吕梁山隧道通风方案设计和比选

郭 福

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

随着国家公路建设事业的快速发展，高速公路隧道建设规模越来越大，对于特长隧道的通风设计和方案比选，在隧道建设及运营中起着重要的作用。通风方案考虑的相关因素较多，即包括通风方式、通风标准、通风计算，又要考虑到周边环境、工程造价、施工工期等。在设置竖（斜）井分段时，不仅要考虑到正常运营、交通阻塞、防灾救灾、风机配置、运营费用等，而且还要考虑到地形地貌、地质构造、竖（斜）井长度，施工便道等因素[1]。本文主要阐明了隧道营运通风系统各方案的比选，经计算、分析和论证，确定了技术可靠、投资相对节约的通风方案。希望能够为解决长大隧道通风方案设计提供一定的参考。

1 工程概述

拟建项目祁县至离石高速公路是山西省规划“三纵十二横十二环高速公路网”中第七横的重要组成部分。项目起点位于祁县城赵镇修善村西北，设城赵枢纽连接榆祁高速（S60）及京昆高速（G5），路线经晋中市祁县、吕梁市文水县、交城县、离石区，与吕梁环城高速公路在离石区信义镇相连接，终点在离石区信义镇，设离石东枢纽连接吕梁环城高速。拟建项目采用隧道方案穿越吕梁山脉，设置了吕梁山特长隧道，隧道长度9818 m，设计速度采用80 km/h，断面采用三心圆形式，其具体参数和设置详见表1。

表1 祁县至离石高速公路吕梁山隧道表

2 需风量的计算

2.1 通风方案设计原则

公路隧道通风设计应根据公路等级、隧道长度、设计速度、设计交通量、车道数、平纵线形、地形地质、隧道海拔高程、隧址区域自然条件等因素，进行经济技术比较，确定合理通风方案[2]。隧道通风除了需要满足交通运营通风外，还必须满足火灾发生时的通风需求。

2.2 通风标准

2.2.1 烟尘设计浓度

表2 烟尘设计浓度K（荧光灯、LED灯等光源）

2.2.2 CO和NO2设计浓度

CO设计正常段平均浓度δCO取100 cm3/m3，同时考虑交通阻滞时，阻滞段的平均CO浓度δCO可取150 cm3/m3，经历时间20 min。隧道作业段空气的CO允许浓度不应大于30 cm3/m3，NO2允许浓度不应大于0.12 cm3/m3。

2.2.3 换气要求

吕梁山隧道内换气频率取每小时3次，换气风速取1.5 m/s。

2.3 需风量的计算

隧道通风按照行驶速度、火灾工况、换气工况进行计算隧道内稀释CO和烟尘等的需风量。设计近景年和设计远景年对应的设计需风量如表3和表4所示。

表3 近景年隧道设计需风量（2029年） m3/s

表4 远景年隧道设计需风量（2039年） m3/s

3 通风方案设计

根据表3、表4的计算结果可知：根据设计需风量大小，结合吕梁山隧道地形、地质、几何线性、行车方式等多方面因素，并考虑该隧道防灾救灾的需要，所以吕梁山隧道采用斜（竖）井分段送排式+射流风机纵向式通风。

3.1 吕梁山隧道通风方案一

根据隧道近、远景年计算需风量，利用左线左侧1号、2号两处施工斜井，将隧道左线分为3段，采用两处斜井送、排式+射流风机纵向式通风；右线同样划分为3个通风区段，利用1号斜井排出式+1号竖井（YK74+600）送排式+射流风机纵向式通风，如图1所示。隧道分段需风量计算如表5所示。

图1 吕梁山隧道通风方案示意图（方案一）

a）近景年（2029年） 单机功率30 kW的双向射流风机86台；功率为390 kW排风机3台，功率为250 kW排风机4台；功率为370 kW送风机2台，功率为550 kW送风机2台，功率为790 kW送风机2台。

表5 吕梁山隧道分段需风量计算表(方案一)

b）远景年（2039年） 单机功率30 kW的双向射流风机114台；功率为390 kW排风机5台，功率为250 kW排风机4台；功率为370 kW送风机3台，功率为550 kW送风机2台，功率为790 kW送风机3台。

3.2 吕梁山隧道通风方案二

根据隧道近、远景年计算需风量，利用1号、2号两处施工斜井，将隧道左线分为3段，采用两处斜井送、排式+射流风机纵向式通风；右线也划分为3个通风区段，利用2号斜井排出式+2号竖井（YK72+400）送排式+射流风机纵向式通风，如图2所示。隧道分段需风量计算如表6所示。

图2 吕梁山隧道通风方案示意图(方案二)

表6 吕梁山隧道分段需风量计算表(方案二)

a）近景年（2029年） 单机功率30 kW的双向射流风机88台；功率为390 kW排风机2台，功率为250 kW排风机5台；功率为250 kW送风机2台，功率为550 kW送风机2台，功率为790 kW送风机2台。

b）远景年（2039年） 单机功率30 kW的双向射流风机112台；功率为390 kW排风机3台，功率为250 kW排风机6台；功率为250 kW送风机2台，功率为550 kW送风机2台，功率为790 kW送风机3台。

3.3 吕梁山隧道通风方案三

根据隧道近、远景年计算需风量，利用左线左侧1号施工斜井和3号竖井（ZK76+180），将隧道左线分为3段，采用一处斜井送排式+一处竖井送排式+射流风机纵向式通风；右线同样划分为3个通风区段，利用1号斜井排出式+1号竖井（YK74+600）送排式+射流风机纵向式通风，如图3所示。隧道分段需风量计算如表7所示。

图3 吕梁山隧道通风方案示意图(方案三)

表7 吕梁山隧道分段需风量计算表(方案三)

a）近景年（2029年） 单机功率30 kW的双向射流风机86台；功率为390 kW排风机3台，功率为250 kW排风机4台；功率为370 kW送风机2台，功率为550 kW送风机2台，功率为640 kW送风机2台。

b）远景年（2039年） 单机功率30 kW的双向射流风机114台；功率为390 kW排风机5台，功率为250 kW排风机4台；功率为370 kW送风机3台，功率为550 kW送风机2台，功率为640 kW送风机3台。

3.4 吕梁山隧道通风方案四

根据隧道近、远景年计算需风量，利用左线左侧1号、2号两处施工斜井，将隧道左线分为3段，采用两处斜井送排式+射流风机纵向式通风；右线同样划分为3个通风区段，利用1号斜井排出式+1号竖井（YK74+600）送排式+射流风机纵向式通风。通风方案平面示意图如图4所示。

图4 吕梁山隧道通风方案示意图(方案四)

方案四和方案一的区别在于方案一采用了地上风机房，方案四采用了地下风机房。通过计算，两个方案的风机配置一样，主要区别在风机房形式不同导致的工程造价不同。

4 吕梁山隧道通风方案比选

4.1 吕梁山隧道主体施工工期对比

为准确分析吕梁山隧道施工工期，首先应明确长大隧道辅助坑道的设计位置、工作面布置，每个工作面负责的施工范围，以及每个施工段落隧道围岩布置情况等[3]。按设计，隧道进、出口主洞及斜井同时开始施工，竖井开工后仅进行自身施工，由于出渣费用较高，不进行主洞辅助施工。斜井贯通转入主洞后相向进行掘进，以增加施工作业面加快施工进度，隧道最大可允许单洞4个掌子面同时掘进。同时充分考虑：洞身掘进时间；施工过程中处治涌水、塌方等事件所消耗的时间；隧道掌子面贯通后二衬、路面及机电等后续工程的施工时间等多方面因素。经综合估算各方案工期如表8。

图5 吕梁山隧道通风斜、竖井位置示意图

表8 吕梁山隧道不同方案下的施工工期

4.2 吕梁山隧道通风方案比选

根据上述计算结果可知，4个方案从技术上均是可行的。方案一和方案二中隧道左线由于通风的分段与施工分段基本一致，完全可以利用左线左侧的两处施工斜井作为通风斜井，两套方案的主要区别在于右线隧道竖井位置的不同，导致通风方案差异。方案三充分利用了仅有的一处施工斜井。方案四的特点是采用了地下风机房。下面对4种通风方案从土建费用、前期设备费用、运营用电等经济方面做进一步比较。

表9 吕梁山隧道通风方案经济比较表 万元

各方案优缺点对比情况如表10所示。

表10 吕梁山隧道各方案优缺点

通过以上对比分析，方案四采用了地下风机房，对地表环境破坏最少，但是前期土建费用太高，故不作为推荐方案。

方案三采用两竖一斜，地上风机房，该方案前期投入和后期运营费用最低，但是施工周期最长（较其他方案长140 d左右），施工期间增加利息和施工机械等增资较大，约1亿元以上，故也不作为推荐方案。

方案一和方案二均能充分利用两处施工斜井，两个方案的主要区别在于竖井位置不同，方案二虽然在经济比选中也有一定的优势，但是考虑到其地上风机房所处位置地势较低，附近有季节性地表溪流，距离风机房300 m左右有村庄。选在此处施工，前期对周围环境影响较大，后期风机产生的噪声以及排出的有害气体会对周围村民产生影响（秋冬两季排风口处于村庄的上风方向），方案一则不存在此类问题。综合比较，将方案一作为推荐方案。

5 结论

通风设计是隧道总体设计的重要组成部分，与隧道长度、纵坡、地形、地质、气象等密切相关。本文通过吕梁山隧道通风方案的设计和比选，经计算、分析、比较和论证，确定了技术可靠、投资相对节约的通风方案。希望能够指导吕梁山隧道通风方案的设计，也为以后长大隧道通风方案的设计和比选提供一定的参考。