东天山特长高海拔公路隧道通风系统优化

王修彬

（中交一公局集团第五工程有限公司，北京 100000）

公路隧道通风是隧道施工和运营中非常重要的一部分。隧道通风方案的设计和选择显著影响着后续隧道运营的成本，一个优质的通风方案往往能够在初期建设成本和后期运营成本中做好平衡，达到整体上的最优化。同时，车辆能源和通风设备的进步也给了隧道通风方案的改进和优化提供了更大的空间，也基于此推动隧道通风系统的研究不断向前发展。

在隧道通风方面最近的一些研究包括，刘凡等[1]采用CFD-Fluent 数值模拟软件对公路隧道合流段的通风特性进行了研究，分析了合流夹角、扩大断面处风速、出口风量、压损系数等因素的变化规律，并给出了最佳的隧道合流夹角。在隧道的通风设计中车辆烟雾和一氧化碳的基准排放量是决定通风系统设计的关键因素，郭志杰等[2]以海拔2800m 的新疆地区为试点地点对多种国IV 和国V 车辆进行烟雾和一氧化碳实测，并与《公路隧道通风设计细则》中的建议取值进行比较，认为应提高烟雾排放量和一氧化碳排放量的折减率应该予以提高。山岭隧道的修建中，可能会遇到难以逾越的地形，此时采用曲线隧道具有更好的适应性。骆阳等[3]以曲线隧道施工通风为研究对象，通过建立风机- 风管- 隧道施工通风系统的数值模型，计算了不同曲线隧道半径、风速下的隧道沿程阻力系数，并提出了相应的经验计算公式。秦小超以[4]隧道的建设工期、工程造价以及通风效果为指标，对特长公路隧道中不同斜井、竖井通风方案进行了论证，认为竖井与斜井相结合的方式能够实现整体上的最优。李蒙等[5]以特长公路隧道的施工通风为研究对象，根据隧道的施工进度分段设计了施工通风方案，并根据现场实测的污染物结果对通风方案进行了优化。康海波等[6]以高瓦斯隧道的施工通风为研究对象，在考虑瓦斯浓度和海拔的情况下将隧道全线划分为10 个不同的工区，分别进行施工通风方案的设计，并进行了区间优化。孔杰等[7]通过Fluent 建立了隧道通风系统模型，对不同坡度情况下射流风机的升压系数进行了计算，并给出了隧道坡度对风机升压系数的影响规律。海底隧道在隧道中段设置竖井具有较大施工难度，车轮飞等[8]根据海底隧道的顶部排烟道、服务通道、黄道岸边竖井和盾构底部救援通道的布置，提出了布设海中竖井的海中送排通风方案，并与海中设竖井通风的方案进行了对比。从上述研究可以看出，不同隧道类型的通风方案具有差异化的特征，难以通过一个设定好的范式取得整体最佳的效果，因此需要根据不同隧道类型对通风方案进行优化设计研究。

目前鲜有研究以通风效果和经济指标对公路隧道通风中斜井中隔板设置方式进行优化。本文将根据东天山特长高海拔隧道的埋深、海拔高度、交通情况对既有通风方案中的斜井通风进行优化研究，以期为类型工程提供参考。

1 工程概况

东天山特长隧道北起东天山北坡的巴里坤哈萨克族自治县，南至东天山南坡的哈密市，是《国家公路网规划》中G575 线的重要组成部分，同时也是G575 线巴里坤至哈密高速公路关键性控制工程，隧道左线长11764m，右线长11775m，为一级公路隧道，设计速度80km/h，双向四车道，单向通行。隧道断面面积65.61m2，左线有5091m 长的0.50%纵坡和6673m 长的-1.67%纵坡，右线有5117m 长的0.50%纵坡和6658m 长的-1.67%纵坡。进洞口设计高程2129.2m，出洞口设计高程2043.4m，轴线地面标高2023～3349m，最大埋深约1210m。

东天山隧道具有以下特点：（1）埋深大，斜井长。东天山隧道最大埋深约1210m，设有1#（左线）通风井、1#（右线）通风井和2#通风井共三座通风井，其中1#通风井长约2160m，2#通风井长约1340m。（2）海拔高。隧道进洞口设计高程2129.2m，出洞口设计高程2043.4m，需风量计算中CO 海拔高度系数1.94，海拔高度系数1.51，设计需风量远高于一般低海拔地区公路隧道。（3）大货车比例高。根据工程可行性报告交通量预测结果，通风系统设计特征年（近期：2030 年；远期：2041 年）隧道大货车、特大货车比例均超过70%，致使隧道稀释烟尘设计风量远超一般公路隧道。上述工程特点给东天山隧道的通风系统选择带来了较大的挑战，下面将结合东天山隧道的实际参数，对其通风系统的设计和优化展开讨论。

2 隧道需风量计算

2.1 隧道通风标准

根据《公路隧道通风设计细则》（JTG/T D70/2-02-2014）（以下简称《细则》）的要求，公路隧道通风设计应满足安全、卫生、舒适性标准，以稀释机动车排放的烟尘、一氧化碳以及带来的异味为主。结合东天山隧道设计参数，隧道通风设计采用的主要设计标准如表1 所示。

表1 东天山隧道通风主要设计指标

2.2 交通量及其组成

交通量与交通组成是进行通风计算的基础数据，根据《细则》的要求，通风设计采用的设计小时交通量应根据隧道所在路段项目可行性研究报告提出的设计（预测）年平均日交通量（AADT）进行换算，公路隧道通风设计应统筹规划，一次设计，通风设施可根据预测交通量变化分期实施。根据《公路工程技术标准》（JTG B01-2014）有关规定，一级公路隧道通风设计分期可按10 年为界划分。据此取东天山隧道近期设计特征年为2030 年，远期设计特征年为2041 年，得东天山隧道2030 年和2041 年预测交通量分别为16496 和22488pcu/d。根据预测车型的比例、汽油车与柴油车的比例、车型换算系数，高峰小时交通量取年平均日交通量的13%、重方向率取0.52，经换算得到隧道单幅高峰小时实际交通量如表2 所示。

表2 东天山隧道车型比例组成

2.3 隧道需风量

按照《细则》的要求，根据交通量、交通组成、通风标准、通风计算参数、隧道几何参数，对东天山隧道设计速度以下各工况车速10km/h 为一档分别计算稀释烟尘（VI）、一氧化碳（CO）所需需风量，并计算换气、交通阻滞以及火灾工况下的需风量，取其最大值为设计需风量，得隧道设计需风量如表3 所示。

表3 东天山隧道近远期需风量

3 既有通风方案

3.1 隧道通风分区方案

东天山隧道采用机械通风方案，即通过通风机械使隧道内空气沿着预定的路线流动来实现隧道内外的空气交换。机械通风可分为纵向式、半横向式、横向式以及组合式通风方式，该隧道为双洞单向行车隧道，故采用纵向送排式通风更为经济合理。根据隧道长度和控制需风量计算值，从防灾救援和运营通风角度测算东天山隧道需采用分三段纵向通风方式。结合隧道左右线纵坡关系和洞内斜井与主洞交点桩号，隧道正常运营通风左线分三段、右线分两段，火灾工况左右线均分三段排烟。隧道分段长度为左线第一区段长3891m，第二区段长4300m、第三区段长3549m。右线第一区段长3917m，第二区段长7843m，第二区段增加排烟通道，与左线2 号斜井排风道共用，各分段需风量计算如表4、表5 和图1，其中需风量后括号内的注释为该需风量的控制条件。

图1 隧道左右线近远期斜井设计需风量分布

表4 隧道左线通风分段长度和需风量计算表

表5 隧道右线通风分段长度和需风量计算表

3.2 既有斜井风道方案

目前，东天山隧道的通风系统土建部分已大部分施工完毕，进出口斜井均采用了单井方案，其中1#斜井采用地面风机房，2#斜井采用地下风机房，2 座斜井均采用十字形隔板，斜井内的中隔板布置，如图2 所示。既有隧道的风机配置方案如表6 所列。

表6 东天山隧道风机配置方案

图2 既有2#斜井风道设置

4 通风系统优化

4.1 隧道通风分区优化

根据隧道左右线起点与终点桩号和各通风井与主洞交叉桩号数据，可得各通风区段划分结果，即为左右线第一区段长度分别为3943 和3803m，第二区段长度分别为4303 和4364m、第三区段长度分别为3518 和3608m。按照上述隧道通风区段进行分段进行得到各个区段的近远期需风量如表7。

表7 隧道通风分段长度和需风量计算表

图3 优化后隧道左右线近远期斜井计算需风量分布

4.2 2#斜井风道优化

从通风原理上来说，在设置地面风机房时，通向各送排风点的通道须隔离设置，以确保轴流风机能够控制每个送排风点的风量和风压。而地下风机房的情况下，从风机到各送排风点由独立的送排风联络道相连，是相互隔离的。而从风机房至地表的风道来说，由于没有独立控制的要求，左右线的排风道可以合并设置。同理，送风道也可以合并设置，从而减少隔板，除了可以降低工程造价外，还可以降低斜井断面的占用，从而降低风速和通风系统的运营功率。通常来说竖隔板受力更好，也易于维保车辆通行。但本项目地下风机房及风道已施工完毕，两条送风联络道位于中部，两条排风道位于两侧，因此难以汇流成左右侧，故而建议采用横隔板方案，如图4。十字形隔板方案和单层隔板方案的相关技术指标对比如表8 所示。

图4 优化后2#斜井风道设置

表8 方案技术指标对比表

从上表可看出，单层隔板方案的新风量与十字形隔板方案完全一致，但由于减少了隔板，扩大了实际通风断面面积，降低了风速，因此降低了风阻，使得风压有一定幅度的降低，从而节约了轴流风机装机功率，技术上优于十字形隔板方案。

4.3 风机配置优化

2#斜井风道合并之后，各段风量没有变化，但风压有所降低。这是由于优化之后，扩大了送排风的断面，降低了风速所导致的，起到了节能减排的效果，优化后的风机配置如表9。

表9 东天山隧道风机配置方案

4.4 经济指标比选

经济指标主要从土建费用、风机设备购置费用、运营期电费三个方面进行比选。目前，东天山隧道的通风系统土建部分已大部分施工完毕，两个方案的土建费用差异体现在斜井隔板的设置上，隔板长度按2#斜井全长计算。风机配置应该遵循一次设计、分步实施的原则，按近、远期分别配置更换两次的步骤来实施。运营期电费按照30 年计算，经济比选如表10 所示。

表10 方案经济指标对比表

5 结论

东天山特长隧道具有埋深大、斜井长、海拔高、大货车比例高等工程特点，这为通风系统的设计和优化带来了较大挑战，目前东天山隧道目前已基本建设完成，通过对东天山隧道通风系统的检核和优化可以发现：

5.1 隧道通风井设计风速影响风机配置和能耗，但不影响隧道行车主洞通风风速，不涉及运营安全问题。

5.2 随着车辆技术和燃油技术的进步，特别是“国V”“国VI”燃油标准的推广，燃油车实际排放量比规范已大为降低。在可预见的未来，电动汽车的比例也会逐步提高。因此实际的需风量会大大低于上述计算值。这也是现在大量隧道通风系统闲置比例较高的原因之一。因此上述计算结果即使高于推荐值，实际影响不大。

5.3 单层隔板方案（优化后）与十字形隔板方案（既有方案）相比，需风量与方案一完全一致，但由于减少了隔板，扩大了实际通风断面面积，降低了风速，因此降低了风阻，使得风压有一定幅度的降低，从而节约了轴流风机装机功率。