单向坡特长公路隧道通风方案研究

周 森 杨 洪 崔 炫 田 娇

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550081)

近年来，高速公路建设蓬勃发展，西南地区地形多为丘陵及大山脉，公路沿线桥隧比大，长大隧道的数量也日益增多。特长隧道的通风系统设计对项目的建设成本、运营安全及费用、行车舒适性会产生直接影响[1]，因而，特长隧道的通风系统设计及方案研究比选是项目建设的重中之重。待建的弥勒至楚雄国家高速公路弥勒至玉溪段登楼山隧道是目前国内最长的双向6车道高速公路隧道，本文以该隧道通风技术问题为例开展研究，经过综合比选，以确定最优的隧道通风方案。

弥勒至楚雄国家高速公路弥勒至玉溪段为双向6车道高速公路，设计行车速度为100 km/h。登楼山隧道为分离式特长隧道，左幅起讫桩号为ZK48+330-ZK59+315，全长10 985 m，最大埋深约838 m，右幅起讫桩号为YK48+315-YK59+240，全长10 925 m，最大埋深约826 m。左右幅纵坡分别采用1.9%及2.3%的单向坡。

1 隧道交通量及通风计算参数

欲做好隧道通风设计，首先需要确定项目的交通量及交通组成，以确定相应的通风参数。根据交通量预测，将2030年及2040年的平均日交通量分别作为近期值及远期值。依据道路交通调研结果，利用汽车车型折算系数换算得到实际车型的交通量，隧道近远期交通量见表1。结合文献[2-3]的要求，通过优化分析，得到登楼山隧道通风计算参数见表2。

表1 隧道交通量及车型构成比例预测(折算数)

注：表中交通量为设计年度隧道平均日交通，方向不均匀系数0.5，设计小时交通量系数0.095。

表2 通风计算参数

2 隧道通风方案比选

根据登楼山隧道平面线性、纵坡形式、交通量大小及组成、地形地质情况，结合通风分段长度，并按照通风区段长度及相关排烟要求，对设置斜井及竖井进行组合、筛选，初步得出5个通风方案。各方案具体内容如下。

2.1 方案一

左、右线隧道均采用双斜井三段式纵向送排式通风(地面风机房)。

结合施工需求，左、右线隧道均采用斜井方案。WX1号斜井排风口与右线隧道相交于YK51+150，WX3号斜井排风口与右线隧道相交于YK56+080。通风井将右线隧道分成2 835，4 930，3 160 m 3段，远期3段风速分别为Vr1=4.15 m/s，Vr2=7.26 m/s，Vr3=4.65 m/s。WX2号斜井排风口与左线隧道相交于ZK51+200，WX4号斜井排烟道与左线隧道相交于ZK56+150。通风井将左线隧道分成2 870，4 950，3 165 m 3段，远期3段风速分别为Vr1=3.00 m/s，Vr2=4.13 m/s，Vr3=3.00 m/s。正常运营工况下左右洞3段风速较为均匀，行车环境较好。火灾工况下左洞最长排烟区段长度为4 580 m，右洞最长排烟区段长度为4 950 m，均小于5 000 m，运营安全性较高，且4座斜井均可作为辅助施工。通风方案见图1。

图1 方案一通风系统示意图(单位：m)

由于该区域地质条件较差，设置地下风机房造价较高，且具有一定的工程风险，斜井出口场地均较为平整，具备建设地面风机房的条件，故宜设置地面风机房。

2.2 方案二

右线隧道采用双斜井三段式纵向送排式通风，左线隧道单斜井两段式纵向送排式通风(火灾工况下利用右线WX1号斜井辅助排烟通道排烟)。

方案二右洞斜井与分段情况与方案一相同，不再阐述。WX4号斜井排风口与左线隧道相交于ZK56+150，WX1号斜井辅助排烟道与左线隧道相交于ZK51+150。正常运营阶段分成7 820，3 165 m 2段，远期风速分别为Vr1=6.52 m/s，Vr2=3.00 m/s。2段风速较为均匀，行车环境较好。火灾工况下利用右线隧道的辅助排烟道，排烟区段分成2 835，4 930，3 160 m 3段，排烟区段划分合理，3座斜井均可以辅助施工。通风方案见图2。

图2 方案二通风系统示意图(单位：m)

2.3 方案三

左、右线隧道均采用斜井+竖井三段式纵向送排式通风(地面风机房)。

WX1号斜井与S1号竖井将右线隧道分为3段，S1号竖井与隧道右线相交于YK56+150，通风井将右线隧道分成2 835，5 000，3 090 m 3段，远期3段风速分别为Vr1=4.15 m/s，Vr2=7.26 m/s，Vr3=4.65 m/s。WX2号斜井与S2号竖井将左线隧道分为3段，S2号竖井与隧道左线相交于ZK56+190，通风井将左线隧道分成2 870，4 990，3 125 m 3段，远期3段风速分别为Vr1=3.00 m/s，Vr2=4.13 m/s，Vr3=3.00 m/s。该方案左、右线隧道采用三段式通风方案满足了正常运营通风和火灾工况下排烟的需求。

设置2座斜井可作为辅助施工通道。出口端左右线隧道各设置1座竖井，减少了通风井的工作面和对环境的破坏，但竖井是垂直施工，施工难度大，地下水出水困难，安全性差，量测投点困难，也基本不能作为辅助主洞施工的通道。通风方案见图3。

图3 方案三通风系统示意图(单位：m)

2.4 方案四

左、右线隧道均采用无轨斜井+有轨斜井三段式纵向送排式通风(地上风机房)。

WX1号斜井与YX3号斜井将右线隧道分为3段，YX3号斜井与隧道右线相交于YK56+080，通风井将右线隧道分成2 835，4 930，3 160m 3段，远期3段风速分别为Vr1=4.15 m/s，Vr2=7.26 m/s，Vr3=4.65 m/s。WX2号斜井与YX4号斜井将左线隧道分为3段， YX4号斜井与隧道左线相交于ZK56+140，通风井将左线隧道分成2 870，4 940，3 175 m 3段，远期3段风速分别为Vr1=3.00 m/s，Vr2=4.13 m/s，Vr3=3.00 m/s。该方案左、右线隧道采用三段式通风方案满足了正常运营通风和火灾工况下排烟的需求，无轨斜井可作为辅助施工。YX3号与YX4号斜井坡度均达到了29%，为有轨斜井。利用有轨斜井辅助施工，设备投入大，由于井口高层较高，造成施工便道规模较大，不利于保护环境。有轨斜井进料及出渣为有轨提升方式，特别是在进料时存在多次倒运的过程，辅助主洞效率低。同时，由于自身坡度较陡，一旦出现涌水和塌方，后果和施救难度较缓坡斜井大很多。通风方案见图4。

图4 方案四通风系统示意图(单位：m)

2.5 方案五

左、右线隧道均采用双有轨斜井三段式纵向送排式通风(地上风机房)。

方案五与方案四类似，YX1号斜井与YX3号斜井将右线隧道分为3段，YX2号斜井与YX4号斜井将左线隧道分为3段。该方案左、右线隧道采用三段式通风方案满足了正常运营通风和火灾工况下排烟的需求。但利用有轨斜井辅助施工，设备投入大，施工费用高。通风方案见图5。

图5 方案五通风系统示意图(单位：m)

2.6方案对比

通风方案综合比较见表3。

表3 登楼山隧道通风方案比选

以目前普遍采用的矿车有轨提升方式为例，与汽车无轨运输相比，陡坡斜井需要增加投入大量的设备，包括轨道系统、矿车、提升设备等。由于采用矿车提升方式，且坡度较陡，开挖、出渣成本大幅增加[4]。施工过程当中，倘若遇到涌水或塌方，与坡度较小的隧道相比，将造成更为严重的后果。同时采用有轨提升方式，本身存在较多的安全隐患，成本高，施工进度较慢，进料困难[4]。对主洞施工的辅助效率不如缓坡斜井，在不出现安全事故的前提下，方案四、方案五的计算工期均大于60个月。

方案三设置了2处竖井，而且竖井深度分别达到了374 m，竖井施工需垂直运输，需要一套专门设施。与斜井相比，存在施工设备更复杂、施工进度更慢、排出水更困难、造价更高、安全性更差、测量投点更困难等问题。竖井出渣与下料均为垂直运输，基本无辅助主洞施工能力，故工期也大于60个月。方案一和方案二均能满足工期和通风要求，方案二左幅隧道少打1个斜井，可以在右幅WX4号斜井处打设1个支洞到左幅，实现辅助左幅主洞施工，实现全隧资源共享的目的。方案二较方案一减少7 629万元费用，地质情况及施工难度一致，故将方案二作为推荐方案。

3 结论

1) 特长公路隧道通风方式通常有纵向式通风、横向式通风、半横向式通风等。纵向式通风能够充分利用交通流的活塞风效应，通风效率好，对于双向分离式单向坡特长隧道，推荐采用纵向式通风。

2) 在初步确定斜井及竖井的组合形式时，应着重考虑特长隧道平面线性、纵坡形式、交通量大小及组成、地形地质情况，并按照通风区段长度及相关的排烟要求，对设置的各种形式进行筛选。

3) 通风方案的比选，应从安全性、施工便利性、对环境的影响性、设备费、后期运营管理费、通风井土建费、工期、总工程造价等方面进行综合分析，以确保通风系统经济可靠。

4) 火灾工况下利用右线WX1号斜井辅助排烟通道排烟，减少了左线斜井的数量，在满足工期和通风要求且工程难度没有增加的情况下，设备费、后期运营管理费、通风井土建费及总费用均得到了节约，实现了通风方案的最优化。

5) 陡坡斜井在建设过程中存在较多难点，设备投入大、施工费用高、施工进度慢、施工风险高，如受现场条件限制并经过对比分析需采用时，建议对陡坡斜井进行优化。