高速公路特长隧道通风系统设计与研究

常国伟

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

1 工程概况

近年来我国公路隧道建设规模逐步扩大，特别是山西省高速公路10 km以上的超特长隧道不断增多，特长隧道通风系统的建设与运营积累了较多经验，相关技术也得到不断的提升。特长隧道通风系统特别是风机房、通风斜竖井位置设置方案的设计，将影响整个隧道工程通风系统的土建费用、前期设备费用及运营养护费用。

本文以山西省大万山特长公路隧道作为依托工程，开展特长隧道通风系统方案的设计研究与方案比选。该隧道为双洞四车道分离式隧道，设计行车车速80 km/h，隧道断面面积62.8 m2，隧道限宽10.25 m（ 0.75+0.5+2×3.75+0.75+0.75），建筑限高 5.0 m。 隧道交通量方向不均匀系数取值0.52，设计高峰小时交通量系数取值0.09，通风系统设计年限近期为2030年，远期为2039年，隧道设置基本情况见表1。

表1 大万山特长隧道基本情况一览表

2 通风方式及通风标准

2.1 通风方式

通常根据隧道条件，采用一种或多种通风方式组合构成更合理的通风方式。目前我国特长隧道运营通风普遍采用“通风井送排式+射流风机”组合的通风方式，该通风方式具有以下优点：非火灾工况的适用隧道长度不受限制、噪声很小、火灾情况下排烟较方便。因此大万山隧道通风系统仍采用上述组合方式的分段纵向通风方式。

2.2 通风标准

公路隧道通风设计的安全标准以稀释机动车排放的烟尘为主，烟尘设计浓度为0.007 g/m3；卫生标准以稀释机动车排放的一氧化碳为主，一氧化碳设计浓度为100 cm3/m3；舒适性标准以换气稀释机动车带来的异味为主[1]，最小换气频率不低于每小时3次。基于我国公路隧道数量众多及经济技术的发展现状，对于稀释洞内粉尘污染、NO2、富余热量等，原则上不是隧道通风系统设计应考虑的对象。

3 需风量的计算

需风量计算中，设计小时交通量以及相对应的机动车有害气体排放量均应与各设计目标年份相匹配。确定需风量时，应对稀释烟尘、CO按隧道设计速度以下各工况车速10 km/h为一档分别进行计算，并计算交通阻滞和换气的需风量，取其较大者作为设计需风量[1]。

3.1 交通量的计算

根据大万山特长公路隧道所属项目工程可行性研究报告对交通量的预测及车型比例构成，结合各汽车代表车型及车辆折算系数。首先将工可报告中各设计年（预测）年平均日交通量换算成标准小客车设计高峰小时交通量；其次按照工可报告中提出的交通组成百分比，分别计算出各车型对应的标准小客车设计高峰小时交通量；最后按《公路工程技术标准》（JTG B01—2014）“各汽车代表车型与车辆折算系数”，将各车型对应的标准小客车高峰交通量换算成混合车型设计高峰小时交通量。大万山隧道路段实际交通量见表2所示。

表2 隧道交通量计算

3.2 设计需风量计算结果

隧道通风以车辆在隧道内行驶时排出的CO、烟尘和异味为稀释对象，取其较大者作为计算通风量。计算中分车型计算排污量，按行驶车速、火灾、换气工况进行计算隧道内稀释CO和烟尘等的需风量考虑。设计近期和远期对应的设计需风量见表3所示。

表3 隧道设计近、远期对应不同控制指标的设计需风量 m3/s

根据表3的计算结果可知，大万山隧道左线的需风量由稀释异味的需风量决定；右线的需风量由稀释烟尘的需风量决定。

4 通风方案

4.1 大万山隧道通风方案

大万山隧道如果采用全射流纵向通风方式，近期和远期设计风速均已超过8 m/s，超过规范对隧道洞内最大设计风速的要求。考虑该隧道防灾救灾需要并结合隧道所处位置的地质、地形、工程经济等多方面因素，大万山隧道的通风系统采用斜（竖）井分段送排式+射流风机纵向式通风的方式。

4.2 大万山隧道通风方案设计

结合隧道通风系统近远期设计计算所需需风量、隧道内通风排烟要求及隧道长度，大万山隧道左线利用其左侧的一处1号施工斜井和右线右侧的1号竖井将隧道左线分为3个通风区段，采用一处斜井送排式+1号竖井（YK39+050）排出式+射流风机纵向式通风；大万山隧道右线利用其右侧的两处竖井同样划分为3个通风区段，采用1号竖井（YK39+050）送排式+2号竖井（YK42+300）送排式+射流风机纵向式通风。通风方案区段划分及长度示意图见图1所示。

图1 大万山隧道通风方案区段划分及长度示意图（单位：m）

射流风机选用直径1120 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，隧道轴流风机房采用地上风机房。隧道分段需风量计算见表4所示，斜竖井及风道参数见表5所示。

表4 大万山隧道分段需风量计算表

表5 大万山隧道斜竖井及风道参数

隧道左右线各区段的风速通过试算确定以后，再根据压力平衡原理判断各通风段是否需要设置射流风机进行调压。轴流风机功率的确定结合风机的风压、风量等特点，考虑近远期相结合的原则，并以远期参数进行配置，选用的轴流风机经济、可行，并考虑一定的富余量。当隧道内发生火灾时，为保证满足规范要求的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，对火灾工况下的通风方案设计进行验算，左线需要设置射流风机24台，右线需要设置射流风机26台。隧道通风系统风机配置见表6所示。

表6 大万山隧道风机配置表

5 结语

结合大万山特长公路隧道的工程特性，提出通风系统设计方案并确定了通风斜竖井的合理位置。总之，高速公路特长隧道通风系统的设计与隧道长度、坡度、设计交通量及通风井的位置密切相关[2]，设计时应从土建费用、前期设备费用、运营用电等经济方面对通风系统方案做进一步的比选，使通风系统工程造价与风险最小化，并降低后期运营维护费用。