汾石高速东山隧道通风解决方案

任卫英

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

汾阳至石楼高速公路是山西省“三纵十二横十二环十五条连接线”中的重要一段，该项目向北与国家高速公路网青银线相接，向西与在建国家高速公路网G59呼北线（即山西省西纵高速公路离石至隰县段）十字交叉后至石楼县。该路段建成后，可实现两条国家高速公路网之间的顺畅转换，进一步补充完善晋西北区域高速公路网。同时，该路段的建设将拉近太原市与交口、石楼、永和、大宁、隰县等革命老区的联系，增强太原都市圈对其辐射带动作用，有利于推进吕梁山区集中连片特困地区扶贫开发。本文将对东山特长隧道的通风方案进行比选确定。

1 工程概况

东山隧道左线隧道长度为7 730 m，采用坡度为+1.189（7 290 m）、-1.7（515 m）的人字坡；右线隧道长度 为 7 810 m，采 用 坡 度 为 +1.7（510 m）、-1.189（7 220 m）的人字坡。

根据《公路隧道通风设计细则》[1]JTG/T D70/2-02—2014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＞1 000 m的高速公路隧道应设置火灾机械防烟与排烟系统。通过计算确定东山隧道需设置机械通风。《细则》中指出：火灾烟气在隧道内的最大行程不宜大于5 000 m，该项目的隧道长度大于5 000 m，最终确定东山特长隧道采用通风井送排式纵向通风方案。

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》5.3.1选取东山隧道正常交通情况下CO设计浓度δCO=100 cm3/m3，交通阻滞工况下隧道内CO的设计浓度δCO=150 cm3/m3。

2.1.2 烟尘设计浓度K

选用LED灯作为隧道照明方式，烟尘设计浓度K在不同车速下的取值如表1所示[1]。

表1 烟尘设计浓度K

2.1.3 机动车基准排放量取值

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0.003 8 m2/(veh·km)，阻滞工况下CO的基准排放量为 0.008 2 m2/(veh·km)。

2.1.4 换气要求

《公路隧道通风设计细则》JTG/TD70/2-02—2014第5.4条规定：隧道空间最小换气频率不应低于每小时3次；采用纵向通风的隧道，换气风速不应低于1.5 m/s。

2.1.5 火灾工况

《公路隧道通风设计细则》第10.1条规定：长度L＞1 000 m的高速公路隧道应设置火灾机械防烟与排烟系统。该项目隧道长度7 730 m，火灾最大释放率取30 MW，隧道火灾临界风速取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 东山隧道内的设计车速为100 km/h。隧道内车辆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=67.31 m2。

f）断面周长 Cr=32.06 m。

g）断面当量直径 Dr=8.4 m。

h）隧道夏季的设计气温，取25℃。

2.3 交通量参数

该隧道预测交通量见表2，车型折算系数如表3所示，隧道汽柴比如表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0.55，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2 隧道混合交通量 veh/h

表3 车型折算系数

表4 汽柴比

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[1]

隧道内CO排风量：

稀释CO的需风量：

3.2 稀释烟尘的需风量[1]

隧道内烟雾排放量：

稀释烟尘的需风量：

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，公式如下：

由于东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，公式如下，经计算得出东山隧道左、右洞火灾工况下的需风量分别为434 m3/s、438 m3/s。

3.5 需风量的优化

3.5.1 重载LNG货车需风量计算

LNG车属于单一燃料汽车，我国对其尾气检测时执行的是汽油车尾气检测标准，不对烟尘颗粒物（PM）排放量进行控制，LNG车通风计算时应执行汽油车需风量计算方法，无需按照柴油车标准计算烟尘颗粒物（PM）排放量。

3.5.2 区域路网重载LNG货车比例调查点

依据并延续《工可》中的OD调查点分布情况，对工可中确定的9个OD调查点和3个交通观测点进行LNG比例调查。为使调研数据更加准确，项目组扩大了调查范围，对与该项目平行或竞争的G20青银高速、G5京昆高速、G2211长延高速、G2516京吕高速进行LNG比例调查，优化后的调查点共16个。

3.5.3 区域路网重载LNG货车调查比例

图1为部分站点的调查照片。

图1 罗村调查点和汾孝互通调查点

通过对16个调查点进行12 h观测，重载LNG占整个重载货车的比例统计，16个观测点的现状比例均不低于40%，即使不考虑未来15年LNG车预期增长率，按现状比例情况，选取LNG占整个重载货车比例35%是非常保守的。

3.6 左、右洞需风量计算结果

独立隧道需风量计算时，按照行车速度以每10 km/h为一档，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。东山隧道左、右洞各工况下的需风量计算结果如表6～表9所示。

表6 东山隧道右洞各工况下需风量计算结果 m3/s

表7 东山隧道左洞各工况下需风量计算结果 m3/s

表8 东山隧道右洞需风量 m3/s

表9 东山隧道左洞需风量 m3/s

4 隧道通风方案

东山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8.0 m/s，风速合适，满足通风要求。左线近期风速为6.5～9.2 m/s，远期最高风速为11.5 m/s，同时，左线主要通风需求为稀释烟尘，加之该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。

4.1 东山隧道选用地上风机房

4.1.1 采用地上风机房的特点

a）机电设备安装环境干燥，设备的维护保养容易，检修方便。

b）需长期人员驻守，且生活环境艰苦，巡检和维修路途遥远。

c）风机房施工简单，地面风机房估价在900万元左右。

d）可结合原有乡村道路，增加永久性施工便道。

4.1.2 采用地下风机房的特点

a）地下风机房较为潮湿，容易漏水，不利于机电设备维护保养，机电设备寿命短。

b）地下风机施工复杂，难度大。

c）地下风机房人员检修路途短，可快速抵达风机房。

d）采用地下风机房约需2 000万元左右。

该项目东山隧道附近无自然保护区，斜井井口附近2 km内有村道，施工便利，斜井井口地形较为平坦，因此根据上述地上风机房和地下风机房优缺点的比较，同时结合斜井地面在地形、征地、环境保护、运营维护方面有建地上风机房的客观条件，该次设计采用有人职守的地上风机房。

4.2 东山隧道采用斜井

东山隧道的通风井采用斜井通风，长度为1 422 m。斜井和竖井方案比较：斜井可结合施工进程，便于辅助主洞内出渣运输，具有施工周期短，难度低等优点。因此从施工难度考虑，结合了施工造价，选择了斜井通风方式。

4.3 通风方案

东山隧道所在区域无自然保护区，结合实际地形地貌、通风需求和施工进度要求，提出如下通风方案。

左线一斜井分两段轴流风机送排风+射流风机通风；右线全射流纵向通风，布置如图2所示。

图2 东山隧道通风方案系统图

隧道左线设一个通风斜井，同时为隧道右线设置联络排烟道，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2个防火分区。

东山隧道左右线隧道对应不同控制指标的设计需风量详见表10、表11。

表10 东山左线隧道对应不同控制指标的设计需风量 m3/s

表11 东山右线隧道对应不同控制指标的设计需风量 m3/s

东山隧道通风斜井主要参数如表12。

表12 东山隧道斜井主要参数表

东山隧道轴流风机主要参数如表13。

表13 东山隧道轴流风机主要参数表

东山隧道左线各项参数计算结果，详见表14，表中为隧道内行车速度100 km/h下的参数，其他速度下不再详细计列。轴流风机选型时考虑了通风和防排烟系统的漏风量，取漏风附加系数为10%.

表14 东山隧道左线通风计算结果表

依据规范，在隧道最终风机配置时考虑一定的备用风机。正常运营工况下风机长期开启，火灾工况下需要一定的冗余度，因此计算时需考虑正常工况和火灾工况下备用风机数量。计算时若正常工况和火灾所需射流风机台数在1～6组间，尽量备用一组，阻滞工况由于发生概率低且危害程度较小，出于节能考虑不再备份；计算所需射流风机台数大于6组时，可考虑所需台数15%的备用量。结论如表15～表17。

表15 东山隧道左线近期各种工况下风机台数 台

表16 东山隧道左线远期各种工况下风机台数 台

表17 东山隧道右线隧道风机需求量 台

射流风机的功能是为了辅助通风和调压，右线为下坡方向，考虑了火风压的影响，射流风机设置台数如表18。

表18 东山隧道射流风机数量表 台

5 隧道通风设计方案确定

a）在进行通风方案研究时，除了土建工程一次完成外，其余通风设备分期购置和安装，避免了一次设备投入费用过大，造成设备闲置，又为结合未来实际汽车排污水平，进一步优化设备配置留有空间。

b）在确定隧道通风方案时，不仅考虑到尽可能减少近期通风主体工程的费用和通风设备的投资，而且重视降低后期运营成本。

c）公路隧道通风方案设计除满足交通运营通风外，还满足了火灾发生时的通风需求，即把正常运营和火灾时的通风看作是整个通风系统的两种不同工况。

d）在进行通风方案研究时，除将重点放在通风方案的研究上外，还将通风方案和通风技术设计相结合，尽可能完善设计。在隧道通风方案设计中，卫生标准和允许烟雾透过率是所有通风方案的约束条件，充分利用双洞单向交通的汽车交通风。

6 结语

对东山特长隧道进行隧道通风设计方案的确定，采用通风井送排式纵向通风方案，对每个分段内的通风分别进行计算，同时在通风计算中结合重载LNG车比例，对需风量进行优化，达到了方案合理、施工期短、施工难度小、总体投资低的目的。