郭 福

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

隨著國家公路建設事業(yè)的快速發(fā)展，高速公路隧道建設規(guī)模越來越大，對于特長隧道的通風設計和方案比選，在隧道建設及運營中起著重要的作用。通風方案考慮的相關因素較多，即包括通風方式、通風標準、通風計算，又要考慮到周邊環(huán)境、工程造價、施工工期等。在設置豎（斜）井分段時，不僅要考慮到正常運營、交通阻塞、防災救災、風機配置、運營費用等，而且還要考慮到地形地貌、地質(zhì)構造、豎（斜）井長度，施工便道等因素[1]。本文主要闡明了隧道營運通風系統(tǒng)各方案的比選，經(jīng)計算、分析和論證，確定了技術可靠、投資相對節(jié)約的通風方案。希望能夠為解決長大隧道通風方案設計提供一定的參考。

1 工程概述

擬建項目祁縣至離石高速公路是山西省規(guī)劃“三縱十二橫十二環(huán)高速公路網(wǎng)”中第七橫的重要組成部分。項目起點位于祁縣城趙鎮(zhèn)修善村西北，設城趙樞紐連接榆祁高速（S60）及京昆高速（G5），路線經(jīng)晉中市祁縣、呂梁市文水縣、交城縣、離石區(qū)，與呂梁環(huán)城高速公路在離石區(qū)信義鎮(zhèn)相連接，終點在離石區(qū)信義鎮(zhèn)，設離石東樞紐連接呂梁環(huán)城高速。擬建項目采用隧道方案穿越呂梁山脈，設置了呂梁山特長隧道，隧道長度9818 m，設計速度采用80 km/h，斷面采用三心圓形式，其具體參數(shù)和設置詳見表1。

表1 祁縣至離石高速公路呂梁山隧道表

2 需風量的計算

2.1 通風方案設計原則

公路隧道通風設計應根據(jù)公路等級、隧道長度、設計速度、設計交通量、車道數(shù)、平縱線形、地形地質(zhì)、隧道海拔高程、隧址區(qū)域自然條件等因素，進行經(jīng)濟技術比較，確定合理通風方案[2]。隧道通風除了需要滿足交通運營通風外，還必須滿足火災發(fā)生時的通風需求。

2.2 通風標準

2.2.1 煙塵設計濃度

表2 煙塵設計濃度K（熒光燈、LED燈等光源）

2.2.2 CO和NO2設計濃度

CO設計正常段平均濃度δCO取100 cm3/m3，同時考慮交通阻滯時，阻滯段的平均CO濃度δCO可取150 cm3/m3，經(jīng)歷時間20 min。隧道作業(yè)段空氣的CO允許濃度不應大于30 cm3/m3，NO2允許濃度不應大于0.12 cm3/m3。

2.2.3 換氣要求

呂梁山隧道內(nèi)換氣頻率取每小時3次，換氣風速取1.5 m/s。

2.3 需風量的計算

隧道通風按照行駛速度、火災工況、換氣工況進行計算隧道內(nèi)稀釋CO和煙塵等的需風量。設計近景年和設計遠景年對應的設計需風量如表3和表4所示。

表3 近景年隧道設計需風量（2029年） m3/s

表4 遠景年隧道設計需風量（2039年） m3/s

3 通風方案設計

根據(jù)表3、表4的計算結果可知：根據(jù)設計需風量大小，結合呂梁山隧道地形、地質(zhì)、幾何線性、行車方式等多方面因素，并考慮該隧道防災救災的需要，所以呂梁山隧道采用斜（豎）井分段送排式+射流風機縱向式通風。

3.1 呂梁山隧道通風方案一

根據(jù)隧道近、遠景年計算需風量，利用左線左側(cè)1號、2號兩處施工斜井，將隧道左線分為3段，采用兩處斜井送、排式+射流風機縱向式通風；右線同樣劃分為3個通風區(qū)段，利用1號斜井排出式+1號豎井（YK74+600）送排式+射流風機縱向式通風，如圖1所示。隧道分段需風量計算如表5所示。

圖1 呂梁山隧道通風方案示意圖（方案一）

a）近景年（2029年） 單機功率30 kW的雙向射流風機86臺；功率為390 kW排風機3臺，功率為250 kW排風機4臺；功率為370 kW送風機2臺，功率為550 kW送風機2臺，功率為790 kW送風機2臺。

表5 呂梁山隧道分段需風量計算表(方案一)

b）遠景年（2039年） 單機功率30 kW的雙向射流風機114臺；功率為390 kW排風機5臺，功率為250 kW排風機4臺；功率為370 kW送風機3臺，功率為550 kW送風機2臺，功率為790 kW送風機3臺。

3.2 呂梁山隧道通風方案二

根據(jù)隧道近、遠景年計算需風量，利用1號、2號兩處施工斜井，將隧道左線分為3段，采用兩處斜井送、排式+射流風機縱向式通風；右線也劃分為3個通風區(qū)段，利用2號斜井排出式+2號豎井（YK72+400）送排式+射流風機縱向式通風，如圖2所示。隧道分段需風量計算如表6所示。

圖2 呂梁山隧道通風方案示意圖(方案二)

表6 呂梁山隧道分段需風量計算表(方案二)

a）近景年（2029年） 單機功率30 kW的雙向射流風機88臺；功率為390 kW排風機2臺，功率為250 kW排風機5臺；功率為250 kW送風機2臺，功率為550 kW送風機2臺，功率為790 kW送風機2臺。

b）遠景年（2039年） 單機功率30 kW的雙向射流風機112臺；功率為390 kW排風機3臺，功率為250 kW排風機6臺；功率為250 kW送風機2臺，功率為550 kW送風機2臺，功率為790 kW送風機3臺。

3.3 呂梁山隧道通風方案三

根據(jù)隧道近、遠景年計算需風量，利用左線左側(cè)1號施工斜井和3號豎井（ZK76+180），將隧道左線分為3段，采用一處斜井送排式+一處豎井送排式+射流風機縱向式通風；右線同樣劃分為3個通風區(qū)段，利用1號斜井排出式+1號豎井（YK74+600）送排式+射流風機縱向式通風，如圖3所示。隧道分段需風量計算如表7所示。

圖3 呂梁山隧道通風方案示意圖(方案三)

表7 呂梁山隧道分段需風量計算表(方案三)

a）近景年（2029年） 單機功率30 kW的雙向射流風機86臺；功率為390 kW排風機3臺，功率為250 kW排風機4臺；功率為370 kW送風機2臺，功率為550 kW送風機2臺，功率為640 kW送風機2臺。

b）遠景年（2039年） 單機功率30 kW的雙向射流風機114臺；功率為390 kW排風機5臺，功率為250 kW排風機4臺；功率為370 kW送風機3臺，功率為550 kW送風機2臺，功率為640 kW送風機3臺。

3.4 呂梁山隧道通風方案四

根據(jù)隧道近、遠景年計算需風量，利用左線左側(cè)1號、2號兩處施工斜井，將隧道左線分為3段，采用兩處斜井送排式+射流風機縱向式通風；右線同樣劃分為3個通風區(qū)段，利用1號斜井排出式+1號豎井（YK74+600）送排式+射流風機縱向式通風。通風方案平面示意圖如圖4所示。

圖4 呂梁山隧道通風方案示意圖(方案四)

方案四和方案一的區(qū)別在于方案一采用了地上風機房，方案四采用了地下風機房。通過計算，兩個方案的風機配置一樣，主要區(qū)別在風機房形式不同導致的工程造價不同。

4 呂梁山隧道通風方案比選

4.1 呂梁山隧道主體施工工期對比

為準確分析呂梁山隧道施工工期，首先應明確長大隧道輔助坑道的設計位置、工作面布置，每個工作面負責的施工范圍，以及每個施工段落隧道圍巖布置情況等[3]。按設計，隧道進、出口主洞及斜井同時開始施工，豎井開工后僅進行自身施工，由于出渣費用較高，不進行主洞輔助施工。斜井貫通轉(zhuǎn)入主洞后相向進行掘進，以增加施工作業(yè)面加快施工進度，隧道最大可允許單洞4個掌子面同時掘進。同時充分考慮：洞身掘進時間；施工過程中處治涌水、塌方等事件所消耗的時間；隧道掌子面貫通后二襯、路面及機電等后續(xù)工程的施工時間等多方面因素。經(jīng)綜合估算各方案工期如表8。

圖5 呂梁山隧道通風斜、豎井位置示意圖

表8 呂梁山隧道不同方案下的施工工期

4.2 呂梁山隧道通風方案比選

根據(jù)上述計算結果可知，4個方案從技術上均是可行的。方案一和方案二中隧道左線由于通風的分段與施工分段基本一致，完全可以利用左線左側(cè)的兩處施工斜井作為通風斜井，兩套方案的主要區(qū)別在于右線隧道豎井位置的不同，導致通風方案差異。方案三充分利用了僅有的一處施工斜井。方案四的特點是采用了地下風機房。下面對4種通風方案從土建費用、前期設備費用、運營用電等經(jīng)濟方面做進一步比較。

表9 呂梁山隧道通風方案經(jīng)濟比較表 萬元

各方案優(yōu)缺點對比情況如表10所示。

表10 呂梁山隧道各方案優(yōu)缺點

通過以上對比分析，方案四采用了地下風機房，對地表環(huán)境破壞最少，但是前期土建費用太高，故不作為推薦方案。

方案三采用兩豎一斜，地上風機房，該方案前期投入和后期運營費用最低，但是施工周期最長（較其他方案長140 d左右），施工期間增加利息和施工機械等增資較大，約1億元以上，故也不作為推薦方案。

方案一和方案二均能充分利用兩處施工斜井，兩個方案的主要區(qū)別在于豎井位置不同，方案二雖然在經(jīng)濟比選中也有一定的優(yōu)勢，但是考慮到其地上風機房所處位置地勢較低，附近有季節(jié)性地表溪流，距離風機房300 m左右有村莊。選在此處施工，前期對周圍環(huán)境影響較大，后期風機產(chǎn)生的噪聲以及排出的有害氣體會對周圍村民產(chǎn)生影響（秋冬兩季排風口處于村莊的上風方向），方案一則不存在此類問題。綜合比較，將方案一作為推薦方案。

5 結論

通風設計是隧道總體設計的重要組成部分，與隧道長度、縱坡、地形、地質(zhì)、氣象等密切相關。本文通過呂梁山隧道通風方案的設計和比選，經(jīng)計算、分析、比較和論證，確定了技術可靠、投資相對節(jié)約的通風方案。希望能夠指導呂梁山隧道通風方案的設計，也為以后長大隧道通風方案的設計和比選提供一定的參考。