扎尕梁特长公路隧道通风方案比选研究

李志鹏

(山西省交通科学研究院， 山西 太原 030006)

0 引言

目前，随着国内公路隧道数量的不断增加，单洞双向行车特长公路隧道所占的比例也越来越大。与双洞单向行车公路隧道相比，单洞双向行车公路隧道发生火灾的概率更大，根据相关统计分析大约要高40%[1]。

国外大部分单洞双向特长公路隧道采用横向或半横向通风，全横向和半横向通风对于隧道通风排烟效果均是最好的选择，其缺点是初期投资大、后期维护不便、运营费用高，新建的隧道已经很少采用这种方式。

而国内单洞双向特长公路隧道主要采用平行导洞压入式网络通风，刘彤等[2]首次将平导送风型半横向式通风系统运用于二郎山隧道(4 176 m)；曾艳华等[3-4]在鹧鸪山隧道(4 448 m)将该方案进行了优化；金文良等[5]应用隧道通风网络解算程序,对雪峰山隧道的通风方案进行计算分析；彭伟等[6]基于行人与车辆单独疏散的原则，依托二郎山隧道提出了具体的火灾排烟和人车疏散方案；杨洪[7]依托白芷山隧道(6 710 m)，综合采用理论分析、数值模拟、网络分析等手段研究了平导压入式网络风流稳定性；严涛等[8]依托巴朗山隧道(7 954 m)研究了横通道打开数量对通风网络的影响；蒋琪[9]针对单洞双向公路隧道研究了火灾通风排烟控制策略；王明年等[10]、严涛[11]针对高海拔地区单洞双向特长公路隧道研究了防灾与通风节能技术；陈汉波[12]、屈建荣[13]、陈诗明[14]针对单洞双向特长公路隧道研究了火灾时人员疏散救援的问题。2014年7月《公路隧道通风设计细则》发布以后，要求纵向排烟的单洞双向交通隧道在进行火灾排烟设计时，应遵循火灾烟雾在隧道内的最大行程不宜大于3 000 m的原则[15-16]，平行导洞压入式网络通风不适用于超过6 000 m的隧道。

随着单洞双向特长公路隧道运营经验的积累，发现平行导洞压入式网络通风存在通风控制较复杂、通风网络稳定性较差[7-8]、通风方案的适用性受限制等问题，对隧道的安全运营产生了一定的隐患。针对此类隧道是否有更好的通风方案，使得隧道的建设运营成本和人员安全达到很好的平衡，已成为设计人员必须认真研究的问题。

1 工程概况

舟曲立节至四川永和公路建设工程ZYZCB-2标段起点里程为K99+929，终点里程为K156+420，路线全长56.491 km。扎尕梁隧道属于该路段的控制性工程，布设于舟曲县博峪乡扎尕梁，隧道起点里程为K123+066，终点里程为K128+848，总长5 782 m，最大埋深约965 m。隧道小桩号侧坡度为1.9%，坡长4 705 m，设计标高2 463.437 m；大桩号侧坡度为-0.5%，坡长1 640 m，设计标高2 535.762 m，变坡点在K127+675处。

根据《舟曲立节至四川永和公路建设工程可行性研究报告》对交通量的预测，扎尕梁隧道路段近、远期预测交通量换算结果见表1。车型组成及比例见表2。

表1 隧道交通量计算

表2 车型组成及比例

扎尕梁隧道的主要技术参数如下： 1)道路等级为三级公路； 2)交通方式为双向两车道交通； 3)设计行车速度为40 km/h； 4)交通量方向不均匀系数为0.52； 5)设计高峰小时交通量系数为0.12； 6)隧道断面面积为57.85 m2，周长为19.29 m； 7)隧道风速不宜大于10 m/s。

2 需风量的计算

确定需风量时，应对稀释烟尘、CO按40、30、20、10 km/h的行车速度工况分别进行计算，并计算交通阻滞、换气和火灾工况的需风量，取其较大者作为设计需风量，阻滞段按每车道长度1 000 m计算。

2.1 稀释烟尘基准排放量

2000年的机动车尾排有害气体中烟尘的基准排放量取2.0 m2/(veh·km)。可分别得出本项目隧道设计近期2025年烟尘的基准排放量为2×(1-0.02)25；设计远期2032年烟尘的基准排放量为2×(1-0.02)30。

2.2 稀释CO基准排放量

正常交通时，2000年的机动车尾排有害气体中CO的基准排放量应取0.007 m3/(veh·km);交通阻滞时车辆按照怠速考虑，2000年的机动车尾排有害气体中CO的基准排放量应取0.015 m3/(veh·km)，且阻滞段的计算长度不宜大于1 000 m。

本项目中，设计近期2025年CO的基准排放量为0.007×(1-0.02)25；设计远期2032年CO的基准排放量为0.007×(1-0.02)30。

2.3 隧道换气需风量

隧道换气需风量应按照以下公式进行计算:

(1)

式中：Qreq(ac)为隧道换气需风量，m3/s；Ar为隧道净空断面积，m2；l为隧道长度，m;ns为隧道最小换气频率，次/h。

2.4 火灾工况需风量

火灾工况需风量按照以下公式进行计算:

Qreq(f)=vf·Ar。

(2)

式中：Qreq(f)为火灾工况需风量，m3/s；vf为火灾控制风速,m/s。

2.5 需风量计算结果

通过计算得到扎尕梁隧道设计近期和设计远期对应的设计需风量见表3。由表3可知，该隧道近、远期的控制工况均为稀释异味工况(即换气工况)，所以通风系统按照稀释异味需风量一次设计，一次实施。

表3设计近、远期隧道对应不同控制指标的设计需风量

Table 3 Air demand for different control indicators in the short and long term

m3/s

3 通风计算

通风系统中，风机及交通通风力提供的风量和风压应满足需风量和克服通风阻力的要求。

1)隧道自然通风力： 扎尕梁隧道将自然通风力作为隧道通风阻力考虑；自然风作用引起的洞内风速取3.0 m/s。

2)隧道交通通风力： 扎尕梁隧道是双向交通隧道，交通通风力作为阻力考虑，并按设计车速以下各工况车速分别计算。

3)隧道通风摩阻力与风道损失： 在具体计算过程中取值，根据隧道不同部位、不风道形式、角度等取值也不同。

4)隧道火灾排烟工况： 考虑火风压的影响。

5)射流风机升压力： 采用全射流纵向通风方式时，在隧道内风流稳定情况下，射流风机增加的风压与隧道内的自然通风力、交通通风力和隧道通风阻力相平衡。

4 通风方案

4.1 合流型通风井排出式+射流风机纵向通风(方案1)

根据表3的计算结果可知，扎尕梁隧道近、远期的需风量均由稀释异味的需风量决定。由于近、远期扎尕梁隧道的控制需风量均为稀释异味的需风量372.17 m3/s，所以将372.17 m3/s作为设计需风量，通风系统一次设计，一次实施。通过计算可知，扎尕梁隧道采用全射流风机纵向通风即可满足正常运营工况下的通风要求，需要射流风机32台。考虑到火灾烟雾在隧道内的最大行程不宜大于3 000 m，故需设置1处通风井。

扎尕梁隧道山体较宽厚，地形复杂，埋深较大，通风井与主洞的交叉位置只能位于隧道中段218 m范围内(K125+848～K126+066)，此范围内隧道的埋深在881.361～933.820 m。如果设置竖井，竖井深度过大，施工困难，无便道，不论从施工安全还是工程造价考虑均无有利条件，且该区域处于自然环境保护核心区，不能办理施工手续，所以放弃竖井方案;如果设置斜井，斜井稍长，施工难度一般，有可利用的便道。故结合扎尕梁隧道地形、地质、几何线形、工程经济等多方面因素，在隧道K126+000处设置1处排风斜井，将隧道分为2 934 m和2 848 m 2段，保证该隧道火灾排烟要求。

扎尕梁隧道通风方案1将斜井用于正常通风及火灾排烟，故采用合流型通风斜井排出式+射流风机纵向通风，通风区段划分为2段。为了满足人员逃生及救援需要，在隧道主洞的北侧设置平行导洞，并设置间距不超500 m的横通道。通风方案1如图1所示。

图1 扎尕梁隧道通风方案1平面示意图

该方案斜井长度为1 760 m，坡度为12%，净空断面积为27.98 m2，隧道轴流风机房采用地上风机房。斜井及风道参数见表4。

表4 扎尕梁隧道斜井及风道参数(方案1)

射流风机选用直径1 120 mm、单机功率30 kW的双向射流风机；送、排风机采用大风量、低风压、静叶可调的轴流风机。

轴流风机功率的计算应结合风机的风压、风量的特点，选用的轴流风机经济、可行，并考虑一定的富余。通过计算，轴流风机装载总功率为827.3 kW，选用3台280 kW的轴流风机；同时，隧道主洞需要再设置20台射流风机进行调压。当隧道内发生火灾时，为保证隧道火灾临界风速为3 m/s，在不开启轴流风机的情况下，以射流风机提供推力，对火灾工况进行验算，需要设置射流风机16台。最后得出整个隧道通风系统风机配置见表5。

表5 扎尕梁隧道风机配置(方案1)

4.2 平行导洞压入式网络通风(方案2)

扎尕梁隧道通风方案2利用在隧道北侧设置的平行导洞进行通风、排烟。导洞的两端分别设置1处风机房，内置轴流送风机220 kW各1台，主洞设置30 kW调压射流风机20台。正常运营工况下，轴流风机将洞外的新鲜空气通过平行导洞和横通道均匀地送入隧道主洞中，主洞风流方向在中间部位的6#横通道处一分为二，分别向隧道入口和出口方向送风。

火灾工况时，隧道主洞作为排烟通道，排烟方式为分段排烟，烟雾在隧道中的行程为2 900 m和2 849 m，均满足规范要求，人员则通过平行导洞进行疏散逃生。刚开始疏散阶段轴流风机应调小风量，满足横通道内的风压为正压即可；确定人员撤离完毕后，进入排烟阶段可调大风量，消防人员可从主洞一端进入火灾现场进行专业灭火。

事故工况时，救援车辆可以通过平行导洞进入隧道事故地点进行快速处理，避免人员在隧道内滞留时间过久。通风方案2如图2所示。

图2 扎尕梁隧道通风方案2平面示意图

通风方案2通风系统风机配置见表6。

表6 扎尕梁隧道风机配置表(方案2)

4.3 射流风机纵向通风+斜井分段排烟(方案3)

扎尕梁隧道通风方案3在正常运营工况时主洞采用射流风机纵向通风，火灾工况时利用排烟斜井进行排烟，并利用平行导洞进行人员的疏散逃生和救援。通风方案3如图3所示。

该通风方案在运营工况时，通过32台射流风机纵向通风来满足隧道新鲜空气的补给；火灾工况时利用斜井分段排烟来实现火灾烟雾在隧道内的最大行程不大于3 000 m的要求，平行导洞可以满足人员疏散逃生及救援的要求。

图3 扎尕梁隧道通风方案3平面示意图

该方案排烟斜井长度为1 760 m，坡度为12%，净空断面积为13.35 m2，隧道轴流风机房采用地上风机房。斜井及风道参数见表7。

通过计算得到轴流风机装载总功率为327.4 kW，选用2台180 kW的轴流风机；同时，隧道主洞需要再设置16台射流风机进行调压。最后得出整个隧道通风系统风机配置见表8。

表7 扎尕梁隧道斜井及风道参数(方案3)

表8 扎尕梁隧道风机配置表(方案3)

4.4 方案比选

下面主要从土建费用、机电设备初期投资、运营电费、通风控制、通风网络稳定性、通风方案的适用性以及管理维护几个方面对扎尕梁隧道的通风方案进行比选,土建费用主要包括通风斜井(排烟斜井)、联络风道、风机房和便道的费用比较。比较结果见表9。

表9 土建费用比较表

机电设备初期投资主要考虑射流风机和轴流风机的初期投资；运营用电费按照20年，每年按365 d，每天风机平均运行时间为10 h，电费1.0元/(kW·h)计算。通风方案比选计算结果见表10。

表10 通风方案比选计算结果表

由表10可知： 1)方案1的特点是采用合流型通风井排出式通风，平行导洞作为人员疏散及救援的通道。该方案的优点是通风方案较成熟，通风网络稳定性好，通风控制及管理维护比较容易；但是其斜井主要作用为运营通风，断面较大，导致初期投资和运营费用均较高。

2)方案2的特点是将新鲜空气通过平行导洞和横通道压入主洞，分段通风、排烟，平行导洞同时作为人员疏散及救援的通道。该方案优点是可以取消斜井，大大降低土建工程投资。但是缺点是风孔开启大小及风孔风量的控制困难，通风网络的稳定性较差[7-8]；且火灾工况时洞内自然风对通风网络影响较大，有一定的安全隐患，通风后期的管理维护较难；该方案只能分2段排烟，只适用于6 000 m以下的隧道，不适用于超过6 000 m的隧道。

3)方案3的特点是运营工况以射流风机纵向通风为主，斜井只需要考虑排烟风量，平行导洞作为人员疏散及救援的通道。其优点是主洞射流风机纵向通风方式成熟，斜井的断面较方案1可以减小一半，土建费用投资减少，通风网络稳定性好，通风控制及管理维护比较容易，轴流风机只需要在火灾工况开启，运营电费最省、安全性最高。

通过比选，扎尕梁隧道通风方案3土建费用适中，机电设备初期投资较低，后期运营电费最少，通风控制及管理维护容易，网络稳定性好，因此将其作为推荐方案。本项目由于地形条件所限，又处于自然环境保护核心区，造成斜井过长，前期土建费用较大，如果其他类似隧道地形条件允许，可缩短斜井长度，推荐方案的优势将更加明显。

5 结论与建议

本文针对扎尕梁特长公路隧道的特点，提出3种通风方案，并通过方案比选，推荐射流风机纵向通风+斜井分段排烟为最优方案。推荐通风方案的特点为： 利用射流风机运营通风，利用排烟井分段排烟，利用平行导洞疏散救援各司其职。该研究主要解决了以下3个问题。

首先，采用纵向通风，避免网络通风控制复杂、网络稳定性差带来的安全隐患；其次，利用排烟井分段排烟，可根据排烟区段要求增设排烟井，不受隧道长度的影响，解决了平导压入式排烟方式只能分2段排烟(只适合6 000 m以下隧道)的问题；最后，利用平行导洞疏散救援，解决了单洞隧道疏散救援难的问题。

建议此类隧道在后期运营阶段，根据实际交通量及自然风进一步研究其节能及安全疏散救援的问题。