特长隧道通风方法及保障措施技术研究

黄立润

特长隧道通风方法及保障措施技术研究

黄立润

（广西路建工程集团有限公司，广西 南宁 530001）

观音山隧道是广西路建工程集团有限公司崇爱高速工程中的重点项目，该隧道为双向分离式特长隧道，全长约4 805 m，工程规模巨大，施工条件复杂。文章结合观音山隧道工程实际情况与参数，计算通风需风量和通风设备数量，设计该隧道的通风系统，同时从设备控制管理与安装两方面对通风设备的保障措施进行研究，从风机的安装、调试、运行和维护等方面提出不同建议。该研究认识可为类似特长隧道通风提供参考。

特长隧道；通风设计；保障措施；运行维护

引言

我国高速公路建设发展迅猛，高速公路已成为区域经济发展的重要保障。面对快速发展的高速公路建设，在满足安全、质量以及进度的同时，也要保障施工过程中的技术研究以及科研创新，通过不断研究创新，得出新的技术以沿用于正在建设的工程以及后续新建设的工程。在高速公路建设中，路线的规划不可避免地要穿过崇山峻岭，如正常进行路基路面开挖，会加大施工的投资成本，因此一旦出现线路的走线经过山岭，那么就会设计隧道。隧道也分为特长隧道、长隧道、中隧道以及短隧道，其中特长隧道作为高速工程中的重点控制性项目，由于隧道长度超过3000 m，隧道施工过程中的围岩情况，以及通风排烟等是施工中以及通车后的一个难点。特长隧道工程规模浩大，施工条件复杂，如世界上最长的双洞高速公路隧道：秦岭终南山特长公路隧道，长度为18.20 km；四川凉山州锦屏山特长隧道，长度为17.90 km；巴陕高速中米仓山隧道，长度超过10 km。面对这些特长隧道，通风将会是一个重点和难点，高速隧道中车流不仅会产生烟尘，如通风出现问题会导致隧道内可视范围降低，增加行车危险系数，汽车排放的尾气更含有剧毒的一氧化碳（CO），一旦在隧道内出现交通事故造成交通堵塞，浓度高的一氧化碳（CO）会给后续的伤员带来二次伤害。隧道内的通风仅靠洞口两端的气流难以提供足够的新鲜风流，因此隧道需要设计一套完整的通风系统以保障行车安全和紧急情况下的应急抢险。目前已有学者结合工程实际对高速公路隧道的通风方法进行研究[2-6]。本文以某高速公路特长隧道项目为依托，设计通风方案并提出相应的保障措施。

1 项目概况

水口－崇左－爱店高速公路（崇左至爱店口岸段）是《广西高速公路网规划（2018－2030年）》中“联17”的重要组成部分，本项目全线位于崇左市境内，北起崇左市宁明县亭亮镇天西村，与南宁至友谊关高速公路相交，路线总体由北向南布线，经亭亮镇、东安乡、明江镇、峙浪乡等地，止于爱店口岸，中间与规划的凭祥至东兴高速公路互通，路线全长58.677 km，其中高速公路段长55.250 km，爱店连接线3.427 km。

水口－崇左－爱店公路（崇左至爱店口岸段）二分部主线起点桩号为K31+666，终点桩号为K55+250；爱店连接线起点接K58+250，终点桩号为K58+718.58，与规划中的G219国道相接，项目沿线河流有派连河等。本项目路线范围内有大中桥6480 m/9座，天桥360 m/4座，分离式立体交叉桥526 m/1座，互通桥561 m/4座。涵洞67道，通道25道（含主线、服务区、连接线），分离式隧道4805 m/0.5座，爱店服务区1处。设置有1处互通立交，即峙浪互通。

本项目主线采用双向四车道高速公路，设计速度为 100 km/h，路基设计宽度26 m，路基设计洪水频率1/100；爱店连接线采用双向四车道一级公路，路基设计宽度25.5 m，路基设计洪水频率1/100。其中观音山隧道、板堪2号大桥是本项目重点、难点及控制性工程。观音山隧道位于我国南部的崇爱高速公路项目，此高速连接我国陆路边境口岸，是我国西南对外贸易的重要动脉。该高速公路采用双向四车道设计，设计最高时速为100 km/h。路线总体自北向南布线，主线全长约55.25 km。高速公路全线隧道长7431 m，同时包括21座大中型桥梁、隧道管理站、养护工区、管理分中心和配套的收费站、服务区等。观音山隧道是两座隧道之一，属于分离式特长隧道，长度约4.8 km，起讫桩号分别为ZK29+272～ZK34+062（4790 m）、K29+256～K34+076（4820 m）。隧道概况列于表1。

表1 隧道概况

2 隧道通风方法

观音山隧道内通风系统共有两个设计要求：一是保证隧道正常运营，满足清除烟尘、汽车尾气等有毒有害物质，使空气达到卫生标准，保证隧道安全和舒适的要求。二是在应急情况下，通风系统应能满足火灾发生时的通风需求，及时排出有害气体并通入足够的新鲜空气，最大程度上减少人员伤亡和对隧道的破坏。本项目中观音山隧道属于特长隧道，因此该隧道通风设计具体针对正常交通工况、交通阻滞工况、火灾等紧急状况设计。

2.1 通风计算基本参数

通风设施根据预测交通量增长变化分期、分阶段实施，设计目标年近期采用2035年交通量，远期采用2043年交通量。观音山隧道2035年交通预测量为762 evh/h，2043年交通预测量为1160 evh/h。具体计算参数为：隧道行车最高时速100 km/h，隧道断面积71.43 m2，断面当量直径8.68 m，沿程阻力系数取-0.02，隧址夏季气温取28℃；火灾工况下控制风速为2.0 m/s～3.0 m/s，稀释异味设计控制风速≥1.5 m/s，正常行车设计控制风速≤10 m/s（表2）。

表2 通风计算参数

2.2 需风量计算

观音山隧道设计采用机械通风。根据不同行车速度，从10 km/h～100 km/h以10 km/h为间隔计算每段行车速度所需风量，需风量包括稀释烟尘需风量（QVI）、稀释一氧化碳所需风量（QCO）、稀释空气异味的需风量和火灾工况下需风量。其中，各速度运行工况的设计需风量（Qreq）取正常行车工况、阻滞工况、换气工况的最大值，火灾工况需风量根据隧道火灾临界风速计算（表3）。

表3 观音山隧道各工况下需风量

注：QVI为稀释烟尘所需风量，QCO为稀释一氧化碳（CO）所需风量，Qreq为各速度下运行工况需风量，单位均为m3/s。

2035年，观音山隧道在正常行车工况下左线、右线最大需风量分别为285 m3/s和475 m3/s，在阻滞工况下左线、右线最大需风量分别为285 m3/s和333 m3/s。2043年，在正常行车工况下左线、右线最大需风量分别为285 m3/s和775 m3/s，在阻滞工况下左线、右线最大需风量分别为328 m3/s和543 m3/s。2035年在换气工况下需风量为285 m3/s（左线）、287 m3/s（右线），火灾工况下需风量为161 m3/s。2043年在换气工况下需风量为285 m3/s（左线）、287 m3/s（右线），火灾工况下需风量为161 m3/s。

2.3 通风设备选择

观音山隧道主线近远期选用Φ1120、37 kW射流风机，风机流量≥31.5 m3/s，每个断面安装两台。施工现场突发意外，如洞内出现火灾的情况下，火灾点处的风机不能开启，因此为满足火灾工况时的通风排烟、人员逃生，隧道所需安装的风机应比计算的火灾工况下的风机多出1组～2组做为备用风机，以应对紧急突发情况。根据《公路隧道通风设计细则》（JTG/T D 70/2－02－2014）要求，选择的射流风机台数＞6组时，必须预留风机总台数15%的备用量。观音山隧道2035年左线布置37 kW射流风机18台，右线布置24台，共布置42台，总功率1554 kW；2043年左线布置37 kW射流风机22台，右线布置60台，共布置82台，总功率为3034 kW（表4）。

表4 风机配置表

注：风机台数已考虑15%备用风机数量和火源点造成的风机损失。远期风机台数是指远期共设置的台数，数量已包含近期的风机台数。

3 通风设备控制方式

通风控制系统包括隧道监控站内计算机管理系统、区域控制器（PLC）和风机安装现场控制箱、风速风向检测器、CO/VI检测器、传输通道、风机。通风控制系统的控制原则根据国家相关标准和规定制定。系统配备自检功能，可随时检测CO/VI检测器、风速风向检测器，并检测风机工作状态，在以上设备异常时发出警告和故障信息。风机控制采用一拖一的软启动方式，即一台软启动器控制一台风机；风机具备正反转切换功能，并能在系统软启动器损坏时直接启动风机。通风系统以自动控制为主，必要时可用手动控制辅助。自动、手动控制结合可以在隧道管理站内实现对射流风机的远程控制，检修人员也能在现场对风机进行起停、正反转操作，以便于维护检修风机。

3.1 自动控制

通风控制系统的自动控制由直接控制法、间接控制法和时序控制法共同作用。直接控制法是基于布置在隧道内的传感器（CO/VI检测器、风速风向检测器），检测隧道内一氧化碳浓度和烟尘浓度，并将信号传输给控制系统，使系统控制风机启停、运转。间接控制法依据隧道外的车辆检测器、监控等设备，记录隧道内交通流量及行车时速，并计算出实时的烟尘和一氧化碳浓度，反馈至系统控制风量。时序控制法是参照隧道的管理经验，根据各个时间段估计的交通量和一氧化碳浓度、烟雾浓度，预设置程序控制风机的运行状态。三种控制方式相结合的方法调节风机的工作状况，给隧道供给新鲜风量，并稀释CO和烟尘的浓度，达到合理控制风机，实现节能环保和维持风机最佳运行状态的效果。

3.2 手动控制

手动控制是控制系统对风机进行联动控制与单独控制。联动控制是通过手动操纵风量的档次按钮控制风机的风量档次，实现对风机的联动控制。单独控制是指维护人员单独控制每台风机的启、停。手动控制也可绕过系统通过隧道内的手工操作控制按钮控制风机，此方法也称为就地控制，其目的是方便风机的检修测试。

4 通风设备安装维护

4.1 风机安装

安装射流风机前安装风机生产厂家提供的预埋件，预埋件安装完成后，焊接风机支架焊接做载荷试验，要求支承强度大于实际载荷的15倍。预埋件接头和连接件为防止锈蚀，需刷两遍防锈底漆和面漆。需要注意的一点是，为减少风机损失，安装时各台风机的主风流方向需保持与交通流方向相同，同时各风机安装位置在同一直线上且尽量靠近隧道走轴线。此外，风机安装时严禁磕碰，通风设备安装完毕后，应进行单台风机性能测试。

4.2 风机调试

风机安装完成后在启动前应检查电压范围是否正常（通常为380 V，误差±6%以内），检查叶轮转动是否正常、叶顶间隙是否符合要求。同时清理干净风机内和风机附近的杂质异物。风机试机时检查风机叶轮是否按照标牌所示方向旋转，并检查风机的额定转速和电路连接情况尤其是接地线和熔断器，最后检查风机的震动情况。安装完成后开启风机运转半小时，再检查其运行状况，以上均无异常则风机调试完成。

4.3 风机运行

对于多组（多台）风机启动或停止，为减少对电网的冲击，每次适宜增加和减少风机运行的台数为一组2台。每组风机的启动间隔时间不得低于30 s。风机在正常运行中，首先应注意电机电流，这是风机载荷以及故障显示的信号；其次，定期检查风机以及电机的振动情况，检查是否存在摩擦或撞击的异常声响。在进行风机检修或反转时，必须等待风机叶轮完全停止后才可切断电源或接通反向电源。风机在正常运行中，当出现以下异常情况必须立即停机检查：电流突然增大超出正常范围、振动异常或出现撞击声、电机轴承温度急剧上升等。

4.4 风机维护

射流风机的维护方面，需要定期清理风机外表面，清理时严禁用水冲洗，在刷除积灰时须使用干燥的长毛刷。此外需要定期检查风机联接的螺栓是否松动，如发现有松动迹象应及时扭紧，定期给风机外壳上的注油孔加注电机轴承润滑油。

5 结束语

本文依托崇爱高速公路建设项目，对该高速公路中的观音山隧道（特长隧道）的通风进行设计计算，选择满足设计要求所需风机，并在控制端与设备端探讨了通风系统的保障措施。通风设备的控制为自动控制与手动控制相结合，在控制系统的程序中自动控制可在传感设备的支持下对风机自动控制调整，手动控制可人为对风机的工况进行调整。同时通风设备需按规定进行安装、保养和维修，以保障通风系统的正常工作。

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Study on Ventilation Methods and Safeguard Measures Technology for Extra Long Tunnels

Guanyinshan tunnel is a key project of Chongai expressway project of Guangxi Road Construction Engineering Group Co., Ltd. It is a two-way separated extra long tunnel with a total length of about 4 805 m. The project scale is huge and the construction conditions are complex. Combined with the actual situation and parameters of Guanyinshan tunnel project, this paper calculates the air volume required for ventilation and the number of ventilation equipment, designs the ventilation system of the tunnel, studies the safeguard measures of ventilation equipment from the two aspects of equipment control management and installation, and puts forward different suggestions from the aspects of fan installation, commissioning, operation and maintenance. This study can provide reference for ventilation of similar extra long tunnels.

extra long tunnels; ventilation design; safeguard measures; operation and maintenance

U45

A

1008-1151(2022)11-0030-03

2022-09-17

黄立润（1997－），男，广西路建工程集团有限公司二分公司水口－崇左（爱店口岸）段项目经理部二分部质检工程师，从事工程质检工作。