浙江杭绍台高速公路特长隧道通风与排烟系统设计与实践

谢文红，叶 盛，李 成，郑国平2

（1.台州市杭绍台高速公路有限公司 浙江 台州 318000；2.杭州新奥土木工程技术有限公司 浙江 杭州 310051）

0 引言

通风系统是稀释汽车排放物浓度以维系公路特长隧道正常服务的重要机电设施，通常设备规模和安装功率非常庞大，比如，陕西秦岭终南山隧道长度为18.02 km，通风系统安装功率达11 274 kW，每公里安装功率约625 kW[1]，四川泥巴山隧道长约10 km，通风系统安装功率也达到650 kW/km。浙江省早些年已通车运营的特长隧道，如苍岭隧道（7.6 km）、双峰隧道（6.2 km）、括苍山隧道（7.9 km）、泗洲岭隧道（6.8 km）通风设施安装功率在566～645kW/km之间[2]。然而，在对浙江省内上述隧道运营情况调研后发现，通风设备的闲置率相当高，轴流风机仅检修时偶尔开启，射流风机仅在节假日交通拥堵时少量开启。因此，有必要在设计阶段优化通风模式设置，充分利用交通活塞风，统筹竖井与主洞通风功能等技术手段提升特长隧道通风系统的集约化水平。

通过查阅文献，近年来在提高通风系统集约化程度方面的研究并不多。在既有的研究中，李伟平等[3]、吴德兴等[4]提出了包括通风与照明系统协同设计、采用互补式通风模式等措施；针对《公路隧道通风设计细则》（JTG/T D70/2—02—2014）（以下简称《细则》）中没有提供交通活塞风的计算方法，郑国平等[5]系统研究了隧道内活塞风量的计算方法及规律；王东明等[6]研究认为，交通活塞风可以提供约40%的需风量要求；互补式通风模式是近年来尝试应用的新型模式，安徽新场隧道采用此模式后省去了竖斜井[7]；王永东等[8]进一步研究了互补结合竖井送排的改进型混合通风方式；方勇刚等[9]则针对互补式通风模式可能引起的烟气串流问题开展分析，认为其影响程度在可控范围内；此外，郭志杰等[10]认为《细则》中的CO和烟雾排放率年折减率偏低，通过提高折减率可以降低设计需风量；李志鹏[11]运用前馈式神经网络理论、空气动力学理论以及模糊控制理论优化隧道通风控制系统。

随着我国公路建设逐渐向边远山区推进，可以预见，特长隧道将继续涌现，而隧道是公路网中主要的能耗源，在全球气候变暖以及各国努力降低碳排放的大背景下，有必要继续开展相关研究，提高通风系统设计精细化水平，降低公路隧道通风设备的规模、闲置率和能耗。本文拟以浙江省杭绍台高速公路的三座隧道为背景，介绍其通风系统的建设实践，以期为国内类似隧道提供借鉴。

1 工程概况及通风系统设计原则

1.1 工程概况

杭绍台高速公路起于钱江通道南接线与杭甬高速节点齐贤枢纽，于兰亭镇附近接绍诸高速，经嵊州接甬金高速，在新昌、磐安、天台交界处穿越大盘山区接台金高速公路。路线途经三地市七县（市、区），全长约162.3 km。全线设计速度100 km/h。因与上（虞）三（门）高速公路几乎平行，又称“上三高速复线”。全线超过5 km的特长隧道有三座，分别是陈家山隧道（5.954 km）、十九峰隧道（5.592 km）、大盘山隧道（8.695 km）（见图1）。鉴于陈家山隧道和十九峰隧道长度和坡度都接近，通风系统设计理念的演进历程也类似，因此，为节省篇幅本研究仅介绍陈家山隧道。

图1 三座隧道的区位图Fig.1 Location map of three tunnels

1.2 通风系统设计原则

在施工图设计之前，建设单位组织开展特长隧道的通风系统节能技术专题研究。首先明确了通风系统的设计原则，即：（1）正常行车和发生交通阻塞时，隧道通风系统应提供足够的新风量，稀释隧道内车辆行驶时排出的废气，为乘用人员、维修人员提供合理的通风卫生标准，为安全行车提供良好的空气清新度和舒适性；（2）当隧道内发生火灾事故时，系统应具有排烟功能，控制烟雾和热量的扩散，为滞留在隧道内的乘用人员、消防人员提供一定的新风量，以利于人员和车辆的安全疏散。

洞内环境控制标准根据《细则》规定取值，正常交通时，隧道内CO设计浓度δco取为100 cm³/m³；交通阻滞时，阻滞段的平均CO设计浓度δco取为150 cm³/m³，经历时间不宜超过20 min。隧道照明采用LED灯光源，烟尘设计浓度K按表1取值。换气频率取每小时3次，火灾最大热释放率取30 MW。

表1 烟尘设计浓度K（LED灯光源）Tab.1 Smoke concentration K (LED lamp)

2 陈家山隧道通风系统设计

陈家山隧道右洞起讫里程为YK89+430～YK95+370，全长5 940 m，其中进口到YK90+000纵坡为0.5%，之后是-0.8%的下坡；左洞起讫里程为ZK89+444～ZK095+398，长5 954 m，其中进口至ZK90+037纵坡为0.5%，之后是-0.8%的下坡。隧道净空断面积为68.35 m2，周长为32 m。

2.1 需风量计算

本隧道所在路段的各特征年预测交通量如表2所示，车型构成比例如表3所示。

表 2 特征年预测交通量(Pcu/d)Tab.2 Forecast traffic volume (Pcu/d)

表3 车型构成比例表Tab.3 Proportion of vehicle types

各车型的车辆折算系数，汽、柴油车比较按相关规范取值，高峰小时交通量系数为0.095，方向不均衡系数取为0.52。最后算得的近远期需风量如表4所示。

表4 陈家山隧道需风量计算结果表(单位：m³/s)Tab.4 Demanded air volume of Chenjiashan Tunnel (m³/s)

从需风量结果来看，左洞上坡隧道的需风量明显大于右洞下坡隧道，上坡隧道需风量以稀释烟雾的需风量控制，并在车速为90 km/h时达到最大值。右洞下坡隧道近期需风量均小于按换气次数计算的需风量，远期则大于换气需风量，并以稀释烟雾的需风量控制。左洞需风量是右洞需风量的2.22倍。

2.2 竖井送排式通风方案

在初步设计阶段，在K92+610右侧40 m设置一处竖井，左洞采用二区段单竖井送排式纵向通风模式，右洞采用全射流纵向通风，并设置联络风道与竖井联通，因此，火灾时左、右洞均能采用二区段纵向排烟方式（见图2）。竖井长237.7 m，直径为9 m的圆形断面，“三叶草”形分割（见图3）。竖井井口地表附近位置围岩较好，地势较平缓，推荐采用地面风机房。

图2 单竖井送排式通风方案总体布置Fig.2 Ventilation system layout with single shaft

图3 通风竖井横断面布置图Fig.3 Cross-section of the ventilation shaft

2.3 互补式通风方案

互补式通风模式是在合适的位置设置一对联络风道，将左、右洞联通起来，通过轴流风机加压后，将下坡隧道中相对清洁的空气引流到上坡隧道中去，稀释上坡隧道中的污染物。同时，将上坡隧道中污染物浓度相对较高的空气引流到下坡隧道中。通过这种方式，虽然下坡隧道出口端的污染物浓度会提高，但降低了上坡隧道出口端的污染物浓度，并确保在两条隧道的出口端浓度均小于污染浓度临界值。

互补式通风模式适用于左、右洞需风量差异较大（通常大于1.5倍）的分离式隧道，且左、右洞的设计风量之和应小于最大允许通风量之和，后者即最大允许风速10 m/s与隧道净空断面积之积。值得注意的是，通过对本隧道的分析，互补式通风模式存在能耗经济性的适用条件，即左、右洞的设计风量之和应小于交通活塞风量之和，否则将是不经济的，究其原因是通过竖井或斜井通风时，风流的路径长度较通过主隧道大大缩短。因此，这种情况下仍推荐采用竖井或斜井送排式分段纵向通风模式，

根据需风量和交通活塞风量计算结果，陈家山隧道完全满足互补式通风模式的适用条件和经济性条件，并根据计算，在ZK90+789和ZK90+889位置设置一对互补风道，保留的竖井仅用于火灾时排烟，以满足《细则》中对于纵向排烟模式下最大排烟长度不宜大于5 km的要求。优化后的通风系统布置如图4所示。

图4 互补式通风方案总体布置图Fig.4 Layout of complementary ventilation scheme

同时，鉴于竖井功能已弱化为仅用于排烟，因此，竖井断面积缩小为5 m，可将竖井设置于左、右洞之间，在竖井底部设置排烟联络风道连接左、右洞，联络风道与竖井形成倒T型（见图5），并在竖井顶部设置小型的地面风机房（见图6）。平时可以利用热位差用于自然排风，采用VentSIM软件进行了自然通风分析，估测冬天竖井内的恒定自然排风量可达到60 m³/s以上。

图5 竖井及联络风道三维结构图Fig.5 Three-D structural of shaft and connecting duct

图6 施工中的地面风机房内景Fig.6 Interior view of ground fan room in construction

2.4 选用方案及通风设备规模

根据工程造价及营运费用分析，竖井送排式通风方案和互补式通风方案的土建费用（含风机房、竖井、联络风道、互补风道）分别为5 196万元和3 136万元，设备费用（含轴流风机、射流风机、控制柜等）分别为378万元和236万元，20年营运费用（含能源费用、设备维修费、营运管理费）分别为1 806万和334万元。无论从工程造价还是全生命周期成本比较，采用互补式通风方案都优于原初步设计阶段采用的竖井送排式通风方案。因此，施工图设计阶段改用互补式通风模式。陈家山隧道成为浙江省第一座采用互补式通风模式的公路隧道。最后配置的通风设备如下：

右洞：射流风机16台（φ 1 250/45 kW）；

左洞：射流风机16台（φ 1 250/45 kW）；

互补风道：送排各100 m3/s×2台；

排烟竖井：轴流风机100 m3/s×2台；

总功率：2 560 kW，折合430 kW/km。

3 大盘山隧道通风系统设计

大盘山隧道右洞起讫里程为K113+955～K122+630，全长8 675 m；左洞起讫里程为ZK113+945-ZK122+640，全长8 695 m。隧道纵坡为-1%，为目前浙江省境内最长的公路隧道，被誉为“华东第一隧”。

3.1 需风量计算

大盘山隧道左、右洞需风量的计算结果汇总如下表5所示。

表5 大盘山隧道需风量计算结果表(单位：m³/s)Tab.5 Demanded air volume of Dapans Tunnel (unit：m³/s)

左、右洞按每小时换气3次计算的需风量分别为 495.25 m³/s、494.11 m³/s，左、右洞远期需风量分别为1 420.60 m3/s和436.10 m3/s，大于最大允许通风量之和1 367 m3/s。阻塞工况下的需风量较小，不对通风系统的规模产生影响。从需风量结果来看，左洞上坡隧道的需风量明显大于右洞下坡隧道，上坡隧道需风量以稀释烟雾的需风量控制，并在车速为90 km/h时达到最大值。右洞下坡隧道除个别工况的需风量大于按换气次数计算的需风量之外，其余均小于换气需风量。

3.2 单竖井方案

本方案在ZK118+150处设置一处竖井，竖井深度为230 m。在远期2044年，左洞竖井前、后两段的需风量分别为622.8 m³/s和591.4 m³/s，对应风速分别为9.5 m/s和9.0 m/s。如果采用单竖井送排式通风，为了使洞内风速降低到经济风速区间，竖井总送排风量达到1 200 m³/s，此时，竖井面积约80 m2，直径约10.5 m。

左洞在初期（2025年）、近期（2029年）、远期（2044年）的正常营运工况通风设备功耗分别为3 470 kW、3 620 kW和4 080 kW，而右洞为下坡隧道，正常情况下功耗为0。

3.3 双竖井方案

该方案在左线上坡隧道ZK116+420、ZK119+250的外侧设置两处通风竖井，两处竖井的深度分别为297 m和275 m，左洞被划分成三个通风和排烟区段。右洞为下坡隧道，可采用纯射流纵向通风，并将竖井用于火灾时的排烟，因此，右洞划分成一个通风区段和三个排烟区段，最长排烟距离为3 390 m。

对于正常营运通风，拟定了两种策略进行同深度比较，其中：

策略A：尽量利用竖井通风，将主洞内设计风量维持在交通活塞风左右，交通活塞风量的计算方法可参见文献[5]，不足部分则利用竖井与外界换气，因此，竖井规模会较大。

策略B：尽量利用主洞通风，即增加主隧道进口的风量，目的是为了降低通风竖井的土建规模和大型轴流风机的功率。

两个策略的分析结果如表6所示，前者的通风能耗大大低于后者，可见，提高主洞内风量会需要更多射流风机提供推力，总功率反而提高。因此，从降低通风系统规模和今后闲置率考虑，在配置通风系统时，应采用策略A。

表6 通风系统设置的两个策略Tab.6 Power comparison of ventilation equipment under different schemes

图7 大盘山隧道双竖井分段纵向通风方案Fig.7 Scheme A of air supply organization with two shafts ventilation for Dapanshan tunnel

3.4 选用方案及通风设备规模

单竖井方案仅需要设置一处大断面的竖井，因此，在土建造价上有较大的优势，但其缺点是井位位于隧道中间，在工期非常紧张的情况下，该方案将成为拖累整体工期的控制性分部工程。另外，其运营能耗高于双竖井方案，最大排烟距离也长于双竖井方案。因此，综合比较后选用双竖井方案。

综合考虑右洞和左洞在火灾工况下的风机数量要求后，大盘山隧道最后配置的通风设备如下：

左洞：每处竖井中轴流送、排风机各3台；调压射流风机20台（φ 1 250/45 kW）；

右洞：调压射流风机20台（φ 1250/45 kW）；

总功率：4 305 kW，折合496 kW/km。

大盘山隧道通风土建及机电设备的预算如下：1号竖井土建2 649.57万元，地面风机房房建567万元，机电1 267万元；2号竖井土建3 775.43万元，房建622万元，机电1353万元。

图8为大盘山隧道、陈家山隧道与省内外典型隧道的每千米通风设备功率对比情况。

图8 典型隧道通风设备功率对比图Fig.8 Ventilation system power of typical tunnels

4 结语

本文介绍了浙江杭绍台高速公路3座超过5 km的特长隧道的通风系统设计，针对不同的长度和需风量情况，分别采用了不同的设计方案，成功地降低了通风设备的规模，其中陈家山隧道通风设备安装功率为430 kW/km，大盘山隧道为496 kW/km，均低于省内早期建设的特长隧道。同时，得到以下结论：

（1）对于长度在5 km～6 km之间的特长隧道，如果其纵坡大致呈单向坡，左、右洞的需风量差异较大，适合采用互补式通风，并设置仅用于排烟的竖井以满足《细则》中纵向排烟距离不宜大于5 km的要求，可有效降低通风竖井和设备的规模。

（2）对于长度超过8 km的特长隧道，如果其需风量大于最大允许通风量之和，仍推荐采用竖井送排式纵向通风模式，但是为了降低通风设备的规模，减少今后设备闲置，建议隧道内的设计风速不应大于交通活塞风速，据此进一步确定竖井和通风设备的规模。

杭绍台高速公路于2020年12月通车运行，愿本项目的经验可以为类似长度的特长隧道通风系统设计提供借鉴。