特长公路隧道联络风道的通风方案优化

杜江林，王宇皓，周雄华，高世军

（1．四川川交路桥有限责任公司，四川 广汉 618300；2．西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031；3．四川巴陕高速公路有限责任公司，四川 成都 610041；4．四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院，四川 成都 610041）

0 引 言

随着高等级公路的快速发展，公路隧道的建设规模日益扩大，但目前仍存在着制约特长公路隧道发展的诸多因素，其中特长隧道的运营通风是一个迫切需要解决的主要问题。

由于正洞与竖井之间的联络风道在较短距离内出现变形（弯曲、折曲、突扩、突缩等），其通风压力损失非常大，因此有必要对联络风道局部通风效果进行分析评价，进而寻找减少局部通风压力损失的有效措施，以达到节约能耗的目的［1－5］。

本文以米仓山特长公路隧道竖井联络风道为研究对象，通过建立三维数值计算模型对联络风道进行模拟，计算风道中心面压力和速度大小随入洞距离的变化，从通风风阻的角度分析该通风系统取消二衬的可能性。

1 工程背景

1．1 工程概况

米仓山隧道位于国高网G69银川至百色高速公路四川巴中至陕西汉中段川陕交界位置，穿越米仓山国家森林公园，为左右分离式特长隧道，长约13．8km，设计行车速度80km·h－1，单洞双车道净宽10．25m，是目前西南地区最长的公路隧道，如图1所示。

隧道施工不仅存在瓦斯、硫化氢有害气体的问题，还面临高地应力岩爆等不良地质问题。建设单位根据米仓山隧道环保要求、地形地质条件并结合辅助施工的需要，拟定多种可能的营运通风方案，经过详细的技术和经济等综合比较，确定采用四区段（两端无轨运输斜井、中部竖井）通风方案，如表1所示。米仓山隧道中部竖井深约435m，地下风机房开挖断面大，联络通道具有长度长、坡度陡、断面变化复杂等特点，且大断面与交叉洞室较多，如图2所示。

图1 米仓山隧道地形和地质

表1 米仓山隧道通风分段参数

1．2 取消联络风道二衬方案

施工方在施工过程中发现，按目前的设计方案，即风道采用喇叭形开口，洞身开挖、二衬全部采用变截面施作，施工难度大，施工速度缓慢。故施工方根据目前设计情况，并结合竖井施工揭示围岩实际情况，提出了取消联络风道二衬的解决方案。

地下联络风道与地下风机房连接处采用变截面进行施工和支护，单边变截面区段长度为20m，在竖平面内，联络风道线型包含多个小半径曲线，上下坡度较大。由于采用变截面以及风道坡度问题，开挖施工和二衬施作都比较困难，需要单独制作模板台车。现场施工竖井的开挖揭示围岩实际情况（Ⅱ级～Ⅲ级）好于风道设计时的预计情况（Ⅳ级），因此提出了联络风道取消二衬并采用喷锚支护作为永久支护的方案，以达到减小施工难度、节约建设成本的目的。

2 数值计算

本文主要针对取消联络风道二衬施工方案开展计算分析，从通风风阻的角度对取消二衬的可行性进行讨论［6－8］。

取右线送风通道风机与隧道间变截面段为研究对象，如图3所示。模型水平跨度为30m，包括变截面段20m以及前后各5m。建立三维模型并划分网格，如图4所示。

入口使用速度入口（Velocity－Inlet），按照隧道内3m·s－1风速及入口速度、入口截面积计算得到通风量为260m3·s－1。出口采用压力出口（Pressure－Outlet），出口压力设为一个标准大气压101 235Pa。壁面采用固壁边界（Wall），其中有二次衬砌及没有二次衬砌（有初支且平整处理）的情况的粗糙度均设为0．36mm。

图2 米仓山隧道通风方案示意图

图3 右线送风联络通道纵断面

图4 三维模型及网格划分

两种情况下风道中心面压力分布如图5所示。由压力云图可以看出，压力从入口到出口逐渐减小，气流在通过风道时，产生了压力损失。风道风阻越小，压力损失就越小；反之，风阻越大，压力损失也越大。在保证通风量的情况下，压力损失越大就意味着需要更大功率的风机，即更多能耗［9－10］。

图5 风道中心面压力云图

图6为风道中心面速度分布云图，进出口速度平均值具体见表2。

图6 风道中心面速度云图

表2 米仓山隧道通风分段参数

在通风量相同的情况下，工况1（有二衬）压力变化明显，工况2（无二衬）压力变化较小；有二次衬砌的情况下，压力损失较大，为135Pa，主要是因为截面积较没有二衬的情况小，水力半径小，因此风阻较大。工况1进出口速度较大，这是因为截面积较小，在相同通风量的情况下流速就更大。流速大会导致风道壁面的摩擦阻力增加，这也是压力损失较大的另一个原因［11－14］。

根据本次计算的结果，可以对整条联络风道的风阻情况进行预估，结果如表3所示。估算结果显示，在设置衬砌的情况下（工况1），左线联络风道压力损失为585Pa，右线联络风道压力损失为837 Pa。取消二衬并对风道壁面进行处理后（工况2），左右线联络风道的压力损失分别减少208、298Pa，其中风道壁面处理能减少约5%的压力损失。

减少了压力损失也就减少了通风所需功率，既可以降低建设成本，使用较小功率的风机，也可以节约运营成本，减少通风的能源消耗［15－18］。

表3 联络风道压力损失及所需功率估算

3 结 语

本文讨论变截面风道取消二衬的施工方案，主要是因为：在竖井施工过程中发现隧址范围内围岩完整性较好，围岩级别达到Ⅰ级和Ⅱ级，围岩级别较高，工程性质较好；联络风道截面较小，竖井联络道截面变化较大，且存在很多上下坡，二衬作业时无相应模板台车，施工面临较大难度。

调研目前规范条例以及国内外相关隧道工程施工实例发现，在围岩级别较好的情况下，满足一定的前提条件，可以考虑取消二衬，用喷锚支护作为永久支护。通过建立三维数值计算模型对联络风道进行模拟，计算了风道中心面压力和速度大小随入洞距离的变化，从通风风阻的角度分析了该通风系统取消二衬的可能性，为后一步进行工程应用奠定了基础。

（1）取消联络风道二次衬砌，会增大风道横截面积，减小风速，有助于降低通风摩擦阻力，减少压力损失，使通风所需功率减少约30%。

（2）风道壁面有必要进行平整处理，以进一步减小摩擦阻力，预计可减少压力损失5%左右。