夹活岩特长公路隧道通风方案研究 [复制链接]

摘 要 夹活岩特长公路隧道位于沪蓉国道主干线湖北省宜昌至恩施高速公路上，长约5200m，本文通过对隧道运营通风系统各比选方案进行计算、分析、确定技术可靠、投资相对较省的运营方式。

关键词 特长公路隧道 通风方案 设计 研究

夹活岩隧道系沪蓉国道主干线湖北省宜昌至恩施高速公路上的特长隧道，隧址位于湖北省宜昌市长阳县高家堰镇至贺家坪镇境内。左线隧道ZK46 521—2KSl 628，隧道长5107m；右线隧道YK46十518~YK51十746，隧道长5228m。隧道采用1.98%的单向纵坡，平曲线最小半径920m．隧道穿越沿溪水系和干沟水系分水岭，地处构造溶蚀一侵蚀低山地区，地形复杂，山蜂险峻，峰峦叠嶂，地面标高250～1300m之间。隧道区属亚热带大陆性夏热潮湿气候区，温暖潮湿，雨量充沛，夏季炎热(夏季平均温度27~C)，冬季暖和多雾。

2.1 卫生标准

公路隧道通风原理是通过向隧道内注入新鲜空气，稀释洞内废气和烟雾，使得隧道内的空气质量和烟雾透过率能保证司乘人员的身体健康和行车安全．然而，隧道内的废气总量、烟雾浓度与汽车的排污强度、隧道内的车流密度成正比：而送入隧道内的新风量又取决于保证隧道内空气质量的卫生标准．夹活岩隧道属特长公路隧道，结合其双洞单向交通的实际情况，根据《公路隧道通风照明设计规范》(JTJ026.1-1999)及世界道路协会(PIARC)报告确定其卫生标准见表1。

2.2 技术参数

夹活岩特长公路隧遭为上下行分离(隧道轴线间距为50m)的四车道单向行驶高速公路隧道，设计行车速度为80Km／h．隧道通风主要设计技术参数见表2．

2.3 交通量

根据交通量预测，近期2015年年平均日交通量为22782辆/日(小客车)，远期2028年为

41066辆／日(小客车)。左右线车辆比例系数l；l，高峰小时比例系数为0.12。

从以上可得近期2015年高峰小时交通量为995辆／小时．远期2028年为1797辆/小时。

2.4 阻滞工况

根据《交通工程手册》(人民交通出版社，1998)对高建公路股务水平的规定；在设计车速为80Km／h的隧道中车辆实际行驶速度为20km／h时，车辆交通将逐步由拥挤交通流转化为阻塞交通流．因此，可以认为当车速降为20km／h时，交通监控系统已发挥作用，对车辆实施交通管制。所以，设计将20km／h作为交通阻滞工况，而将30km／h作为工况计算车速。

根据《公路隧道通风照明设计规范》(JTJ026.1—1999)规定：公路隧道中，长度在1Km以上的通常均有交通监控设施，且在野外公路隧道中发生lkm以上的交通阻滞概率较低．央活岩隧道长达5200m，由于安全要求较高，配备有较完善的监控设施，在进行通风设计时，对最不利状态掌握极为重要。如果全隧道采用阻滞状态，则会导致对新风量的需求非常大，按此设计固然安全，但是否经济合理值得探讨。

本次设计按照车辆阻塞交通流排队长度不大于lkm进行设计，而对大于lkm的阻滞长度则采用监控设施进行组织、疏导和管理．设计中阻塞时的车速取10km／h，阻塞长度按1.0km计，其余长度按40km／h计算。

2.5 隧道需风量

通过对夹活岩隧道①各种工况条件下稀释CO和烟雾的需风量；②稀释空气中异味的需风量、⑧火灾时需风量三种不同条件下需风量分析计算确定；右洞近远期均由稀释烟雾所需风量作为其通风设计的控制量，右洞近远期均由稀释空气中异味所需风量作为其通风设计的控制量。

由于右洞近远期需风量是由稀释烟雾VI浓度决定，按照《公路隧道通风照明设计规范》

(JTJ026．1—1999)规定，基准排放量是以1995年为基准年，按每年1.5%的递减率计算，最后综合以上计算确定隧道需风量。

夹活岩公路隧道长达5200m，且交通流中大型柴油车占较大比例。因此，在研究通风方案时，不仅要结合隧道所处的地形、地质、正常运营、交通阻塞以及防火救灾，而且要考虑到长期运营的经济效益。初步拟定夹活岩特长公路隧道各比选通风方案如下。

3.1 全射流纵向通风方案

全纵向射流通风是以隧道主洞为风道，利用风机所产生的高速气流推动前方空气流动，同时在后方形成一个负压区，带动后方空气沈动．从而在隧道内风机的前后一定范围内形成空气沿隧道纵向的定向流动，达到通风的目的。

计算分析：左洞近远期设计风速V=5.67m／s(<10m／s)；右洞近期设计风速V＝9.12

m／s(<10m／s)，远期设计风速V＝13.55m／s(>10m／s)．右洞近远期采用全射流风机纵向通风，其风机数量及风速过大，方案不合理，左洞全线为下坡，需风量较小．所以可采用全射流纵向通风。

全射流纵向通风方案的优点是没有竖斜井等辅助坑道，仅有射流风机通风，工程量小，通风设备安装简便。射流风机可以分期采购和安装，不会造成设备闲置。该方案的缺点是洞内风速较大，没有自己单独的火灾区段划分，防火救灾困难，一旦发生火灾，烧失长度较长．

3.2 解电除尘通风方案

静电吸尘也叫电除尘，是一种利用电场产生的静电力使尘粒从气流中分离的技术。

由于右洞近远期需风量均是由稀释烟雾VI浓度决定，需风量非常之大，固而单纯依靠通风稀释烟雾会造成通风系统建设费和能耗的大大提高，技术经济性差．解决烟尘为控制指标的特长隧道通风的另一思路是利用静电吸尘装置对污染空气进行净化处理再利用，即在隧道内合适位置设置一处或数处静电吸尘装置滤除汽车排气中的烟尘，这样既有利于环保，也可以取消或减少竖(斜)井，并使隧道的适用长度增大。此外，静电吸尘可用于火灾事故的救援。

静电吸尘通风技术在日本．挪威、德国等多座公路隧道中已成功应用，我国现仅在火力发 电、冶金、化学和水泥等工业部门应用较多，但在公路隧道中应用尚属空白。可借鉴的资料甚少，因此该方案能否成功应用于我国的公路隧道中仍需加强研究。

3.3 辅助横洞通风方案

辅助横洞通风是利用横洞将隧道分成数段，在横洞口设置地面风机房，新鲜空气由隧道进洞口吸入，从中间横洞将废气抽出；并由横洞重新压入新鲜空气，从隧道出洞口将废气排出；主洞仍采用纵向通风模式，沿程动力由风机房内的轴流风机和隧道内射流风机共同提供。

从隧道纵断面图可看出：隧道进口连接一特大桥魏家洲大桥，桥面至沟底既有便道高差约220m；隧道出口连接一大桥干沟大桥，桥面至山顶既有便道高差约280m，所以进出口增修施工便遭到隧道口的施工方案难以实现。为提供安全施工掌子面，在线位左侧增设了1号、2号横洞．两横洞交汇于右洞对应桩号：1号横洞YK47 825，2号横洞YK50 720。将右洞通风系统分段成三段，其长度分别为1307m、2895m、1026m。

辅助横洞通风方案的优点是：a.对两个必修横洞的利用可取消竖井，降低施工难度并节省初期上建投资：b．风机房设于两横洞口，改善了机房管理人员工作环境，大型设备安装方便；c.火灾区段划分较合理，发生火灾时烟尘及人员能快速疏散开。

采用横洞分段送排诵风方式时，送排风口之间易产生串流，设计时应在口部做隔风挡墙。

3.4 竖井送排式通风方案

竖井通风是利用辅助通风竖井将隧道分段，在竖井井口或井底设置风机房，新鲜空气由隧道进洞口吸入，从中间的竖井排风道将废气抽出：并由竖井送风道重新压入新鲜空气。从隧道出洞口将废气排出，主洞仍采用纵向通风模式，风道沿程动力由风机房内的轴流风机和隧道内射流风机共同提供。

结合夹活岩隧道右洞所处的地形条件、地质等情况并辅以通风计算，在线位对应桩号YK49 155右侧65m处设置一竖井，将隧道通风区间分段为进口墙2637m、出口端2591m。

采用竖井分段送排通风方式时，排风口与送风口之间可能产生风流短路、串流。设计中应考虑避免这种流动所造成的浪费或影响运营通风效果．采取的措施有；a．排风口应高出进风口(送风口)5m以上；b.排风口的方向应避免当地主风向；c.排风口的高度应能使烟气扩散时不影响居民生活为准。竖并井口构造设计贝图5。

从隧道地质勘测结果及隧道埋深考虑，并结合竖井井口地面地形、便道条件，推荐采用地下风机房，有利于环境保护，养护维修和运营管理方便，对隧道周围环境影响小．不利的是地下风机房应考虑防潮湿、防灰尘处理，需安装工业空调保证机房内的温湿度要求。

3.5 风机安装

关于风机安装，可以根据计算结果分为前期(2015年)和后期(2028年)两段时间安装．即首期安装的风机只需满足2015年的通风要求，而第二期安装于2015年开始，安装完毕后可以满足2028年的通风要求．当然，也可以在第二期安装前，根据当时的汽车排污水平．重新优化风机配置。

4.1 通风方案比选原则

a.先期建设投资与后期运营费吊并重原则旧内外长大公路隧道的工程实践表明，通风的土建与设备费用约占整个隧道工程费用的1／3以上。因此在确定隧道通风方案时，不仅要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．而且要十分重视降低后期运营成本。

b．近、远期工程相结合的原则；在进行通风方案研究时，除了土建工程一次完成外，其余通风设备特分期购置和安装．这样既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。

c. 正常运营和防寅救灾相结合的原则；公路隧道通风方案设计除要满足文通运营通风外，还必须满足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．因此，在研究通风方案时，对于隧遭防火区段的划分、横通道的设置、火灾时的风机控制、烟流的排出路径、横通道的开启与关闭、逃生通道的空气补给、避难洞的新风需求等都应仔细考虑。

d. 通风方案研究和技术设计相结合原则：在进行通风方案研究时，除要将重点放在通风方案的研究上外，还必须注意通风方案和通风技术设计相结合，尽可能地完善设计．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．采用分段纵向通风方式是方案研究的指导思想：地形、地貌、地质等自然条件是通风系统构思的重要因素和结构选择的基础。

4.2通风方案比选

(1)由于左洞屑下坡隧道，近远期各工况下需风量较小，通风方案较唯一，设计中不再做其它方案的比较，采用全射流纵向通风．

(2)由于右洞属上坡隧道，近远期各工况下需风量较大，通风方案较多元化，设计中通过静电除尘分段通风、辅助横洞分段送排式通风和竖井分段道排式通风，三个方案从初期土建及设备投资和后期运营管理费用等方面进行综合比较如下．

a．土建投资

b．通风费用

c. 各通风方案总概算：不同通风方案的比较，除了技术可行性外，土建及运营费用的经济性、防灾救灾功能的合理性都必须考虑，其中经济费用是十分重要的一个因素.根据国内外已有的经验，长大公路隧道的通风土建和设备费用要占整个项目的30%左右。

d．各通风方案综合比较

综合比较后结论；静电除尘通风方案技术不够成热，经济上较竖井通风方案优势不明显，辅助横洞通风运营费用高；因此，右洞推荐采用竖井分段迭排式加射流风机调压的组合通风方式。

a. 长大公路隧道运营通风方式的选取是隧道建设及运营管理期间的跟踪设计，且通风费用占整个工程的1／3以上，建议对通风计算参数进行现场实验及模型仿真取值．

b．静电除尘通风方案在我国公路隧道中的应用技术尚未成熟．因此建议对此项技术开展专门立项研究和试验．以利于在以后的长大公路隧道建设中得以正确应用。

c．辅助横洞通风运营费用高，主要是通风分段长度欠佳所至．田此，建议在隧道开挖贯通后，根据隧道具体地质情况进一步调整两横洞与主洞交叉口位置，而优化横洞通风方案．

d．建议在隧道主体工程完工后，遣过实测来确定合理的组合通风级档，建立一套科学节能的控制模式，并解决好通风设备均衡使用问题。

e.推荐方案在地下风机房技术、竖井送排式的部分细部参数、节能通风控制模式和防灾模式等方面尚需作进一步研究．建议立项科研课题，加以探入研究。

长大公路隧道运营通风方式对工程建设规模有巨大影响，通风研究需融入多门学科，是一项十分复杂的系统工程。本文旨在通过对夹活岩特长公路隧道通风方案的研究和设计．与隧道设计同行共同探讨，为今后的长大公路隧道通风工程建设提供一定的技术参考。

参考文献

1 中华人民共和国行业标准．公路隧道设计规范(JTJ026-90)．北京；人民交通出版杜，1990

2 中华人民共和国行业标准．公路隧道通风照明设计规范(JTJOZ6.1-]999)．北京，人民交通出版杜，2000

3 中国公路学会．文通工程手册．北京：人民交通出版杜，1998

4 吕康成，朱光仪．公路隧道运蕾设施．北京；人员交通出版杜，1999

5 湖北省交通规划设计院．夹活岩特长公路隧道设计文件．2004