椿木山特长公路隧道通风方案比选与探讨

安林轩,杜 琳,袁 慧

（中咨泰克交通工程集团有限公司,北京 100089）

0 引言

作为高速公路交通工程设计过程中的重要一环，隧道通风方案的正确与否将对隧道后期的运行造成重要影响，尤其是成本占据很大一部分的特长型隧道通风方案。隧道通风方案一旦实施就无法轻易修改，采用合理的通风方案不仅可以减少施工期间的费用，而且可以减少后期运营电费的支出。该文以椿木山特长公路隧道为依托，通过定性分析和定量对比，对6.2 km的单向1.95%的长大纵坡隧道，综合考虑建设造价及规模、环境影响及施工条件对比等因素，开展了通风方案的比选研究，为今后类似项目提供了借鉴。

1 工程概况

芷江至铜仁（湘黔界）公路位于湖南省西部，湘黔两省交界处，武陵山片区内，是该片区规划“两环四横五纵”交通主通道的第“五纵”——“重庆经铜仁至怀化通道”中铜仁至怀化公路的湖南段，该项目为双向四车道标准建设，设计速度100 km/h，公路-I级，路基宽度为24.5 m。全线共设置5座隧道，其中，椿木山特长隧道的长度为6 219 m，小桩号侧入口处设计高程为534 m，大桩号出口处设计高程为399 m，纵坡1.95%。

2 通风方案设计

2.1 通风标准

2.1.1 隧道内CO允许浓度δ

（1）正常运营时，隧道洞内δCO要求小于等于100 cm3/m3[1]。

（2）主线交通发生拥堵时，隧道内各车道的车辆均以慢速怠速行驶，平均车速vt≤30 km/h，阻滞段长度一般小于1 000 m，阻滞时间不超过20 min，洞内δCO≤150 cm3/m3。

（3）养护维修工可时，隧道作业段空气的δCO≤30 cm3/m3。

2.1.2 隧道烟尘允许浓度K

该项目隧道照明中相关灯具选用LED，隧道烟尘允许浓度K的取值如下规定：

正常运营时：30～50 km/h，K≤0.007 5 m-1；50～60 km/h，K≤0.007 0 m-1；60～80 km/h，K≤0.006 5 m-1；交通阻滞：V车速≤30 km/h，K≤0.012 0 m-1；养护维修工况下：K≤0.003 m-1。

2.1.3 稀释空气中异味

根据该隧道交通量和隧道规模的特点，隧道空间按照每小时三次不间断换气，并保证隧道内换气风速vr不小于1.5 m/s。

2.2 隧道通风计算参数的选取

该隧道通风主要参数为：隧道标准断面面积为69.88 m2，当量直径为8.58 m。

正常行车设计控制风速≤8 m/s（分段式纵向通风）；火灾工况设计控制风速为3～4 m/s；稀释异味设计控制风速≥1.5 m/s；自然风速为2.5 m/s。

2.3 交通量参数

根据工可报告，隧道所在路段的预测交通量和车型比例分别见表1和表2。

表1 预测交通量（标准小客车） /（pcu/d）

表2 车型比例（折算为标准小客车）

根据表格提供的数据和《公路隧道通风设计细则》（JTG/T D70/2—02—2014）的相关规定，确定该项目近期设计年限为2030年，远期设计年限为2040年。

根据《公路工程技术标准》（JTG B01—2014）的3.3.2条款规定，将全部车型划分为4种，交通量预测中所有车型均折算为标准小客车，车型划分及折算系数如下：

小客车（座位≤19座的客车和载质量≤2 t的货车）车辆折算系数为1；中型车（座位＞19座的客车和2 t＜载质量≤7 t的货车）车辆折算系数为1.5；大型车（7 t＜载质量≤20 t的货车）车辆折算系数为2.5；汽车列车（载质量＞20 t的货车）车辆折算系数为4。

2.4 隧道需风量计算

通过对已有资料进行分析，结合隧道的长度、隧道净面积、隧道所处的海拔、纵坡、交通量和车型比例等因素，分别计算出近远期椿木山隧道在平时正常运营、稀释烟尘、洞内一氧化碳、稀释异味、交通拥堵和火灾等工况的隧道需风量，其中取最大的需风量作为隧道的设计风量。

根据《公路隧道通风设计细则》相关规定，以2000年为基准排放量起点，每年按2%的递减率计算获得排放量作为设计年限的基准排放量，阻滞长度按1 000 m考虑。

通过计算，椿木山隧道近远期左右线各种工况的需风量和设计风速如表3所示。

表3 椿木山隧道设计需风量和设计风速

2.5 隧道通风方式的确定

通过上表可以得出在近远期各工况下，隧道左线和右线的设计风速均不超过8 m/s。从隧道需风量和设计风速两方面考虑，采用射流通风方式即可满足需求。但在火灾排烟工况下，隧道左、右线均需采用分段式排烟方式。

考虑运营安全性和建设期的经济性，隧道左线近、远期均采用分段纵向通风方式，右线近、远期均采用全射流纵向通风方式。故椿木山隧道左线需要设置一座通风井。

隧道通风设计时，应兼顾火灾时的排烟功能。根据《公路隧道通风设计细则》第10.2.7条规定火灾工况下烟雾在隧道内的最大行程不宜超过5 km。考虑到隧道防灾排烟需求，椿木山隧道左、右线均应进行防排烟设计。椿木山隧道左线在火灾工况下可直接利用排风通道将烟雾排出隧道；右线则需设置排烟联络通道与左线排烟风道相连，再联络通和左线排风通道中设置的电动风阀，以此控制两电动风阀的开启或关闭。右线发生火灾时可利用排烟联络通道进行分段排烟，可大大缩短烟雾在隧道洞内的蔓延距离。

综上所述，椿木山隧道需设置一座通风井用于左线的正常运营通风和火灾工况下进行排烟；正常运营时，右洞采用全射流纵向通风方式即可满足使用需求，火灾工况时通过控制左线电动风阀关闭，右线电动风阀打开，使右洞形成分段排烟模式，及时引入新鲜空气并将隧道内的烟雾排出。

3 隧道通风方案比选

3.1 椿木山隧道通风方案选择原则

（1）隧道的前期建设期投资和后期运营费及工程实践情况说明土建施工和设备通风费相对较高[2]。因此，在确定隧道通风方案时，既要考虑到通风主体工程近期费用的尽量减少、通风设备投入的尽量减少等问题，也要把降低后期运营费用作为重要的目标之一。

（2）项目的近远期相结合的原则。在对比隧道通风方案的研究中，除了一次性完成土建工程之外，还特将风机分为近远期进行安装，以减少一次设备投入成本，导致设备闲置，同时也为进一步优化设备配置留出空间。

（3）正常运营与防火救灾相结合的原则。公路隧道通风方案的设计除了要满足平时正常交通运行的需风量外，还必须满足火灾发生时的通风排烟需求，即将正常运营和发生火灾时当成隧道通风系统中的两种工况。因此，在研究公路隧道通风方案时，对于横通道的设置间距、防火区段的合理划分、火灾工况时的电动风阀和风机控制、烟雾的最佳排出路径、横通道的开启与关闭时机、为逃生通道补给新鲜的空气以及隧道内避难洞的新风需求等因素都应综合进行考虑。

（4）通风方案研究与技术设计相结合原则。在进行通风方案研究时，除要将重点放在通风方案的研究上外，还必须注意通风方案和通风技术设计相结合，尽可能地完善设计。在设计隧道通风方案时，所有通风方案的约束条件是卫生标准和允许烟雾透过率。充分利用双洞单向交通的汽车交通风。采用纵向分段通风方式是方案研究的指导思想，通风系统构思的重要因素和结构选择的必须参考则是隧道所处的地形、地貌以及地质等自然条件。

借鉴我国特长公路隧道通风的设计建设技术和经验，并根据隧道的特点，本着“技术成熟、绿色低碳环保、方案经济”的理念确定出最合理的通风方案。具体的通风方案需要综合考虑交通状况、地形地貌、地质条件、运行通风的要求、生态环境保护的需求、防灾抢险措施、养护管理水平、工程造价、运行电费和养护管理费用等因素，确定最佳的通风方案。

3.2 椿木山隧道通风方案比选

通过上述分析可知，在合适的位置设置一处通风井即可满足椿木山隧道的通风需求。通过与隧道主体结构设计沟通，提出如下四个比选方案：

方案一：K20+300竖井方案。

在K20+300处设置一处通风竖井，竖井深333 m，左线平时运营时采用送排式通风；在右线设置一处排烟联络通道连接至左线排风井，当火灾发生时开启电动阀门对右线进行排烟。

方案二：K20+200竖井方案。

在K20+200处设置1座通风竖井，竖井深288 m，左线平时运营时采用送排式通风；在右线设置一处排烟联络通道连接至左线排风井，当火灾发生时开启电动阀门负责对右线进行排烟。

方案三：ZK20+650斜井方案。

隧道左线ZK20+650处设置一座通风斜井，斜井长1 450 m，纵坡7.72%，左线平时运营时采用送排式通风；在右线设置一处排烟联络通道连接至左线排风井，当火灾发生时开启电动阀门负责对右线进行排烟。

方案四：竖井+互补式通风方案。

该方案在方案二竖井的基础上，取消送风井，只保留排烟井，通过设置互补式通风，利用左右两洞的需风量以及风压不同进行互补，可大大节约前期投入成本，取得更好的通风效果。互补式通风风道设置在K22+300附近。正常运营工况下，该隧道采用互补式通风即可满足运营需求，火灾工况则采用竖井进行排烟。

椿木山隧道通风方案一～四详细对比见表4。

表4 通风方案对比表

根据上述比选，得出以下结论：

（1）从宏观层次分析：斜井施工简单，施工风险最低；300 m以内竖井次之；300 m以上竖井施工技术复杂，施工风险极高。

（2）斜井方案费用较高，300 m以上竖井次之，300 m以下竖井方案费用最低。

（3）斜井辅助施工主洞作用效果最好，能有效缩短工期，竖井基本不能辅助主洞施工，不能缩短工期。

（4）从具体方案分析：1）方案一通风竖井深度超过300 m，有一定施工风险，不能辅助主洞施工，围岩条件较好，地表道路条件较好，造价较方案二高，弃渣较方案二高，运营费用与方案二相同。2）方案三通风斜井长度较长，为了能辅助施工，施工通道截面远远大于通风需要的面积，代价较大。围岩地质较好，能辅助施工提前工期6个月，建设费用和运营费用都是最高的。3）方案四是在方案二基础上增加的互补式通风方式，但不能辅助主洞施工，围岩条件较好，地表道路条件较好，但附近有居民，可能会产生噪声。建设期费用和运营期费用都比方案二造价高。4）方案二隧道竖井深度小于300 m，施工风险较低，但不能辅助主洞施工，围岩条件较好，地表道路条件较好，但附近有居民，可能会产生噪声。该方案建设成本最低，运营费用与方案一相同，比方案三、四低，满足工期要求。

综上所述，综合考虑隧道通风井规模、施工难易程度、工期影响、总造价和运营期费用等因素，选用方案二为推荐方案。

4 结语

该文基于通风井规模、对环境影响、施工难易程度、总造价和运营期费用对比等方法，针对椿木山特长隧道通风方案展开对比研究，可为国内同类特长公路隧道通风方案设计提供一定的借鉴和参考。主要结论和建议主要有以下几点：

（1）综合考虑建设及运营全寿命周期、经济性、施工组织难度、环境影响等因素推荐椿木山隧道选用方案二竖井方案。

（2）特长隧道安全运营和紧急情况下的疏散救援非常重要，该文篇幅有限未进行探究，建议此类隧道在后期运营阶段，根据实际需求进一步研究安全疏散救援的问题。