骆驼山隧道通风技术研究

郭婷婷

（山西省交通规划勘察设计院，山西 太原 030012）

京昆国家高速公路太原绕城西北段改线工程（太原西北二环）高速公路项目第BEH标段是山西省高速路网重点项目之一，是加强国防建设和抗灾防险的需要，对带动区域经济发展具有积极的推动作用。骆驼山隧道是其中的一个特长隧道，本文将对该隧道的通风方案进行比选确定。

1 工程概况

骆驼山隧道所属区域属于暖温带半干旱大陆性气候，四季分明，一月份最冷，平均气温-7.3℃，最低曾降至-25.7℃。七月份最热，平均气温23.5℃，最高曾达38.2℃。根据地质调查，隧址区范围内未见地下水出露，冲沟内也无地表水流，属埋藏型裂隙岩溶水。骆驼山隧道平均设计标高为1169 m，隧道主洞内轮廓采用三心圆曲墙断面，其净宽11.0 m，净高5.0 m。左线隧道长度为7140 m，采用-1.9%（7140 m）的单坡；右线隧道长度为7120 m，采用+1.9%（7120 m）的单坡。

根据《公路隧道通风设计细则》[1]JTG/T D70/2-02—2014（以下简称《细则》）规定，单向交通隧道，当符合L×N≥2×106时可设置机械通风（其中L为隧道长度，N为设计小时交通量）；同时，根据《细则》第10.1条：长度L＞1000 m的高速公路隧道应设置火灾机械防烟与排烟系统。通过计算确定骆驼山隧道需设置机械通风。

2 运营通风系统基础参数

2.1 隧道通风标准

2.1.1 隧道内CO的设计浓度δco

依据《细则》第五章规定选取正常交通及阻滞工况下隧道内CO的设计浓度，如表1所示。

表1 隧道内CO设计浓度δco cm3/m3

2.1.2 烟尘设计浓度K

依据隧道照明设计方案，本文烟尘设计浓度选用LED灯隧道烟尘允许浓度，如表2所示。

表2 烟尘设计浓度K

2.1.3 机动车基准排放量取值

依据《细则》，以2000年为起点，按每年2.0%的递减率（最高不超过30年，即2030年后以2030年的基准排放量为准）计算出近、远期年份的有害气体基准排放量。本次计算以2030年为近期，2040年为远期，因此近、远期的基准排放量相同：正常交通与交通阻滞工况时，烟尘的基准排放量为1.091 m2/（veh·km）；正常交通时CO的基准排放量为0.0038 m2/（veh·km），阻滞工况下CO的基准排放量为0.0082 m2/（veh·km）。

2.1.4 换气要求

依据《细则》，隧道内换气频率ns取为3次/h，同时保证隧道内换气风速大于1.5 m/s。

2.1.5 火灾工况

依据《细则》第 10.2条规定：长度 L大于5000 m的单向交通高速公路隧道火灾最大释热率取30 MW，对应的火灾临界风速取3～4 m/s，因此本文骆驼山隧道取隧道火灾临界风速为3.5 m/s，公路隧道的火灾排烟设计应考虑火风压的影响。

2.2 技术参数

a）道路等级 高速公路，双洞隧道，每洞两车道单向行驶。

b）通风计算行车速度 隧道内的设计车速为80 km/h。正常行车速度下限取V=40 km/h；阻滞情况下阻滞段外行车速度分别取40 km/h和30 km/h。

c）隧道摩阻系数 λ=0.02。

d）自然风速 vn=2.5 m/s。

e）隧道净空断面积 Ar=71.84 m2。

f）断面周长 Cr=33.07 m。

g）断面当量直径 Dr=8.69 m。

h）大型车混入率 近期rl=58.6%，远期rl=54.2%。

i）隧道夏季的设计气温，取25℃。

2.3 交通量参数

本路段预测混合交通量如表3所示，车型折算系数如表4所示，车型分布情况如表5所示，交通量方向不均衡分布系数D的标准值取0.52，高峰小时交通量占年平均日交通量的12%。按照汽车车型折算系数和汽柴油车比例，将其换算成实际交通量。

表3 隧道混合交通量 veh/h

表4 车型折算系数

表5 车型分布情况

3 隧道需风量计算

公路隧道通风主要考虑对烟尘、一氧化碳及空气中的异味进行稀释，同时针对正常运营工况、火灾及交通阻滞等异常工况进行全面考虑[2]。

3.1 稀释CO的需风量

隧道内CO排风量计算公式如式（1）：

式中：Qco为隧道CO排放量；qco为设计目标年份的CO基准排放量；fa为车况系数；fd为车密度系数；fh为海拔高度系数；fm为车型系数；fiv为纵坡——车速系数；n为车型类别数；Nm为相应车型的交通量。

稀释CO的需风量计算公式如式（2）：

式中：Qrep(co)为隧道稀释CO的需风量；δ为CO浓度；P0为标准大气压，取101.325 kN/m2；P为隧址大气压；T0为标准气温，取273 K；T为隧址夏季气温。

3.2 稀释烟尘的需风量

隧道内烟雾排放量的计算公式如式（3）：

式中：QVI为隧道烟尘排放量；qVI为设计目标年份的烟尘基准排放量；fa(VI)为考虑烟尘的车况系数；fd为车密度系数；fh(VI)为考虑烟尘的海拔高度系数；fiv(VI)为考虑烟尘的纵坡——车速系数；fm(VI)为考虑烟尘的柴油车车型系数；nD为柴油车车型类别数；Nm为相应车型的交通量。

稀释烟尘的需风量计算公式如式（4）：

3.3 换气工况的需风量

隧道内稀释空气中异味的需风量Qreq(ac)由隧道长度L、隧道内轮廓断面积Ar及换气频率共同确定，公式如式（5）：

由于骆驼山隧道采用纵向通风方式，因此还需满足换气风速vac大于1.5 m/s的规定，此要求下换气工况的需风量需同时满足：

3.4 火灾工况的需风量

隧道内火灾工况下的排烟需风量Qreq(f)由临界风速vc和隧道内轮廓断面积Ar确定，公式如式（7），经计算得出骆驼山隧道左、右洞火灾工况下的需风量均为251.44 m3/s。

3.5 左、右洞需风量计算结果

独立隧道需风量计算时，按照行车速度以下每10 km/h一档，分别计算稀释烟尘的需风量、稀释CO的需风量、稀释空气中异味的需风量和火灾工况时的需风量，取其最大值作为隧道最终实际需风量。骆驼山隧道左、右洞各工况下的需风量计算结果如表6～表9所示。

表6 骆驼山隧道右洞各工况下需风量计算结果 m3/s

表7 骆驼山隧道左洞各工况下需风量计算结果 m3/s

表8 骆驼山隧道右洞需风量 m3/s

表9 骆驼山隧道左洞需风量 m3/s

4 隧道通风方案比选

根据骆驼山隧道需风量发现，隧道右线需风量不大，主要通风需求为稀释空气异味，若采用全射流风机通风，隧道内设计风速均小于7.0 m/s，风速合适，满足通风要求，因此右线采用全射流纵向通风。左线近期风速为6.6～15.2 m/s，远期风速均超过10 m/s，同时，左线主要通风需求为稀释烟尘，加之本项目中大车混入率高，若不采用分段通风，风速较高，容易加重粉尘污染，使隧道内卫生环境更差，达不到隧道安全卫生标准，故应采用分段纵向通风方式。

骆驼山隧道所在区域为自然保护区，在其缓冲区内才可设斜井。从实际地形地貌、通风需求和施工进度三方面考虑，先后提出了两个通风方案，具体方案如下：

a）方案一 左线一斜井分两段轴流风机送排风+射流风机通风；右线全射流风机通风，布置如图1。

图1 骆驼山隧道通风方案一系统图

如图1所示，隧道左线设一个通风斜井，同时为隧道右线设置联络排风道，用于火灾工况下排烟需要，经联络风道分段，隧道右线被划分为两个防火分区。

方案一只设一个通风斜井，节省了主体土建工程。但经过详细计算后发现，此方案并不能满足隧道远期通风需求。由表10的计算结果可知远期两通风段的设计风速Vr1、Vr2均大于10 m/s，不满足规范要求。同时，各通风段所需射流风机数量已超过各段的最大射流风机安装量。所以，方案一不可行。

表10 方案一右线通风计算结果表

b）方案二 左线两斜井分3段轴流风机送排风+ 射流风机通风；右线全射流风机通风，布置如图2。

图2 骆驼山隧道通风方案二系统图

如图2所示，方案二中隧道左线设1号、2号两个通风斜井，将隧道分为3段，同时为隧道右线设置联络排风道，用于火灾工况下排烟需要，经联络风道分段，隧道右线被划分为3个防火分区，在兼顾正常通风需求的基础上较好地满足了隧道防灾需要。经详细计算后其结果如表11，可以看出方案二能很好地满足各工况下的隧道通风需求，远期三通风段的设计风速 Vr1、Vr2、Vr3均小于 10 m/s。同时，隧道运营通风斜井兼做隧道主洞辅助施工工作井用，增加工作面，可有效缩短工期。

表11 方案二左线通风计算结果表

5 结语

以新版公路隧道通风规范为标准、以骆驼山隧道各项参数为基础进行数值计算，最后以计算结果为依据对骆驼山隧道通风方案进行比选研究，最终推荐使用方案二。

方案二左线设两通风斜井分3段式纵向送排风，既确保隧道内有良好的通风环境，又降低了隧道内的设计风速，保证人员的行车安全。同时为隧道右线设置联络排风道，用于火灾工况下排烟需要，在兼顾正常通风需求的基础上较好地满足了隧道防灾需要。因此，从通风标准、技术要求、防灾救援及工程经验等方面综合考虑，方案二均可行。