王修彬

（中交一公局集團(tuán)第五工程有限公司，北京 100000）

公路隧道通風(fēng)是隧道施工和運(yùn)營中非常重要的一部分。隧道通風(fēng)方案的設(shè)計(jì)和選擇顯著影響著后續(xù)隧道運(yùn)營的成本，一個(gè)優(yōu)質(zhì)的通風(fēng)方案往往能夠在初期建設(shè)成本和后期運(yùn)營成本中做好平衡，達(dá)到整體上的最優(yōu)化。同時(shí)，車輛能源和通風(fēng)設(shè)備的進(jìn)步也給了隧道通風(fēng)方案的改進(jìn)和優(yōu)化提供了更大的空間，也基于此推動(dòng)隧道通風(fēng)系統(tǒng)的研究不斷向前發(fā)展。

在隧道通風(fēng)方面最近的一些研究包括，劉凡等[1]采用CFD-Fluent 數(shù)值模擬軟件對(duì)公路隧道合流段的通風(fēng)特性進(jìn)行了研究，分析了合流夾角、擴(kuò)大斷面處風(fēng)速、出口風(fēng)量、壓損系數(shù)等因素的變化規(guī)律，并給出了最佳的隧道合流夾角。在隧道的通風(fēng)設(shè)計(jì)中車輛煙霧和一氧化碳的基準(zhǔn)排放量是決定通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，郭志杰等[2]以海拔2800m 的新疆地區(qū)為試點(diǎn)地點(diǎn)對(duì)多種國IV 和國V 車輛進(jìn)行煙霧和一氧化碳實(shí)測，并與《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》中的建議取值進(jìn)行比較，認(rèn)為應(yīng)提高煙霧排放量和一氧化碳排放量的折減率應(yīng)該予以提高。山嶺隧道的修建中，可能會(huì)遇到難以逾越的地形，此時(shí)采用曲線隧道具有更好的適應(yīng)性。駱陽等[3]以曲線隧道施工通風(fēng)為研究對(duì)象，通過建立風(fēng)機(jī)- 風(fēng)管- 隧道施工通風(fēng)系統(tǒng)的數(shù)值模型，計(jì)算了不同曲線隧道半徑、風(fēng)速下的隧道沿程阻力系數(shù)，并提出了相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。秦小超以[4]隧道的建設(shè)工期、工程造價(jià)以及通風(fēng)效果為指標(biāo)，對(duì)特長公路隧道中不同斜井、豎井通風(fēng)方案進(jìn)行了論證，認(rèn)為豎井與斜井相結(jié)合的方式能夠?qū)崿F(xiàn)整體上的最優(yōu)。李蒙等[5]以特長公路隧道的施工通風(fēng)為研究對(duì)象，根據(jù)隧道的施工進(jìn)度分段設(shè)計(jì)了施工通風(fēng)方案，并根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測的污染物結(jié)果對(duì)通風(fēng)方案進(jìn)行了優(yōu)化?？岛２ǖ萚6]以高瓦斯隧道的施工通風(fēng)為研究對(duì)象，在考慮瓦斯?jié)舛群秃０蔚那闆r下將隧道全線劃分為10 個(gè)不同的工區(qū)，分別進(jìn)行施工通風(fēng)方案的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了區(qū)間優(yōu)化?？捉艿萚7]通過Fluent 建立了隧道通風(fēng)系統(tǒng)模型，對(duì)不同坡度情況下射流風(fēng)機(jī)的升壓系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，并給出了隧道坡度對(duì)風(fēng)機(jī)升壓系數(shù)的影響規(guī)律。海底隧道在隧道中段設(shè)置豎井具有較大施工難度，車輪飛等[8]根據(jù)海底隧道的頂部排煙道、服務(wù)通道、黃道岸邊豎井和盾構(gòu)底部救援通道的布置，提出了布設(shè)海中豎井的海中送排通風(fēng)方案，并與海中設(shè)豎井通風(fēng)的方案進(jìn)行了對(duì)比。從上述研究可以看出，不同隧道類型的通風(fēng)方案具有差異化的特征，難以通過一個(gè)設(shè)定好的范式取得整體最佳的效果，因此需要根據(jù)不同隧道類型對(duì)通風(fēng)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。

目前鮮有研究以通風(fēng)效果和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)公路隧道通風(fēng)中斜井中隔板設(shè)置方式進(jìn)行優(yōu)化。本文將根據(jù)東天山特長高海拔隧道的埋深、海拔高度、交通情況對(duì)既有通風(fēng)方案中的斜井通風(fēng)進(jìn)行優(yōu)化研究，以期為類型工程提供參考。

1 工程概況

東天山特長隧道北起東天山北坡的巴里坤哈薩克族自治縣，南至東天山南坡的哈密市，是《國家公路網(wǎng)規(guī)劃》中G575 線的重要組成部分，同時(shí)也是G575 線巴里坤至哈密高速公路關(guān)鍵性控制工程，隧道左線長11764m，右線長11775m，為一級(jí)公路隧道，設(shè)計(jì)速度80km/h，雙向四車道，單向通行。隧道斷面面積65.61m2，左線有5091m 長的0.50%縱坡和6673m 長的-1.67%縱坡，右線有5117m 長的0.50%縱坡和6658m 長的-1.67%縱坡。進(jìn)洞口設(shè)計(jì)高程2129.2m，出洞口設(shè)計(jì)高程2043.4m，軸線地面標(biāo)高2023～3349m，最大埋深約1210m。

東天山隧道具有以下特點(diǎn)：（1）埋深大，斜井長。東天山隧道最大埋深約1210m，設(shè)有1#（左線）通風(fēng)井、1#（右線）通風(fēng)井和2#通風(fēng)井共三座通風(fēng)井，其中1#通風(fēng)井長約2160m，2#通風(fēng)井長約1340m。（2）海拔高。隧道進(jìn)洞口設(shè)計(jì)高程2129.2m，出洞口設(shè)計(jì)高程2043.4m，需風(fēng)量計(jì)算中CO 海拔高度系數(shù)1.94，海拔高度系數(shù)1.51，設(shè)計(jì)需風(fēng)量遠(yuǎn)高于一般低海拔地區(qū)公路隧道。（3）大貨車比例高。根據(jù)工程可行性報(bào)告交通量預(yù)測結(jié)果，通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)特征年（近期：2030 年；遠(yuǎn)期：2041 年）隧道大貨車、特大貨車比例均超過70%，致使隧道稀釋煙塵設(shè)計(jì)風(fēng)量遠(yuǎn)超一般公路隧道。上述工程特點(diǎn)給東天山隧道的通風(fēng)系統(tǒng)選擇帶來了較大的挑戰(zhàn)，下面將結(jié)合東天山隧道的實(shí)際參數(shù)，對(duì)其通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化展開討論。

2 隧道需風(fēng)量計(jì)算

2.1 隧道通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D70/2-02-2014）（以下簡稱《細(xì)則》）的要求，公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足安全、衛(wèi)生、舒適性標(biāo)準(zhǔn)，以稀釋機(jī)動(dòng)車排放的煙塵、一氧化碳以及帶來的異味為主。結(jié)合東天山隧道設(shè)計(jì)參數(shù)，隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)采用的主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。

表1 東天山隧道通風(fēng)主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

2.2 交通量及其組成

交通量與交通組成是進(jìn)行通風(fēng)計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，根據(jù)《細(xì)則》的要求，通風(fēng)設(shè)計(jì)采用的設(shè)計(jì)小時(shí)交通量應(yīng)根據(jù)隧道所在路段項(xiàng)目可行性研究報(bào)告提出的設(shè)計(jì)（預(yù)測）年平均日交通量（AADT）進(jìn)行換算，公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃，一次設(shè)計(jì)，通風(fēng)設(shè)施可根據(jù)預(yù)測交通量變化分期實(shí)施。根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01-2014）有關(guān)規(guī)定，一級(jí)公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)分期可按10 年為界劃分。據(jù)此取東天山隧道近期設(shè)計(jì)特征年為2030 年，遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)特征年為2041 年，得東天山隧道2030 年和2041 年預(yù)測交通量分別為16496 和22488pcu/d。根據(jù)預(yù)測車型的比例、汽油車與柴油車的比例、車型換算系數(shù)，高峰小時(shí)交通量取年平均日交通量的13%、重方向率取0.52，經(jīng)換算得到隧道單幅高峰小時(shí)實(shí)際交通量如表2 所示。

表2 東天山隧道車型比例組成

2.3 隧道需風(fēng)量

按照《細(xì)則》的要求，根據(jù)交通量、交通組成、通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)、通風(fēng)計(jì)算參數(shù)、隧道幾何參數(shù)，對(duì)東天山隧道設(shè)計(jì)速度以下各工況車速10km/h 為一檔分別計(jì)算稀釋煙塵（VI）、一氧化碳（CO）所需需風(fēng)量，并計(jì)算換氣、交通阻滯以及火災(zāi)工況下的需風(fēng)量，取其最大值為設(shè)計(jì)需風(fēng)量，得隧道設(shè)計(jì)需風(fēng)量如表3 所示。

表3 東天山隧道近遠(yuǎn)期需風(fēng)量

3 既有通風(fēng)方案

3.1 隧道通風(fēng)分區(qū)方案

東天山隧道采用機(jī)械通風(fēng)方案，即通過通風(fēng)機(jī)械使隧道內(nèi)空氣沿著預(yù)定的路線流動(dòng)來實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)外的空氣交換。機(jī)械通風(fēng)可分為縱向式、半橫向式、橫向式以及組合式通風(fēng)方式，該隧道為雙洞單向行車隧道，故采用縱向送排式通風(fēng)更為經(jīng)濟(jì)合理。根據(jù)隧道長度和控制需風(fēng)量計(jì)算值，從防災(zāi)救援和運(yùn)營通風(fēng)角度測算東天山隧道需采用分三段縱向通風(fēng)方式。結(jié)合隧道左右線縱坡關(guān)系和洞內(nèi)斜井與主洞交點(diǎn)樁號(hào)，隧道正常運(yùn)營通風(fēng)左線分三段、右線分兩段，火災(zāi)工況左右線均分三段排煙。隧道分段長度為左線第一區(qū)段長3891m，第二區(qū)段長4300m、第三區(qū)段長3549m。右線第一區(qū)段長3917m，第二區(qū)段長7843m，第二區(qū)段增加排煙通道，與左線2 號(hào)斜井排風(fēng)道共用，各分段需風(fēng)量計(jì)算如表4、表5 和圖1，其中需風(fēng)量后括號(hào)內(nèi)的注釋為該需風(fēng)量的控制條件。

圖1 隧道左右線近遠(yuǎn)期斜井設(shè)計(jì)需風(fēng)量分布

表4 隧道左線通風(fēng)分段長度和需風(fēng)量計(jì)算表

表5 隧道右線通風(fēng)分段長度和需風(fēng)量計(jì)算表

3.2 既有斜井風(fēng)道方案

目前，東天山隧道的通風(fēng)系統(tǒng)土建部分已大部分施工完畢，進(jìn)出口斜井均采用了單井方案，其中1#斜井采用地面風(fēng)機(jī)房，2#斜井采用地下風(fēng)機(jī)房，2 座斜井均采用十字形隔板，斜井內(nèi)的中隔板布置，如圖2 所示。既有隧道的風(fēng)機(jī)配置方案如表6 所列。

表6 東天山隧道風(fēng)機(jī)配置方案

圖2 既有2#斜井風(fēng)道設(shè)置

4 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化

4.1 隧道通風(fēng)分區(qū)優(yōu)化

根據(jù)隧道左右線起點(diǎn)與終點(diǎn)樁號(hào)和各通風(fēng)井與主洞交叉樁號(hào)數(shù)據(jù)，可得各通風(fēng)區(qū)段劃分結(jié)果，即為左右線第一區(qū)段長度分別為3943 和3803m，第二區(qū)段長度分別為4303 和4364m、第三區(qū)段長度分別為3518 和3608m。按照上述隧道通風(fēng)區(qū)段進(jìn)行分段進(jìn)行得到各個(gè)區(qū)段的近遠(yuǎn)期需風(fēng)量如表7。

表7 隧道通風(fēng)分段長度和需風(fēng)量計(jì)算表

圖3 優(yōu)化后隧道左右線近遠(yuǎn)期斜井計(jì)算需風(fēng)量分布

4.2 2#斜井風(fēng)道優(yōu)化

從通風(fēng)原理上來說，在設(shè)置地面風(fēng)機(jī)房時(shí)，通向各送排風(fēng)點(diǎn)的通道須隔離設(shè)置，以確保軸流風(fēng)機(jī)能夠控制每個(gè)送排風(fēng)點(diǎn)的風(fēng)量和風(fēng)壓。而地下風(fēng)機(jī)房的情況下，從風(fēng)機(jī)到各送排風(fēng)點(diǎn)由獨(dú)立的送排風(fēng)聯(lián)絡(luò)道相連，是相互隔離的。而從風(fēng)機(jī)房至地表的風(fēng)道來說，由于沒有獨(dú)立控制的要求，左右線的排風(fēng)道可以合并設(shè)置。同理，送風(fēng)道也可以合并設(shè)置，從而減少隔板，除了可以降低工程造價(jià)外，還可以降低斜井?dāng)嗝娴恼加?，從而降低風(fēng)速和通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)營功率。通常來說豎隔板受力更好，也易于維保車輛通行。但本項(xiàng)目地下風(fēng)機(jī)房及風(fēng)道已施工完畢，兩條送風(fēng)聯(lián)絡(luò)道位于中部，兩條排風(fēng)道位于兩側(cè)，因此難以匯流成左右側(cè)，故而建議采用橫隔板方案，如圖4。十字形隔板方案和單層隔板方案的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比如表8 所示。

圖4 優(yōu)化后2#斜井風(fēng)道設(shè)置

表8 方案技術(shù)指標(biāo)對(duì)比表

從上表可看出，單層隔板方案的新風(fēng)量與十字形隔板方案完全一致，但由于減少了隔板，擴(kuò)大了實(shí)際通風(fēng)斷面面積，降低了風(fēng)速，因此降低了風(fēng)阻，使得風(fēng)壓有一定幅度的降低，從而節(jié)約了軸流風(fēng)機(jī)裝機(jī)功率，技術(shù)上優(yōu)于十字形隔板方案。

4.3 風(fēng)機(jī)配置優(yōu)化

2#斜井風(fēng)道合并之后，各段風(fēng)量沒有變化，但風(fēng)壓有所降低。這是由于優(yōu)化之后，擴(kuò)大了送排風(fēng)的斷面，降低了風(fēng)速所導(dǎo)致的，起到了節(jié)能減排的效果，優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)配置如表9。

表9 東天山隧道風(fēng)機(jī)配置方案

4.4 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比選

經(jīng)濟(jì)指標(biāo)主要從土建費(fèi)用、風(fēng)機(jī)設(shè)備購置費(fèi)用、運(yùn)營期電費(fèi)三個(gè)方面進(jìn)行比選。目前，東天山隧道的通風(fēng)系統(tǒng)土建部分已大部分施工完畢，兩個(gè)方案的土建費(fèi)用差異體現(xiàn)在斜井隔板的設(shè)置上，隔板長度按2#斜井全長計(jì)算。風(fēng)機(jī)配置應(yīng)該遵循一次設(shè)計(jì)、分步實(shí)施的原則，按近、遠(yuǎn)期分別配置更換兩次的步驟來實(shí)施。運(yùn)營期電費(fèi)按照30 年計(jì)算，經(jīng)濟(jì)比選如表10 所示。

表10 方案經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比表

5 結(jié)論

東天山特長隧道具有埋深大、斜井長、海拔高、大貨車比例高等工程特點(diǎn)，這為通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化帶來了較大挑戰(zhàn)，目前東天山隧道目前已基本建設(shè)完成，通過對(duì)東天山隧道通風(fēng)系統(tǒng)的檢核和優(yōu)化可以發(fā)現(xiàn)：

5.1 隧道通風(fēng)井設(shè)計(jì)風(fēng)速影響風(fēng)機(jī)配置和能耗，但不影響隧道行車主洞通風(fēng)風(fēng)速，不涉及運(yùn)營安全問題。

5.2 隨著車輛技術(shù)和燃油技術(shù)的進(jìn)步，特別是“國V”“國VI”燃油標(biāo)準(zhǔn)的推廣，燃油車實(shí)際排放量比規(guī)范已大為降低。在可預(yù)見的未來，電動(dòng)汽車的比例也會(huì)逐步提高。因此實(shí)際的需風(fēng)量會(huì)大大低于上述計(jì)算值。這也是現(xiàn)在大量隧道通風(fēng)系統(tǒng)閑置比例較高的原因之一。因此上述計(jì)算結(jié)果即使高于推薦值，實(shí)際影響不大。

5.3 單層隔板方案（優(yōu)化后）與十字形隔板方案（既有方案）相比，需風(fēng)量與方案一完全一致，但由于減少了隔板，擴(kuò)大了實(shí)際通風(fēng)斷面面積，降低了風(fēng)速，因此降低了風(fēng)阻，使得風(fēng)壓有一定幅度的降低，從而節(jié)約了軸流風(fēng)機(jī)裝機(jī)功率。