项目的建设成本，而且对项目的运营安全、行车舒适性、运营成本产生直接的影响。因此，在项目的总体设计过程中，对特长隧道的通风方案进行分析研究及比选显得尤为重要。

隧道通风设计应成为隧道总体设计的重要组成部分，隧道的通风与隧道长度、纵坡等因素密切相关，隧道长度增加、纵坡增大会导致通风系统规模增大，运营养护费用相应增加。而特长隧道所涉及的风机房、通风井的设置与隧址区的地形、地质条件等密切相关，选址不当会使建设费用大幅增加。因此，通风设计应纳入总体设计的一部分，由路线、结构、地质、通风等多专业工程师共同进行方案比选，从而使工程总体造价与风险降到最低，并降低后期运营费用。

根据文献[1]～[4],在隧道的通风设计中，项目的交通量及其交通组成是隧道通风设计重要的基础数据之一。而项目的适应交通量是将不同车型的汽车折合成标准小客车的年平均日交通量，同时要考虑同一车型，汽油车、柴油车的有害气体排放量是不一样的，重型车、大型车和小型车的有害气体排放量也不一样，实际运营中每天通过隧道的交通量在24 h内的分布是不均衡的。因此，进行通风设计时应将标准小客车交通量换算成绝对车型设计高峰小时交通量。

根据文献[5]～[8],隧道通风分为自然通风和机械通风两大类。目前，我国隧道运营通风以各种纵向通风方式及其各种组合为主，我国已建的长度大于5 000 m的高速公路特长隧道普遍采用“通风井送排式+射流风机”组合通风方式。对双向交通隧道，当L·N≥6×105，其中，L为隧道长度，m；N为设计小时交通量，veh/h，可设置机械通风。

而隧道通风标准是需风量计算的基础，也是保证隧道内行车舒适性和安全性的关键技术指标。根据文献[9]～[12],汽车排放的废气包括CO，NO2，Pb，CO2，SO2，H·CHO和烟尘等，其中，CO和NO2对人体健康的影响比较突出，故通风设计时以将其浓度控制在一定的安全限度内作为主要的设计指标之一，即CO设计浓度和NO2设计浓度，隧道通风的主要稀释对象限于CO，NO2,烟尘和空气中的异味。隧道空间最小换气频率不应低于3次/h，采用纵向通风的隧道，隧道换气风速不应低于1.5 m/s。

1 特长隧道段的路线及隧道方案比选概况

本项目全线采用双向四车道高速公路标准进行设计，设计速度为100 km/h，路基宽度为26 m(整体式)；13 m(分离式)，停车视距为160 m。全线设桥梁13 799.75 m/42座，其中特大、大桥13 734 m/41座，设隧道7 400 m/4座，其中特长隧道1座，长6 260 m，桥隧比例约为47%。

设特长隧道段的路线方案拟定了K线、A2线共2个方案进行比选。K线方案作为推荐方案，设一座短隧道314 m，随后经过约50 m的路基段露头，进入特长隧道，长6 260 m，K85+350～K89+270之间存在平均纵坡为2.848%的陡坡长3.3 km，基本消解了长大纵坡问题。A2线为特长隧道较短的路线方案，设特长隧道长5 835 m，随后以500 m长的桥梁跨越冲沟，进入一座中隧道，长898 m，取消了特长隧道之前的短隧道，K85+350～K89+070之间存在平均纵坡为2.71%的陡坡长3.72 km，基本消解了长大纵坡问题。综合其他因素，由于路线方案K线与A2线进行同深度比选，因此，通风设计的方案比选亦同时选择K线与A2线进行分析研究。

2 通风方案比选的目的

根据特长隧道通风的需要，特长隧道可能需要设置竖井或斜井进行通风，由于路线穿越多个市(县)级保护区，且隧道埋深比较大，在路线总体设计阶段应充分考虑隧道的通风方案。因此，对K线、A2线特长隧道的通风方案进行分析比选，对完善路线的总体设计尤为重要。通风设计应结合正常运营通风需求，火灾工况下紧急通风需求，工程造价，工程环保性等等因素进行综合考虑。

3 隧道需风量计算

隧道需风量的计算与隧道交通量、交通组成、车速、车况、隧道长度、允许的有害气体浓度与能见度、纵坡等因素相关，它是隧道通风设计计算的核心。

3.1 CO排放量及稀释CO需风量计算

CO排放量的计算：

(1)

其中，QCO为隧道全长CO排放量,m3/s；qCO为CO基准排放量，可取 0.01 m3/(辆·km)；fa为考虑CO的车况系数，取1.0；fd为车密度系数，与车速有关；fh为考虑CO的海拔高度系数；Nm为相应车型的设计交通量，辆/h；fm为考虑CO的车型系数；fiv为考虑CO的纵坡—车速系数；n为车型类别数；L为隧道长度,m。

稀释CO需风量的计算：

(2)

其中,Qreq(CO)为隧道全长稀释CO的需风量,m3/s；p0为标准大气压，可取101.325 kN/m2；p为隧址设计气压；T0为标准气温，取273 K；T为隧道夏季的设计气温；δ为CO设计浓度。

3.2 烟雾排放量及稀释烟雾需风量计算

稀释CO需风量的计算：

(3)

其中,Qvi为隧道全长烟雾排放量,m3/s；qⅥ为烟雾基准排放量；fa(Ⅵ)为考虑烟雾的车况系数，取 1.0；fh(Ⅵ)为考虑烟雾的海拔高度系数；fd为车密度系数；fiv(Ⅵ)为考虑烟雾的纵坡—车速系数；fm(Ⅵ)为考虑烟雾的车型系数；nD为柴油车车型类别系数；Nm为相应车型的交通量,veh/h；L为隧道长度,m。

稀释烟雾需风量的计算：

(4)

其中，Qrep(Ⅵ)为隧道全长稀释烟雾的需风量，m3/s；K为烟雾设计浓度，m-1。

3.3 隧道换气需风量计算

隧道换气需风量应按式(5)，式(6)计算，并取其大者作为隧道空间不间断换气的需风量。

按换气频率计算：

(5)

其中,Qrep(x)为隧道全长稀释空气中异味的需风量,m3/s；Ar为隧道净空断面面积；nx为隧道全长空间不间断换气频率；t为时间，3 600 s。

按纵向通风计算:

Qrep(x)=Vx·Ar

(6)

其中,Vx为隧道换气风速，风速不小于2.5 m/s；Ar为隧道净空断面面积。

3.4 隧道火灾防烟与排烟的需风量计算

隧道火灾防烟与排烟的设计应根据隧道规模和火灾标准分析火灾临界风速。纵向式通风隧道火灾防烟与排烟的需风量应按式(7)计算：

Qrep(f)=Vc·Ar

(7)

其中,Qrep(f)为隧道火灾防烟与排烟的需风量,m3/s；Vc为隧道火灾防烟与排烟的临界风速，取3 m/s。

4 隧道交通量及通风计算参数

根据项目工程可行性研究报告的交通量预测，近期取2030年的平均日交通量(辆/d)(小车)，远期取2039年平均日交通量(辆/d)(小车)。结合道路交通的调研情况，将左、右线车辆比例系数调整为0.55，高峰小时交通量占年平均日交通量比重调整为10%，按照汽车车型折算系数和汽、柴油车比例，将其换算成实际车型的交通量，沿线各隧道近远期交通量见表1。

表1 隧道高峰小时交通量 辆/h

4.1 隧道通风标准

根据隧址区的工程实际情况，通风标准取值如下：

1)一氧化碳(CO)最高容许浓度：

δ=100 cm3/m3(正常运营)。

δ=125 cm3/m3(交通阻滞)。

阻滞段的平均CO设计浓度可取125 cm3/m3，经历时间不超过20 min。

2)由于隧道内采用LED灯进行照明，烟雾最高容许浓度取值如表2所示。

表2 隧道内烟雾允许浓度K

3)通风换气标准。通风换气次数3次/h，同时考虑最低风速1.5 m/s的要求。

4)火灾工况临界风速确定。隧道火灾设计当量取30 MW，隧道临界风速取3 m/s。

4.2 隧道通风计算参数

通风设计参数选择见表3。

表3 通风计算参数表

5 推荐线(K线)特长隧道的通风计算

该隧道内轮廓按建筑限界宽11 m，高5.0 m，净空面积为70.46 m2，当量直径为8.57 m。其平均设计标高为292 m，左、右线设计行车速度为100 km/h，按上下行分离式设置，左线隧道长度为6 268 m，纵坡采用人字坡1.947%(5 539 m)及-0.603%(729 m)；右线隧道长度为6 252 m，纵坡采用人字坡1.95%(5 525 m)及-0.603%(727 m)。

5.1 隧道需风量

由于短隧道与特长隧道纵向间距仅为35 m，短隧道右线排出的污染气体会进入特长隧道，在计算右线特长隧道时考虑其串流的影响。通过计算隧道近远期稀释Ⅵ、稀释异味及火灾工况下不同设计时速下需风量：

左线：近期及远期均为368 m3/s；右线：370 m3/s(近期),627 m3/s(远期)。

5.2 通风方案

左线近期设计风速为5.22 m/s，远期设计风速5.22 m/s。右线近期设计风速5.25 m/s，远期设计风速8.9 m/s。根据上述通风计算结果，同时考虑通风安全性、对环境的影响、设备及运营费用的差别、土建费用的差别、施工难度等5个因素进行综合比选。理论上左、右线隧道正常运营通风采用纵向全射流通风即能满足规范要求，但考虑到隧道里程较长，远期洞内最大风速已达8.9 m/s，右线隧道正常运营工况下采用纵向送排式通风方案。左线隧道考虑到排烟需求需要进行分段排烟。由于隧道进口段没有设置竖/斜井的条件，结合分段通风的计算结果及地形条件，考虑到竖井深度较大，深度达500 m以上，因此，采用斜井通风方案，斜井将右线隧道分成4 420 m，1 832 m两段。

根据地形条件斜井出口标高约为445 m，高差119 m，斜井长度约1 100 m，纵坡为10.8%。斜井送风道面积约为12 m2，斜井排风道面积约为24 m2。另外左线隧道通过设置联络风道联通右线排风道进行重点排烟，联络风道断面面积约为19 m2。设置地上风机房，近期设置送风机1台，排烟风机2台,见图1。

正常运营工况下左线隧道进行纵向全射流通风，右线隧道进行纵向送排式通风方案。火灾工况下左线隧道通过控制组合式风阀利用右线隧道排风道进行分段排烟，排烟口将左线隧道分成1 839 m，4 429 m两段。右线隧道通风排风道进行分段排烟，排风口将右线隧道分成4 420 m，1 832 m两段。

隧道斜井轴流风机参数见表4。

表4 隧道斜井轴流风机性能参数表

隧道射流风机设置功率见表5。

表5 隧道射流风机配备一览表(一)

5.3 成本分析

正常运营工况下运营费用测算：

轴流风机按每天运行2 h，射流风机运行4 h，电费0.8元/度，年运营费用约为191.2万元，按10年计算总电费为1 912万元。

设备费用测算：约630万元。

6 比较线(A2线)特长隧道的通风计算

该方案特长隧道内轮廓按建筑限界宽11 m，高5.0 m，净空面积为70.46 m2，当量直径为8.57 m。隧道平均设计标高为291 m，左、右线设计行车速度为100 km/h，按上下行分离式设置，左线隧道长度5 896 m，纵坡采用人字坡1.95%(5 684 m)及-1.526%(212 m)的人字坡；右线隧道长度为5 858 m，纵坡采用人字坡1.95%(5 683 m)，-1.526%(175 m)的人字坡。中隧道按分离隧道设置，左线隧道长885 m，纵坡采用单坡-1.526%，右线隧道长910 m，纵坡采用单坡-1.526%。

6.1 隧道需风量

通过计算隧道近远期稀释Ⅵ、稀释异味及火灾工况下不同设计时速下需风量：

左线：近期及远期均为346.2 m3/s；右线：357 m3/s(近期)，606 m3/s(远期)。

6.2 通风方案

该特长隧道左线近期设计风速为4.91 m/s，远期设计风速4.91 m/s；右线近期设计风速5.07 m/s，远期设计风速8.6 m/s。根据通风计算结果，同时考虑通风安全性、对环境的影响、设备及运营费用的差别、土建费用的差别、施工难度等5个因素进行综合比选。根据计算左、右线隧道正常运营通风采用纵向全射流通风即能满足规范要求，但考虑到隧道里程较长，远期洞内最大风速已达8.6 m/s，右线隧道正常运营工况下采用纵向送排式通风方案。左线隧道考虑到排烟需求需要进行分段排烟。由于隧道进口段没有设置斜井的条件，结合分段通风的计算结果及地形条件，竖井与主洞相交位置将右线隧道分成4 273 m，1 585 m两段，竖井深度约344 m。

竖井送风道面积约为12 m2，竖井排风道面积约为21 m2。另外左线隧道通过设置联络风道联通右线排风道进行重点排烟，联络风道断面面积约为19 m2。设置地上风机房，设置送风机2台，排烟风机2台，见图2。

隧道竖井轴流风机参数见表6。

表6 隧道竖井轴流风机性能参数表

射流风机设置功率见表7。

表7 隧道射流风机配备一览表(二)

6.3 成本分析

正常运营工况下运营费用测算：

轴流风机按每天运行2 h，射流风机运行4 h，电费0.8元/度，年运营费用约为161.8万元，按10年计算总电费为1 618万元。

设备费用测算：通风设备费用约为620万元。

7 K线及A2线方案比选

K线及A2线特长隧道通风方案优缺点汇总见表8。

表8 K线及A2线通风方案优缺点汇总表

K线及A2线隧道方案投资及运营成本分析比选结果见表9。

表9 特长隧道费用对比汇总表

8 结论与问题

隧道通风设计的核心是计算其需风量，除考虑隧道交通量、交通组成、车速、车况、隧道长度、允许的有害气体浓度与能见度、纵坡等因素外，通风设计应结合正常运营通风需求，火灾工况下紧急通风需求，工程造价，工程环保性等因素进行综合考虑。

在确定路线总体设计方案阶段，应充分考虑特长隧道通风方案对总体设计方案的影响，在确定隧道通风方案时，除根据隧道通风计算结果外，应同时考虑通风安全性、对环境的影响、设备及运营费用的差别、土建费用的差别、施工难度等方面进行综合比选。

本文研究表明，若仅考虑特长隧道通风的单一因素，隧道越短、通风方案越优，A2线特长隧道通风方案略优于K线，但综合考虑项目的土建安装费用、机电设备购置费、斜或竖井费用、施工可行性、运营安全、运营成本、对环境的影响等因素，显然，K线特长隧道方案优于A2线。因此，在确定隧道通风方案时，应进行多因素比选，以确定最优的设计方案。

随着设计的深入，下一步应结合路线优化结果进一步优化结构布设方案，特别是竖或斜井布设的位置、长度、断面尺寸等。

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[2] JTG D70/2—2014，公路隧道设计规范[S].

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Comparison and exploration of extra-long highway tunnel ventilation schemes

Li Hui

(LianyingAdministrationDepartment,GuangdongNanyueTrafficLong-HuaiHighwayAdministrationCenter,Guangzhou513000,China)

Through calculating and analyzing the extra-long tunnel air volume, the paper puts forward the suggestion of setting vertical ventilation shaft or inclined-shaft. Combining with air volume demands under normal operation and fire emergency conditions, it carries out comprehensive analysis from aspects of operation safety, operation cost, driving comfort, construction feasibility, engineering cost and environmental protection demands, it finally determines optimal tunnel ventilation scheme.

extra-long tunnel, ventilation design, required air volume, traffic volume

1009-6825(2016)18-0154-04

2016-04-14

李 慧(1983- )，女，工程师

U453.5

A