周 森 楊 洪 崔 炫 田 嬌

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽 550081)

近年來，高速公路建設(shè)蓬勃發(fā)展，西南地區(qū)地形多為丘陵及大山脈，公路沿線橋隧比大，長大隧道的數(shù)量也日益增多。特長隧道的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)項(xiàng)目的建設(shè)成本、運(yùn)營安全及費(fèi)用、行車舒適性會(huì)產(chǎn)生直接影響[1]，因而，特長隧道的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及方案研究比選是項(xiàng)目建設(shè)的重中之重。待建的彌勒至楚雄國家高速公路彌勒至玉溪段登樓山隧道是目前國內(nèi)最長的雙向6車道高速公路隧道，本文以該隧道通風(fēng)技術(shù)問題為例開展研究，經(jīng)過綜合比選，以確定最優(yōu)的隧道通風(fēng)方案。

彌勒至楚雄國家高速公路彌勒至玉溪段為雙向6車道高速公路，設(shè)計(jì)行車速度為100 km/h。登樓山隧道為分離式特長隧道，左幅起訖樁號(hào)為ZK48+330-ZK59+315，全長10 985 m，最大埋深約838 m，右幅起訖樁號(hào)為YK48+315-YK59+240，全長10 925 m，最大埋深約826 m。左右幅縱坡分別采用1.9%及2.3%的單向坡。

1 隧道交通量及通風(fēng)計(jì)算參數(shù)

欲做好隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)，首先需要確定項(xiàng)目的交通量及交通組成，以確定相應(yīng)的通風(fēng)參數(shù)。根據(jù)交通量預(yù)測，將2030年及2040年的平均日交通量分別作為近期值及遠(yuǎn)期值。依據(jù)道路交通調(diào)研結(jié)果，利用汽車車型折算系數(shù)換算得到實(shí)際車型的交通量，隧道近遠(yuǎn)期交通量見表1。結(jié)合文獻(xiàn)[2-3]的要求，通過優(yōu)化分析，得到登樓山隧道通風(fēng)計(jì)算參數(shù)見表2。

表1 隧道交通量及車型構(gòu)成比例預(yù)測(折算數(shù))

注：表中交通量為設(shè)計(jì)年度隧道平均日交通，方向不均勻系數(shù)0.5，設(shè)計(jì)小時(shí)交通量系數(shù)0.095。

表2 通風(fēng)計(jì)算參數(shù)

2 隧道通風(fēng)方案比選

根據(jù)登樓山隧道平面線性、縱坡形式、交通量大小及組成、地形地質(zhì)情況，結(jié)合通風(fēng)分段長度，并按照通風(fēng)區(qū)段長度及相關(guān)排煙要求，對(duì)設(shè)置斜井及豎井進(jìn)行組合、篩選，初步得出5個(gè)通風(fēng)方案。各方案具體內(nèi)容如下。

2.1 方案一

左、右線隧道均采用雙斜井三段式縱向送排式通風(fēng)(地面風(fēng)機(jī)房)。

結(jié)合施工需求，左、右線隧道均采用斜井方案。WX1號(hào)斜井排風(fēng)口與右線隧道相交于YK51+150，WX3號(hào)斜井排風(fēng)口與右線隧道相交于YK56+080。通風(fēng)井將右線隧道分成2 835，4 930，3 160 m 3段，遠(yuǎn)期3段風(fēng)速分別為Vr1=4.15 m/s，Vr2=7.26 m/s，Vr3=4.65 m/s。WX2號(hào)斜井排風(fēng)口與左線隧道相交于ZK51+200，WX4號(hào)斜井排煙道與左線隧道相交于ZK56+150。通風(fēng)井將左線隧道分成2 870，4 950，3 165 m 3段，遠(yuǎn)期3段風(fēng)速分別為Vr1=3.00 m/s，Vr2=4.13 m/s，Vr3=3.00 m/s。正常運(yùn)營工況下左右洞3段風(fēng)速較為均勻，行車環(huán)境較好?；馂?zāi)工況下左洞最長排煙區(qū)段長度為4 580 m，右洞最長排煙區(qū)段長度為4 950 m，均小于5 000 m，運(yùn)營安全性較高，且4座斜井均可作為輔助施工。通風(fēng)方案見圖1。

圖1 方案一通風(fēng)系統(tǒng)示意圖(單位：m)

由于該區(qū)域地質(zhì)條件較差，設(shè)置地下風(fēng)機(jī)房造價(jià)較高，且具有一定的工程風(fēng)險(xiǎn)，斜井出口場地均較為平整，具備建設(shè)地面風(fēng)機(jī)房的條件，故宜設(shè)置地面風(fēng)機(jī)房。

2.2 方案二

右線隧道采用雙斜井三段式縱向送排式通風(fēng)，左線隧道單斜井兩段式縱向送排式通風(fēng)(火災(zāi)工況下利用右線WX1號(hào)斜井輔助排煙通道排煙)。

方案二右洞斜井與分段情況與方案一相同，不再闡述。WX4號(hào)斜井排風(fēng)口與左線隧道相交于ZK56+150，WX1號(hào)斜井輔助排煙道與左線隧道相交于ZK51+150。正常運(yùn)營階段分成7 820，3 165 m 2段，遠(yuǎn)期風(fēng)速分別為Vr1=6.52 m/s，Vr2=3.00 m/s。2段風(fēng)速較為均勻，行車環(huán)境較好?；馂?zāi)工況下利用右線隧道的輔助排煙道，排煙區(qū)段分成2 835，4 930，3 160 m 3段，排煙區(qū)段劃分合理，3座斜井均可以輔助施工。通風(fēng)方案見圖2。

圖2 方案二通風(fēng)系統(tǒng)示意圖(單位：m)

2.3 方案三

左、右線隧道均采用斜井+豎井三段式縱向送排式通風(fēng)(地面風(fēng)機(jī)房)。

WX1號(hào)斜井與S1號(hào)豎井將右線隧道分為3段，S1號(hào)豎井與隧道右線相交于YK56+150，通風(fēng)井將右線隧道分成2 835，5 000，3 090 m 3段，遠(yuǎn)期3段風(fēng)速分別為Vr1=4.15 m/s，Vr2=7.26 m/s，Vr3=4.65 m/s。WX2號(hào)斜井與S2號(hào)豎井將左線隧道分為3段，S2號(hào)豎井與隧道左線相交于ZK56+190，通風(fēng)井將左線隧道分成2 870，4 990，3 125 m 3段，遠(yuǎn)期3段風(fēng)速分別為Vr1=3.00 m/s，Vr2=4.13 m/s，Vr3=3.00 m/s。該方案左、右線隧道采用三段式通風(fēng)方案滿足了正常運(yùn)營通風(fēng)和火災(zāi)工況下排煙的需求。

設(shè)置2座斜井可作為輔助施工通道。出口端左右線隧道各設(shè)置1座豎井，減少了通風(fēng)井的工作面和對(duì)環(huán)境的破壞，但豎井是垂直施工，施工難度大，地下水出水困難，安全性差，量測投點(diǎn)困難，也基本不能作為輔助主洞施工的通道。通風(fēng)方案見圖3。

圖3 方案三通風(fēng)系統(tǒng)示意圖(單位：m)

2.4 方案四

左、右線隧道均采用無軌斜井+有軌斜井三段式縱向送排式通風(fēng)(地上風(fēng)機(jī)房)。

WX1號(hào)斜井與YX3號(hào)斜井將右線隧道分為3段，YX3號(hào)斜井與隧道右線相交于YK56+080，通風(fēng)井將右線隧道分成2 835，4 930，3 160m 3段，遠(yuǎn)期3段風(fēng)速分別為Vr1=4.15 m/s，Vr2=7.26 m/s，Vr3=4.65 m/s。WX2號(hào)斜井與YX4號(hào)斜井將左線隧道分為3段， YX4號(hào)斜井與隧道左線相交于ZK56+140，通風(fēng)井將左線隧道分成2 870，4 940，3 175 m 3段，遠(yuǎn)期3段風(fēng)速分別為Vr1=3.00 m/s，Vr2=4.13 m/s，Vr3=3.00 m/s。該方案左、右線隧道采用三段式通風(fēng)方案滿足了正常運(yùn)營通風(fēng)和火災(zāi)工況下排煙的需求，無軌斜井可作為輔助施工。YX3號(hào)與YX4號(hào)斜井坡度均達(dá)到了29%，為有軌斜井。利用有軌斜井輔助施工，設(shè)備投入大，由于井口高層較高，造成施工便道規(guī)模較大，不利于保護(hù)環(huán)境。有軌斜井進(jìn)料及出渣為有軌提升方式，特別是在進(jìn)料時(shí)存在多次倒運(yùn)的過程，輔助主洞效率低。同時(shí)，由于自身坡度較陡，一旦出現(xiàn)涌水和塌方，后果和施救難度較緩坡斜井大很多。通風(fēng)方案見圖4。

圖4 方案四通風(fēng)系統(tǒng)示意圖(單位：m)

2.5 方案五

左、右線隧道均采用雙有軌斜井三段式縱向送排式通風(fēng)(地上風(fēng)機(jī)房)。

方案五與方案四類似，YX1號(hào)斜井與YX3號(hào)斜井將右線隧道分為3段，YX2號(hào)斜井與YX4號(hào)斜井將左線隧道分為3段。該方案左、右線隧道采用三段式通風(fēng)方案滿足了正常運(yùn)營通風(fēng)和火災(zāi)工況下排煙的需求。但利用有軌斜井輔助施工，設(shè)備投入大，施工費(fèi)用高。通風(fēng)方案見圖5。

圖5 方案五通風(fēng)系統(tǒng)示意圖(單位：m)

2.6方案對(duì)比

通風(fēng)方案綜合比較見表3。

表3 登樓山隧道通風(fēng)方案比選

以目前普遍采用的礦車有軌提升方式為例，與汽車無軌運(yùn)輸相比，陡坡斜井需要增加投入大量的設(shè)備，包括軌道系統(tǒng)、礦車、提升設(shè)備等。由于采用礦車提升方式，且坡度較陡，開挖、出渣成本大幅增加[4]。施工過程當(dāng)中，倘若遇到涌水或塌方，與坡度較小的隧道相比，將造成更為嚴(yán)重的后果。同時(shí)采用有軌提升方式，本身存在較多的安全隱患，成本高，施工進(jìn)度較慢，進(jìn)料困難[4]。對(duì)主洞施工的輔助效率不如緩坡斜井，在不出現(xiàn)安全事故的前提下，方案四、方案五的計(jì)算工期均大于60個(gè)月。

方案三設(shè)置了2處豎井，而且豎井深度分別達(dá)到了374 m，豎井施工需垂直運(yùn)輸，需要一套專門設(shè)施。與斜井相比，存在施工設(shè)備更復(fù)雜、施工進(jìn)度更慢、排出水更困難、造價(jià)更高、安全性更差、測量投點(diǎn)更困難等問題。豎井出渣與下料均為垂直運(yùn)輸，基本無輔助主洞施工能力，故工期也大于60個(gè)月。方案一和方案二均能滿足工期和通風(fēng)要求，方案二左幅隧道少打1個(gè)斜井，可以在右幅WX4號(hào)斜井處打設(shè)1個(gè)支洞到左幅，實(shí)現(xiàn)輔助左幅主洞施工，實(shí)現(xiàn)全隧資源共享的目的。方案二較方案一減少7 629萬元費(fèi)用，地質(zhì)情況及施工難度一致，故將方案二作為推薦方案。

3 結(jié)論

1) 特長公路隧道通風(fēng)方式通常有縱向式通風(fēng)、橫向式通風(fēng)、半橫向式通風(fēng)等?？v向式通風(fēng)能夠充分利用交通流的活塞風(fēng)效應(yīng)，通風(fēng)效率好，對(duì)于雙向分離式單向坡特長隧道，推薦采用縱向式通風(fēng)。

2) 在初步確定斜井及豎井的組合形式時(shí)，應(yīng)著重考慮特長隧道平面線性、縱坡形式、交通量大小及組成、地形地質(zhì)情況，并按照通風(fēng)區(qū)段長度及相關(guān)的排煙要求，對(duì)設(shè)置的各種形式進(jìn)行篩選。

3) 通風(fēng)方案的比選，應(yīng)從安全性、施工便利性、對(duì)環(huán)境的影響性、設(shè)備費(fèi)、后期運(yùn)營管理費(fèi)、通風(fēng)井土建費(fèi)、工期、總工程造價(jià)等方面進(jìn)行綜合分析，以確保通風(fēng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)可靠。

4) 火災(zāi)工況下利用右線WX1號(hào)斜井輔助排煙通道排煙，減少了左線斜井的數(shù)量，在滿足工期和通風(fēng)要求且工程難度沒有增加的情況下，設(shè)備費(fèi)、后期運(yùn)營管理費(fèi)、通風(fēng)井土建費(fèi)及總費(fèi)用均得到了節(jié)約，實(shí)現(xiàn)了通風(fēng)方案的最優(yōu)化。

5) 陡坡斜井在建設(shè)過程中存在較多難點(diǎn)，設(shè)備投入大、施工費(fèi)用高、施工進(jìn)度慢、施工風(fēng)險(xiǎn)高，如受現(xiàn)場條件限制并經(jīng)過對(duì)比分析需采用時(shí)，建議對(duì)陡坡斜井進(jìn)行優(yōu)化。