临清高速王家寨隧道通风井优化设计

郑勇 ZHENG Yong；蒋树屏 JIANG Shu-ping；李志厚 LI Zhi-hou；王安民 WANG An-min；殷志峰 YIN Zhi-feng；陈星宇 CHEN Xing-yu

（①云南省交通规划设计研究院有限公司，昆明 650041；②招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400000）

0 引言

临沧临翔至清水河高速公路王家寨隧道为一座分离式隧道，临翔端间距约为27m，清水河端间距约为24m，洞身段最大间距约为56m。王家寨隧道右幅桩号K21+440～K29+480，全长8040m，左幅桩号ZK21+460～ZK29+470，全长8010m。最大埋深右幅1022m，左幅1002m。隧道左右幅纵坡均为-1.75%，进口端处于反坡施工段。王家寨隧道设置1座通风斜井，斜井长1985m，斜井纵坡为-11.14%，风机房设置为地表。

隧址区位于云南省西南部，属横断山脉南段。隧道临翔端半成岩地段地形总体较缓，自然坡度5～10°，地表大部为耕地；清水河端花岗岩地段地形稍陡，植被发育，自然坡度12～30°。临翔端海拔1750.0～2110.0，相对最大高差360m，地貌类型属构造-侵蚀、剥蚀型中山地貌。隧道覆盖层为第四系残坡积层粉质粘土，下伏基岩为上第三系半成岩（约2.3km长）及三叠纪侵入岩花岗岩、石英片岩（约5.7km长）。本隧道半成岩段具有胶结差、岩质极软、孔隙比大、饱和度高、失水干裂、水稳性差，受扰动易发生溃砂、流土、突泥涌沙破坏等特点。（图1）

图1 王家寨隧道斜井布置示意图

隧道正洞自2018年3月开始进洞施工、斜井自2019年3月开始进洞施工，受临翔端半成岩（砂岩夹黏土岩）的地质条件制约，截止到2021年8月下旬，临沧端工区累计施工约900m，清水河端工区累计施工约3300m，斜井工区累计仅施工约242m。

斜井剩余1743m（其中半成岩308m）未开挖。按目前施工进度，斜井将不能为隧道主洞提供辅助工作面。斜井施工完成后，仅能作为通风风道使用。（图2）

图2 王家寨隧道施工进度示意图

1 王家寨隧道通风井原设计概况

1.1 隧道需风量计算

依据《公路隧道通风设计细则》中相关的隧道内的需风量的计算公式及参照《公路隧道设计手册》中有关通风计算的说明，结合本隧道的工程概况、预测交通量与交通组成以及隧道的通风技术标准等各值，对计算行车速度以下按10km/h为一档分别计算，不同工况下的需风量计算结果如表1所示。

表1 王家寨隧道两幅通车，各工况下的计算需风量

1.2 隧道通风设计

根据隧道运营需风量及防灾救援的需求，王家寨隧道总体通风系统采用左幅两区段纵向通风方式（送排+与右幅共用排烟道）+右幅全射流纵向通风方式（与左幅共用排烟道）。（图3）

图3 王家寨隧道通风斜井布置示意图

王家寨隧道左幅两区段段落划分为：隧道起点～ZK25+000为第一区段，ZK25+000～隧道止点为第二区段。

王家寨隧道右幅运营工况下不分区段。排烟工况二区段段落划分为：隧道起点～K25+000为第一区段，K25+000～隧道止点为第二区段。（表2）

表2 王家寨隧道方案需风量计算表

王家寨隧道现左幅布置30kW，直径Φ1120mm射流风机48台（24组），按照行车方向，隧道入口布置了8台（4组）射流风机，隧道中间第一段布置了12台（6组）射流风机，隧道中间第二段布置了12台（6组）射流风机，隧道出口布置了8台（4组）射流风机。

隧道右幅布置30kW，直径Φ1120mm射流风机60台（30组），隧道入口布置了8台（4组）射流风机，隧道中间第一段布置了12台（6组）射流风机，隧道中间第二段布置了12台（6组）射流风机，隧道中间第三段布置了12台（6组）射流风机，隧道出口布置了8台（4组）射流风机。

其中左、右幅排烟消防射流风机均为30台（15组）。

王家寨隧道左幅轴流排风风机3台，轴流送风风机2台。

1.3 隧道通风斜井设计

根据隧道运营通风需求及相关规范的要求，并考虑施工、结构受力等因素，拟定斜井内轮廓，采用r1=4.80m的单心圆衬砌断面，内轮廓净空宽度9.60m、净空高度6.35m。斜井中部设置30cm厚横隔板将斜井分为送风井和排风井，其中送风井断面面积24.46m2，排风（烟）井断面面积24.46m2。

2 王家寨隧道通风井优化设计概况

2.1 王家寨隧道通风井优化原因

本隧道斜井自2019年3月开始进洞施工，受临翔端半成岩（砂岩夹黏土岩）段的地质条件制约，截止到2021年8月下旬，斜井累计仅施工约242m，斜井剩余1743m（其中半成岩308m）未开挖。按目前施工进度，斜井将不能为隧道主洞提供辅助工作面，斜井施工完成后，仅能作为通风风道使用。

相比斜井，竖井在运营通风方面具有长度短、摩阻小等优势，随着公路隧道竖井设计和施工水平的不断提高，因而公路隧道井型的选择越来越倾向考虑竖井。加之本隧道除临翔段2.3km为半成岩（砂岩夹黏土岩）外，剩余段落约5.7km以中风化花岗岩、石英片岩为主。因此，放弃仅施工242m的斜井，在隧道中部埋深不大的区段，选择一处地表地形较平坦、地质良好的位置设置一处竖井重新施工，基于本隧道工程现状而言不失为一良策。

2.2 王家寨隧道通风方案优化原则

大量的工程实践表明，公路隧道通风工程的土建与机电设备费用、后期运营费用占隧道的建设运营费用都同等高。因此在制定本隧道的通风优化方案时，尽可能一方面减少土建与机电设备费用的投资，另一方面降低后期运营成本。

本隧道通风方案优化遵循以下原则进行：近远期工程相结合的原则、正常运营与防火救灾相结合的原则、通风方案的研究与技术设计相结合的原则、隧道右幅通风方案不变，仅结合井位设置对左幅通风方案做优化的原则。

2.3 隧道通风设计

结合通风方案优化的原则，以及隧址区地形、地质等条件，经多方案比选后最终在ZK24+000设置一处竖井（深316m），并在大桩号侧设置500长排烟联络道。竖井一分为二，一半作为送风井，另一半作为排风（烟）井，王家寨隧道总体通风系统仍采用左幅两区段纵向通风方式（送排+与右幅共用排烟道）+右幅全射流纵向通风方式（与左幅共用排烟道）。（图4）

图4 王家寨隧道通风竖井布置示意图

王家寨隧道左幅风道，将通风区段划分为2个区段。第一区段为ZK21+440～ZK24+000，第二区段为ZK24+000～ZK29+480，每个区段的需风量计算如表3所示。

表3 王家寨隧道优化后方案需风量计算表

通过通风计算，隧道左幅现有射流风机的配置不能满足升压力需求，需在主洞内增加射流风机数量。需在隧道左幅ZK21+440～ZK24+000需增加2台（1组）射流风机。

隧道主洞内增加了射流风机数量后，变压器容量不能满足需求，需增加部分变电所内变压器容量。

2.4 隧道通风竖井设计

根据隧道运营通风需求及相关规范的要求，并考虑施工、结构受力等因素，拟定竖井内轮廓，竖井内径8.0m。竖井中部设置30cm厚横隔板将竖井分为送风井和排风井，其中送风井断面面积18.46m2，排风（烟）井断面面积29.11m2。

3 王家寨隧道通风井方案对比

3.1 王家寨隧道通风井方案经济对比

王家寨隧道通风井方案经济对比主要包括通风井土建费用、机电初期投入费用、20年运营费用等方面。考虑到隧道右幅通风方案、地表风机房方案未发生变化，故右幅运营费用、地表风机房方案费用不参与对比。

从表4可以看出，采用斜井方案建设及运营费用约274百万元，采用竖井方案则为176百万元。若采用竖井方案，扣除斜井因废置242m产生的建设费约30百万元，竖井方案仍然节省68百万元。

表4 王家寨隧道斜、竖井方案费用对比表

考虑到斜井剩余1743m未开挖，按目前施工进度，斜井将不能为隧道主洞提供辅助工作面，斜井施工完成后，仅能作为通风风道使用，现阶段基于工程现状采用竖井方案经济优势明显。

3.2 王家寨隧道通风井方案综合对比

王家寨隧道通风井方案综合对比主要包括建设费用、建设难度、建设工期、辅助主洞功能、长期运营等方面。

从表5可以看出，在不考虑井辅助主洞施工的情况下，竖井方案在各方面都优于斜井方案，具有明显的优势。

表5 王家寨隧道斜、竖井方案对比表

4 结论和建议

本文就斜井和竖井方案，从建设费用、建设难度、建设工期、辅助主洞功能、长期运营等方面对王家寨隧道通风井方案展开对比和论述，提出如下结论与建议。①基于本隧道工程现状，在不考虑井辅助主洞施工的前提下，竖井方案在各方面都优于斜井方案，具有明显的优势。②建议项目建设单位放弃仅施工242m的斜井，在隧道中部埋深不大的区段，选择一处地表地形较平坦、地质良好的位置设置一处竖井重新施工。③类似特长隧道在前期决策和设计阶段，建议对隧道地质情况进行详细勘察和研究，并制定合理化项目建设工期，从多方面考虑，最终选择最合适的通风方案。