蒙山特长公路隧道通风方案设计

李志鹏

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

1 工程概况

蒙山隧道是位于山西省阳泉至左权高速公路的特长公路隧道。隧道区域地处昔阳县建都村和凤居村之间，地形十分破碎，沟壑纵横，山多树少，岩石裸露。左洞洞体全长5665 m，进口段里程桩号为ZK20+880，洞口底板设计高程为882.8 m，出口段里程桩号为ZK26+545，洞口底板设计高程为975.2 m，洞体最大埋深313.4 m，位于ZK23+620。右洞洞体全长5613 m，进口段里程桩号为YK20+875，洞口底板设计高程为882.7 m，出口段里程桩号为YK26+488，洞口底板设计高程为975.2 m，洞体最大埋深273.8 m，位于YK25+380。隧道设计参数表如表1所示。

表1 蒙山隧道设计参数表

主要设计参数如下：

a）道路等级 高速公路；

b）交通方式 双洞四车道单向交通；

c）设计行车车速 80 km/h；

d）交通量方向不均匀系数 0.51；

e）设计高峰小时交通量系数 0.14；

f）设计年限 近期为2025年，远期为2033年；

g）隧道断面 分离式双洞，断面面积62.79 m2，周长31.95 m；

h）控制风速 隧道风速，2.5≤v＜10 m/s。

2 通风标准

公路隧道的通风原理是通过向隧道内注入新鲜空气，稀释洞内由汽车排出的废气和烟雾，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，隧道内的废气总量和烟雾浓度与汽车的排污强度以及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隧道内的安全标准（稀释烟尘）、卫生标准（稀释CO）和舒适性标准（稀释异味）。另外，长度大于1000 m的高速公路隧道应考虑火灾工况下的防烟与排烟。

2.1 烟雾设计浓度

表2 烟雾设计浓度K

2.2 CO设计浓度

根据公路隧道通风照明设计规范（JTJ 026.1—1999），隧道正常运营时，长度小于1000 m的隧道，CO设计浓度取300 ppm，长度大于3000 m的隧道，CO设计浓度取250 ppm，长度为1000～3000 m的隧道CO设计浓度采用插值法取值。隧道内发生交通阻滞时，阻滞段平均车速取10 km/h，阻滞段的平均CO设计浓度取300 ppm，经历时间不超过20 min。阻滞段长度取1 km，其余长度正常运营段工况车速取40 km/h。

2.3 稀释空气中异味

根据公路隧道通风照明设计规范（JTJ 026.1—1999），隧道空间不间断换气频率不宜低于每小时5次；交通量较小或特长隧道，可采用每小时3～4次。本次设计根据蒙山隧道的规模以及交通量的分布，每小时换气取3次。

2.4 火灾工况

根据公路隧道通风照明设计规范（JTJ 026.1—1999）火灾时排烟风速按Vr=2.0～3.0 m/s取值。根据隧道的规模以及交通量的分布，蒙山隧道火灾时排烟风速取3.0 m/s。

3 交通流组成

根据《阳泉至左权公路工程可行性研究报告》对交通量的预测，隧道的近、远期交通量见表3，车型分布情况见表4，车型折算系数见表5。隧道的高峰小时交通量见表6。

表3 蒙山隧道近（远）期交通量 pcu/d

表4 各种类型车辆实际所占比例 %

表5 车型折算系数表

表6 蒙山隧道高峰小时交通量 veh/h

4 需风量计算

隧道需风量的计算，以2025年为近期，2033年为远期，行车速度分别按 80 km/h、60 km/h、40 km/h、20 km/h以及交通阻塞（10 km/h）时的工况，并按稀释烟雾浓度、稀释CO、稀释空气异味和考虑火灾工况4种要求，分别计算需风量。

4.1 需风量计算方法

4.1.1 稀释烟雾浓度的需风量

隧道内的烟雾排放量计算公式为：

稀释烟雾的需风量计算公式为：

4.1.2 稀释CO的需风量

隧道内的CO排放量计算公式为：

稀释CO的需风量计算公式为：

4.1.3 稀释空气中异味的需风量

隧道内稀释空气异味的需风量计算公式为：

4.1.4 考虑火灾时排烟的需风量

4.2 隧道需风量计算

烟雾基准排放量和CO基准排放量以1995年为起点（qvi=2.5 m3/辆·km，qco=0.01 m3/辆·km），并按每年1.8%的递减率计算获得的排放量作为设计年限的基准排放量。

根据隧道的长度、隧道线形、高峰小时交通量、汽油车和柴油车的车辆构成等，按照取定的烟雾和CO设计浓度值，计算隧道不同行车速度工况及交通阻滞状态下的需风量。计算结果如表7—表10所示。

表7 稀释烟雾的需风量计算结果 m3/s

表8 稀释CO的需风量计算结果 m3/s

表9 稀释空气中异味的需风量计算结果

表10 考虑火灾时排烟的需风量计算结果

4.3 需风量计算汇总

根据上述计算结果可以看到：蒙山隧道的需风量由稀释烟雾的需风量决定，但考虑到交通阻塞及火灾控制风速要求，隧道需风量见表11所示。

表11 蒙山隧道需风量取值结果

注：隧道按照全射流纵向通风方式计算风速。

5 通风方案

5.1 通风方案设计原则

a）先期建设投资与后期运营费用并重原则。

b）近、远期工程相结合的原则。

c）正常运营和防灾救灾相结合的原则。

5.2 蒙山隧道通风方案一

蒙山隧道右洞近、远期最大风速均大于10 m/s，超过规范对最大风速的要求，结合隧道地形、地质、几何线形、纵坡、工程经济等多方面因素，并考虑该隧道防灾救灾需要，隧道右洞采用竖井分段送排式纵向式通风。

如图1所示，在YK23+683处设置一竖井，竖井长度260.66 m，直径7.5 m，距离右洞出口2805 m。该竖井中间设置隔板，将其分为送风井和排风井，隧道内布置射流风机调压。

图1 蒙山隧道通风方案一示意图

蒙山隧道左洞采用全射流风机纵向通风。结合蒙山隧道右洞竖井送排式通风，隧道左洞排烟通道与右洞通风道相对应。排烟通道位于ZK23+681处，与右洞排风道相连。

由上述通风分段方案进一步计算出蒙山隧道分段纵向通风各区段的需风量、风速、风压等，从而确定风机的配置及通风系统工程量。

5.3 蒙山隧道通风方案二

方案二如图2所示，在YK23+886处设置一竖井，竖井长度137.23 m，直径7.5 m，距离右洞出口2602 m。该竖井中间设置隔板，将其分为送风井和排风井，隧道内布置射流风机调压。

图2 蒙山隧道通风方案二示意图

结合蒙山隧道右洞竖井送排式通风，蒙山隧道左洞排烟通道与右洞通风道相对应。排烟通道位于ZK23+886处，与右洞排风道相连。

同样，由上述通风分段方案进一步计算出蒙山隧道分段纵向通风各区段的需风量、风速、风压等，从而确定风机的配置及通风系统工程量。

5.4 蒙山隧道通风方案比选

通过整理分析统计计算结果，表12—表14给出了方案一、方案二的近、远期风机配置及竖井、风道工程规模。

表12 蒙山隧道近期风机配置规模

表13 蒙山隧道远期风机配置规模

表14 蒙山隧道竖井、风道土建工程量对比

方案一基本上把蒙山隧道左右两个洞平分成4个区段，优点是通风区段划分合理，排烟效果好；缺点是工程造价高，后期运营费用高。

方案二把竖井及风道位置整体向大桩号方向偏移了200 m左右，同样将两个洞分成4个区段，优点是工程造价较低，后期的运营费用较低，缺点是排烟效果不及方案一。

上述两方案从技术上均可行，结合隧址区域地形、地质、水文条件以及竖井、风道的土建规模和运营费用，确定方案二为推荐方案。

6 结论

根据蒙山隧道的特点，对通风系统进行了设计，提出了两种通风方案，通过综合比较计算，采用了竖井分段送排式纵向通风方案。本通风方案具有先期建设投资低，通风及排烟效果好，防火救灾功能区域划分合理，运营成本低等特点。推荐通风方案对类似隧道工程的设计具有参考和指导意义。