某超特长公路隧道通风方案优选设计探讨

2021-05-14贾佳欣曾柯华

工程建设与设计 2021年6期

贾佳欣，曾柯华

（1.四川公路桥梁建设集团有限公司勘察设计分公司，成都610041；2.四川乐汉高速公路有限责任公司，四川乐山 614200）

1 通风方案设计思路

研究通风方案时，既要结合隧道所处区域的地形与地质情况、运营情况以及防灾救援，又要考虑隧道长期运营的经济效益，因此，方案设计应坚持先期建设投资与后期运营费用并重原则、近期和远期工程相结合原则以及正常运营和防灾救援相结合原则。

同时，公路隧道通风设计根据公路等级、隧道长度、设计交通量、车道数、平纵线形、地形地质、隧道海拔高程、隧址区域自然条件等因素，进行技术性与经济性的综合比较，确定合理的通风方案。然而，在工程实施中，面对复杂多变的地质条件，隧址区的地质条件可能成为影响通风方案可行性和经济性的重要指标，因此，本文将“地质优选”通风方案的理念引入超特长公路隧道通风设计[1]。

2 通风方案设计

2.1 依托工程及其背景

本文的依托工程为峨汉高速大岩隧道，为双向四车道高速公路隧道，左线长7 009 m，纵坡为1.7%和-1.9%；右线长7 019 m，纵坡为1.7%和-1.9%。隧道位于汉源县顺河彝族乡和万工乡境内，高程在700~2 300 m，相对高差为800~1 600 m，坡度一般为30°~40°，属于中山地貌，地形地貌条件复杂多变。

2.2 通风计算基本参数

交通量预测为：2022 年 7 988 pcu/d，2030 年 14 315 pcu/d，2035年18 552 pcu/d，2041年25 540 pcu/d，2051 年34 435 pcu/d。

计算参数为：（1）行车时速为80 km/h，内空断面积为66 m2，隧道内空当量直径8.35 m；（2）正常行车设计控制风速≤10 m/s，火灾工况下设计控制风速为2~3 m/s，稀释异味设计控制风速≥1.5 m/s；（3）射流风机采用 SDS-112T-4PD5，直径 1 120 mm，电机功率37 kW。

2.3 通风计算结果

通过计算，大岩隧道需风量及设计风速计算结果如下：

左洞：稀释CO（一氧化碳）需风量=309.8 m3/s，稀释烟雾需风量=280.05 m3/s，稀释异味需风量=386.39 m3/s，三者取最大值386.39 m3/s；洞内计算风速=5.85 m/s；风机台数=58 台。

右洞：稀释CO（一氧化碳）需风量=310.95 m3/s，稀释烟雾需风量=267.87 m3/s，稀释异味需风量=387.82 m3/s，三者取最大值为387.82 m3/s；洞内计算风速=5.87 m/s；风机台数=58 台。

对计算结果进行分析，大岩隧道全纵向射流通风可以满足通风要求，洞内最大风速为5.87 m/s，风机布置台数为58台。但JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通风设计细则》10.2.7规定，采用纵向排烟的单向交通隧道，火灾烟雾在隧道内的最大行程不宜大于5 000 m，因此，需设置排烟井进行分段排烟。设置排烟井后亦可考虑将风井断面扩大参与运营通风，进一步降低通风能耗。据此通风方案有全射流+分段排烟和通风井分段通风两大类[2]。

2.4 通风方案设计

2.4.1 确定通风井井口位置

通风井分段式通风或者全射流+分段排烟均是将隧道分成2 个区段进行通风，结合隧道的纵坡和通风分段长度确定通风井口位置，如图1 所示。

图1 通风井井口位置布置

2.4.2 通风方案技术经济指标比选

为了确定本隧道最佳通风方案，需综合考虑经济、技术、防灾要求进行通风方案比选，如表1 所示。

表1 全射流+分段排烟与分段通风方案经济技术比较表

从表1 可以看出，通风横洞分段通风方案与全射流+分段排烟方案相比总费用省，采用分段式通风可为远期交通量的增长预留较大的空间。因此，推荐通风横洞分段式通风方案。

2.4.3 分段式通风方案地下通风系统设计

分段式通风方案通风区段分为2 个，分段长度为3 455 m+3 554 m，通风横洞长为670 m（含地下风机房）。大岩隧道地下通风系统由通风横洞、主体结构和附属结构组成，具体布置及相对位置关系如图2 所示。

图2 地下通风系统总体布置图

3 通风方案地质优选

3.1 原设计地质概况

大岩隧道附近的主要断层有顺河断层（F17）、桂贤断层（F18）及其分支断层（F18-1、F18-2）。其中，顺河断层（F17）位于隧道北侧，距离约650 m，而F18 在隧道出口的白岩河床通过，F18-2 断层呈大角度穿过隧道中部，F18-1 呈大角度穿过隧道出口汉源方向如图3 所示。

图3 隧道区断层分布图

隧址区域地层主要为上元古界上统灯影组麦地坪段（Z2-∈1dm）、灯影组三段（Z2-∈1d3）。穿越深灰色、灰白色微新白云岩，岩体较破碎-破碎，围岩稳定性差，可能产生一定规模的坍塌。地下水发育，可能发育岩溶，可能发生涌水突泥等现象，危险程度较大。围岩级别主要为Ⅲ级和Ⅳ级。

3.2 地质揭露情况

大岩隧道地下通风系统区域地层岩性以灯影组深灰色、灰白色微新白云岩为主，部分地段发育不同厚度的薄层泥灰质白云岩、薄层含碳泥质微晶白云岩或黏土岩软弱夹层，形成层间破碎带，导致围岩整体稳定性较差，导致围岩在自重作用下沿软弱夹层滑移失稳而产生破坏；受地质构造作用，该区域发育2 组优势节理裂隙，优势节理裂隙与岩层层面共同作用，使得岩体完整性较差，岩体较破碎~破碎，使围岩容易出现冒顶坍塌和局部塌落、掉块等变形破坏，影响围岩的整体稳定性；由于该区域位于富水地层，地下通风系统内的地下水发育，在地下水的作用下，其围岩质量变差，围岩稳定性相对较差；另外，隧道开挖后围岩应力发生重分布，尤其是在地下通风系统交叉口部位的洞段往往会导致应力集中，局部形成高应力区，导致岩体发生变形破坏或洞壁塌落，局部段落围岩泥质夹层或层间破碎较发育，从而导致洞壁围岩产生大变形。

通过取样试验，地下通风系统区域围岩级别均为Ⅴ级围岩，且其修正后的［BQ］(岩石质量指标)平均值小于200，大多数低于150。

3.3 通风方案地质优选

初步判断地下通风系统区域位于宽缓层间破碎带，地质条件极差，地下通风系统结构复杂、规模大，交叉口多，施工安全风险极大，初步估算地质因素引起造价增加5 000 万元以上。为了降低工程造价，控制总体土建成本，降低施工风险，对大岩隧道通风方案进行优化。综合考虑经济、技术、防灾要求，施工风险等因素，通风方案采用全射流+分段排烟方案[3]。