探析超特长隧道纵坡型式的确定

吴小丽，蒋 犁，赵清碧

(招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067)

截止2019年底[1]，全国公路隧道19 067处，其中特长隧道1 175处、5 217.5 km。与2015年相比，特长隧道数量占比由5.37%上升到6.16%。根据罗刚[2]统计，截止2019年8月，中国已建、在建、规划的10 km以上的公路隧道分别有11座、16座、7座，特长及超特长隧道的数量及规模在逐年攀升。而超特长公路隧道通风及斜竖井系统的初期投资占整个隧道投资的比重大，后期通风系统运营费用高，超特长隧道的纵坡型式影响其通风系统的投资规模。目前，国内对公路、城市道路等隧道纵坡坡度、纵坡与运营安全的相关研究较多，而对不同纵坡型式对隧道通风系统的影响研究较少。赵永平[3]研究了隧道纵坡对汽车CO和烟雾排放的影响；张楚旋[4]采用数值模拟的方法，对不同坡度时该隧道火灾烟气逆流层长度进行了研究；王玉锁[5]以宝兰客运专线渭河隧道为例，研究了纵向通风下不同坡形隧道火灾烟气温度分布特性；李彦伯[6]以登楼山特长隧道为例，研究了单坡隧道的纵坡变化对通风及运营成本的影响。为确定隧道纵坡型式，需要考虑诸多影响因素，本文以重庆城开高速大巴山隧道、旗杆山隧道为例，在总体路线方案确定、隧道进出口桩号不变的情况下，通过工程类比的方式，探讨不同纵坡型式对通风规模、通风排烟及施工排水的影响，经综合经济技术比较分析后确定隧道纵坡方案。

1 工程概况

重庆城口(陕渝界)至开州高速公路是国家高速公路网银川至百色(G69)中渝境北段的一段。其中，大巴山隧道起于陕西省漳河坪乡，止于重庆市城口县北屏乡苦草坪，隧道长约13.6 km，重庆段长约5.4 km，陕西段长约8.2 km，隧道最大埋深约 1 207 m，进出口设计路面高程分别为1 050 m、1 180 m。旗杆山隧道位于重庆城口县境内，隧道长约7.6 km，最大埋深约1 276 m，进出口设计路面高程分别为981 m、868 m。两隧道均为双洞4车道隧道，设计速度为80 km/h。

2 纵坡型式对通风规模的影响

2.1 大巴山隧道

在初步设计初期，根据路线总体展布及大巴山隧道的特点，根据国内外类似工程经验，初步拟定单向坡、人字坡及折线坡3种纵坡型式，平均坡度控制在2%以内，见表1，并初步拟定设置2座斜(竖)井[7-11]。根据JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通风设计细则》[12]中需风量的计算，结合交通量数据，可得出3种纵坡型式对应的需风量及风机配置，见表2。基于表2可计算得出3种纵坡方案的需风量、风机装机功率、通风系统初期投资及年运营电费对比情况，结果如图1～图4所示。

对比分析图1～图4可知，大巴山隧道单向坡方案通风需风量、风机装机功率、初期投资及年运营电费均高于折线坡方案和人字坡方案；人字坡方案需风量及初期投资略高于折线坡方案，但年运营电费低于折线坡方案。大巴山隧道人字坡方案初期投资及20年运营电费比单向坡方案减少约2.31%，单就通风规模而言，人字坡方案优于单向坡方案和折线坡方案。

表1 大巴山隧道不同纵坡型式

表2 大巴山隧道不同纵坡型式的需风量及风机配置规模

图1 不同纵坡型式的需风量(左洞)对比

图2 不同纵坡型式的风机装机功率对比

图3 不同纵坡型式的通风系统初期投资对比

注：轴流风机按每d开1 h，射流风机按每d开2 h计。

2.2 旗杆山隧道

在初步设计初期，根据路线总体展布及旗杆山隧道的特点，结合国内外类似工程经验，初步拟定单向坡、人字坡及折线坡3种纵坡型式，平均坡度控制在2.5%以内，见表3，并初步拟定设置一座斜(竖)井。根据JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通风设计细则》[12]中需风量的计算，结合交通量数据，可得出3种纵坡对应的需风量及风机配置，见表4。基于表4可计算得到3种方案的需风量、风机装机功率、通风系统初期投资及年运营电费对比情况，结果如图5～图8所示。

对比分析图5～图8可知，旗杆山隧道单向坡方案、折线坡方案通风需风量明显高于人字坡方案，但人字坡方案的装机功率和运营电费却高于单向坡和折线坡方案，这与旗杆山隧道的斜(竖)井的设置位置有关。按20年营运电费计算，旗杆山隧道单向坡方案初期投资与运营电费之和最低，单就通风规模而言，单向坡方案优于折线坡和人字坡方案。

表3 棋杆山隧道不同纵坡型式

表4 棋杆山隧道不同纵坡型式的需风量及风机配置规模

图5 不同纵坡型式的需风量(左洞)对比

图6 不同纵坡型式的风机装机功率对比

图7 不同纵坡型式的通风系统初期投资对比

注：轴流风机按每d开1 h，射流风机按每d开2 h计。

通过对上述2座隧道不同纵坡型式下通风规模的分析可知，不是任何一种纵坡型式可简单通用于其他超特长隧道，需要结合隧道的纵坡、分段长度、交通组成等参数计算及综合分析得出。

3 纵坡型式对通风排烟的影响

隧道的烟气扩散跟隧道纵坡、横断面、火源、阻塞比、纵向通风风速等因素有关，张楚旋[4]通过数值模拟研究提出，在纵向通风速率不变的情况下，随着坡度的增大烟气逆流层长度逐渐减小，如图9所示。在其他因素不变的情况下，对于单向坡的超特长隧道，当上坡隧道发生火灾时，由于“烟囱效应”，有利于烟雾从就近排烟口或隧道口排出[13]；当下坡隧道发生火灾时，则对排烟较不利。对于人字坡的超特长隧道，在考虑了井位与变坡点匹配的情况下，上坡段的排烟效果优于单向坡隧道，而下坡段因高差大于单向坡隧道，排烟效果较不利。折线坡隧道的排烟效果与单向坡隧道类似。通过通风排烟计算得到的结果也表明，人字坡隧道配置的防灾风机装机功率最高，单向坡与折线坡隧道防灾风机功率相近。

图9 实际逆流层长度

4 纵坡型式对主体施工排水的影响

确定隧道纵坡型式时，除了考虑对隧道通风系统的影响，还需要考虑隧道主体施工排水的影响[14]。根据隧道主洞涌水量预测[15]，大巴山隧道重庆端单洞涌水量丰水期约为21 670 m3/d，陕西端单洞丰水期涌水量约为24 926 m3/d。总体来看，大巴山隧道涌水量并不大，但考虑其长度约13.6 km，相较于单向坡和折线坡隧道，人字坡隧道在施工排水方面更优。

旗杆山隧道单洞涌水量丰水期195 694.85 m3/d。根据临近区域的通渝隧道施工经验，旗杆山隧道极限情况下的涌水量按正常涌水量的6倍考虑，为391 389.66 m3/d，涌水量非常大。因此，旗杆山隧道纵坡选用人字坡较单向坡和折线坡在施工排水方面具有非常显著的优势。

5 隧道纵坡方案的确定

综合考虑隧道通风初期投资、运营电费、通风排烟、主体施工排水等因素，大巴山隧道和旗杆山隧道不同纵坡型式的综合对比结果见表5。

大巴山隧道人字坡方案在初期投资和运营电费的总费用优于单向坡和折线坡方案，虽然防灾风机装机功率略高，但总体可控，同时在施工排水方面具有优势，推荐采用人字坡方案。旗杆山隧道单向坡方案初期投资和运营电费最低，但旗杆山隧道地勘资料显示，该隧道涌水量较大，施工排水费用及安全风险偏高，综合考虑确定采用人字坡方案。

表5 不同纵坡型式的方案综合对比

6 结论

1) 以重庆城开高速大巴山隧道、旗杆山隧道为例，从通风系统的需风量、风机装机功率、初期投资及运营电费方面，对不同纵坡方案进行了对比分析，确定了人字坡方案，案例表明隧道不同纵坡型式对隧道通风规模的影响较大，且因隧而异。

2) 超特长隧道纵坡型式确定时，需要结合通风规模、通风排烟、主体施工排水等因素综合考虑。

3) 不同纵坡型式对通风排烟的影响可通过数值模拟及试验作进一步研究。