盐池达板隧道通风解决方案

任 卫 英

(山西省交通规划勘察设计院，山西 太原 030012)

0 引言

连接阿勒泰与布尔津县的道路G217线为二级公路，随着区域经济的发展，该道路的交通量增长迅速，已无法满足其服务功能，甚至成为了阻碍新丝绸之路经济带北通道建设的瓶颈。本项目位于丝绸之路经济带的核心区域，项目的建设将极大促进丝绸之路经济带的发展和民生的建设，同时也将极大的推动区域旅游及矿产资源的开发利用，是贯彻实施西部大开发战略的举措，是满足日益增长的交通需求。本文将对盐池达板隧道的通风方案进行比选确定。

1 工程概况

盐池达板隧道左线隧道长度为3 064 m，采用坡度为+0.65(1 574 m),-0.6(1 490 m)的人字坡；右线隧道长度为3 063 m，采用坡度为+0.6(1 487 m),-0.6(1 576 m)的人字坡。

根据JTG/T D70/2—02—2014公路隧道通风设计细则[1]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。通过计算确定盐池达板隧道需设置机械通风。细则中指出：采用纵向通风方式时，单向交通且长度L≤5 000 m，可采用全射流纵向通风方案，最终确定盐池达板隧道采用全射流纵向通风方案。

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选取盐池达板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，本文烟尘设计浓度隧道烟尘允许浓度，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

以2000年为起点,机动车有害气体基准排放量按每年2.0%的递减率计算至设计目标年份获得的排放量为隧道通风设计的目标年份的基准排放量，最大折减年限为30年，计算出近、远期年份的有害气体基准排放量。本次计算以2030年为近期，2040年为远期，因此近、远期的基准排放量相同：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

JTG/T D70/2—02—2014公路隧道通风设计细则第5.4条规定：隧道空间不间断换气频率，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。查10.2条隧道排烟风速2 m/s～3 m/s，本隧道盐池达板隧道取隧道火灾临界风速为2.5 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

1)道路等级：高速公路，双洞隧道，每洞两车道单向行驶。

2)通风计算行车速度：

盐池达板隧道内的设计车速为120 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。

3)隧道摩阻系数：λ=0.02。

4)自然风速：vn=2.5 m/s。

5)隧道净空断面积：Ar=88.85 m2。

6)断面周长：Cr=39.84 m。

7)断面当量直径：Dr=8.92 m。

8)大型车混入率：近期r1=38.65%，远期r1=39.17%。

9)隧道夏季的设计气温，取25 ℃。

2.3 交通量参数

本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0.6，高峰小时交通量占年平均日交通量的9.5%。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排风量计算公式如下：

其中，QCO为隧道CO排放量；qCO为设计目标年份的CO基准排放量；fa为车况系数；fd为车密度系数；fh为海拔高度系数；fm为车型系数；fiv为纵坡—车速系数；n为车型类别数；Nm为相应车型的交通量。

稀释CO的需风量计算公式如下：

其中，Qreq(CO)为隧道稀释CO的需风量；δ为CO浓度；P0为标准大气压，取101.325 kN/m2；P为隧址大气压；T0为标准气温，取273 K；T为隧址夏季气温。

3.2 稀释烟尘的需风量[1]

隧道内烟雾排放量的计算公式如下：

其中，QVI为隧道烟尘排放量；qVI为设计目标年份的烟尘基准排放量;fa(VI)为考虑烟尘的车况系数;fd为车密度系数;fh(VI)为考虑烟尘的海拔高度系数;fiv(VI)为考虑烟尘的纵坡—车速系数;fm(VI)为考虑烟尘的柴油车车型系数;nD为柴油车车型类别数;Nm为相应车型的交通量。

稀释烟尘的需风量计算公式如下所示：

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、隧道内轮廓断面面积Ar及换气频率共同确定，公式如下：

由于盐池达板隧道采用纵向通风方式，因此还需满足换气风速vac>1.5 m/s的规定，此要求下换气工况的需风量需同时满足：

Qreq(ac)=vac×Ar。

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和隧道内轮廓断面面积Ar确定，公式如下，经计算得出盐池达板隧道左、右洞火灾工况下的需风量均为251.44 m3/s。

Qreq(f)=vc×Ar。

3.5 左、右洞需风量计算结果

独立隧道需风量计算时，按照行车速度以下每10 km/h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。盐池达板隧道左、右洞各工况下的需风量计算结果如表6～表9所示。

表6 盐池达板隧道右洞各工况下需风量计算结果 m3/s

表7 盐池达板隧道左洞各工况下需风量计算结果 m3/s

表8 盐池达板隧道右洞需风量 m3/s

表9 盐池达板隧道左洞需风量 m3/s

4 隧道通风设计方案选择原则

1)在确定盐池达板隧道通风方案时，有两方面的注意事项：第一，尽可能对通风设备的初投资和通风主体工程造价的控制；第二，后期运营成本的降低；

2)为了避免过大投入一次设备费用，造成闲置的设备，在研究进行通风方案时，除了一次完成土建工程外，需分期购置和安装其余通风设备；

3)盐池达板隧道通风方案设计不仅需要满足交通运营的通风，而且须满足火灾工况时的通风需求，这两种不同的通风工况。

5 射流风机方案

全射流纵向通风的隧道射流风机除在正常情况下满足通风需求外，在隧道阻塞、交通事故、火灾事故等工况下还起着调节风速、防灾救援等作用。

盐池达板隧道需风量计算按照稀释烟尘的需风量、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分别计算后取最大值作为隧道最终实际需风量，左右线各风机需要量见表10，表11。

表10 盐池达板右线隧道风机需求量 台

表11 盐池达板左线隧道风机需求量 台

经过计算，综合考虑隧道坡度与运营速度的关系，可知本项目盐池达板隧道射流风机配置情况，通过统计可知本项目盐池达板隧道近远期实际最大风机需求数量如表12所示。

表12 盐池达板隧道最大风机需求数量 台

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组～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，出于节能考虑不再考虑备份；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。同时，左、右洞内各预留埋两组射流风机。

经过详细对比和布置，可知本项目盐池达板隧道近、远期风机最大配置数量如表13所示。

表13 盐池达板隧道最终风机配置数量 台

6 风机控制

6.1 通风控制方法

盐池达板隧道通风控制采用自动和联动相结合，具体控制模式采用前馈反馈相结合的复合控制法。也就是按照车流量这一造成隧道内污染物浓度变化的主要干扰作为前馈输入信号的前馈控制系统，和依据污染物浓度偏差进行控制的反馈控制系统共同构成的前馈—反馈复合式控制系统。解决了一般的反馈系统由于在被控对象受到干扰后，出现偏差时，控制器才能发出控制指令，造成控制不及时的问题。

6.2 通风控制原则

1)盐池达板隧道内某一个通风点的CO或VI值含量达到了设定的风机启动值，则首先启动距离此检测器最近的风机。其次，优先启动运行时间累计最短的风机，这样可以平衡各个风机的疲劳程度，从而延长风机的使用寿命。此外，为了避免风机启动瞬间过大的冲击电流对电网造成冲击，每台风机还具备启动短暂的延时的设置。

2)如果其中一条隧道因为事故暂时禁止通行，另外一条隧道需要改为双向行车通道时，会极大地增加交通量。此时，即使风机全部启动环境指标依然可能无法达到正常值，这时可以与洞口车道灯配合，利用信号灯的开、闭控制同一时刻进入隧道内的车辆数量，从而保证隧道内正常的环境指标。

3)在正常运行状态下，风机吹风方向为沿着行车方向的正向吹风；当发生火灾时或双向行驶隧道逆向交通量多于正向交通量时，隧道内风机应反向吹风。如果出现需要逆向吹风的情况时，应该先停机然后再启动反向运转。

4)隧道发生火灾时的通风控制，需要满足排烟灭火的要求。在火灾工况下的紧急通风控制预案，需要按照预先制定的防火救灾预案严格执行。

7 节能措施

为深入贯彻“创新、协调、绿色、开放、共享”五大发展理念，建设绿色公路，践行绿色发展，盐池达板隧道的通风系统提出了以下新型的节能措施：

1)采用智能通风控制系统，降低设备启动能耗，延长风机寿命、降低噪声；

2)利用静电集尘装置对隧道内污染空气进行净化，既有利于环保，又可有效降低通风量，减少风机布置；

3)选用节能设备，优化用能工艺，使用节能型、效率高、噪声低的射流通风机；

4)机械通风的隧道采取全纵向射流风机通风方式。隧道内风量通过风机台数控制，能在0%～100%的额定风量范围内有级调节，实现减小能耗的目的。

8 结语

对新疆盐池达板隧道进行运营通风和火灾通风方案的确定，提出了有效的风机控制方法和不同状况下应采取的控制措施，并且结合了最先进、最有效的节能措施，达到了高效、节能、环保的目标。