黃立潤(rùn)

特長(zhǎng)隧道通風(fēng)方法及保障措施技術(shù)研究

黃立潤(rùn)

（廣西路建工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530001）

觀音山隧道是廣西路建工程集團(tuán)有限公司崇愛(ài)高速工程中的重點(diǎn)項(xiàng)目，該隧道為雙向分離式特長(zhǎng)隧道，全長(zhǎng)約4 805 m，工程規(guī)模巨大，施工條件復(fù)雜。文章結(jié)合觀音山隧道工程實(shí)際情況與參數(shù)，計(jì)算通風(fēng)需風(fēng)量和通風(fēng)設(shè)備數(shù)量，設(shè)計(jì)該隧道的通風(fēng)系統(tǒng)，同時(shí)從設(shè)備控制管理與安裝兩方面對(duì)通風(fēng)設(shè)備的保障措施進(jìn)行研究，從風(fēng)機(jī)的安裝、調(diào)試、運(yùn)行和維護(hù)等方面提出不同建議。該研究認(rèn)識(shí)可為類(lèi)似特長(zhǎng)隧道通風(fēng)提供參考。

特長(zhǎng)隧道；通風(fēng)設(shè)計(jì)；保障措施；運(yùn)行維護(hù)

引言

我國(guó)高速公路建設(shè)發(fā)展迅猛，高速公路已成為區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要保障。面對(duì)快速發(fā)展的高速公路建設(shè)，在滿(mǎn)足安全、質(zhì)量以及進(jìn)度的同時(shí)，也要保障施工過(guò)程中的技術(shù)研究以及科研創(chuàng)新，通過(guò)不斷研究創(chuàng)新，得出新的技術(shù)以沿用于正在建設(shè)的工程以及后續(xù)新建設(shè)的工程。在高速公路建設(shè)中，路線(xiàn)的規(guī)劃不可避免地要穿過(guò)崇山峻嶺，如正常進(jìn)行路基路面開(kāi)挖，會(huì)加大施工的投資成本，因此一旦出現(xiàn)線(xiàn)路的走線(xiàn)經(jīng)過(guò)山嶺，那么就會(huì)設(shè)計(jì)隧道。隧道也分為特長(zhǎng)隧道、長(zhǎng)隧道、中隧道以及短隧道，其中特長(zhǎng)隧道作為高速工程中的重點(diǎn)控制性項(xiàng)目，由于隧道長(zhǎng)度超過(guò)3000 m，隧道施工過(guò)程中的圍巖情況，以及通風(fēng)排煙等是施工中以及通車(chē)后的一個(gè)難點(diǎn)。特長(zhǎng)隧道工程規(guī)模浩大，施工條件復(fù)雜，如世界上最長(zhǎng)的雙洞高速公路隧道：秦嶺終南山特長(zhǎng)公路隧道，長(zhǎng)度為18.20 km；四川涼山州錦屏山特長(zhǎng)隧道，長(zhǎng)度為17.90 km；巴陜高速中米倉(cāng)山隧道，長(zhǎng)度超過(guò)10 km。面對(duì)這些特長(zhǎng)隧道，通風(fēng)將會(huì)是一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)，高速隧道中車(chē)流不僅會(huì)產(chǎn)生煙塵，如通風(fēng)出現(xiàn)問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致隧道內(nèi)可視范圍降低，增加行車(chē)危險(xiǎn)系數(shù)，汽車(chē)排放的尾氣更含有劇毒的一氧化碳（CO），一旦在隧道內(nèi)出現(xiàn)交通事故造成交通堵塞，濃度高的一氧化碳（CO）會(huì)給后續(xù)的傷員帶來(lái)二次傷害。隧道內(nèi)的通風(fēng)僅靠洞口兩端的氣流難以提供足夠的新鮮風(fēng)流，因此隧道需要設(shè)計(jì)一套完整的通風(fēng)系統(tǒng)以保障行車(chē)安全和緊急情況下的應(yīng)急搶險(xiǎn)。目前已有學(xué)者結(jié)合工程實(shí)際對(duì)高速公路隧道的通風(fēng)方法進(jìn)行研究[2-6]。本文以某高速公路特長(zhǎng)隧道項(xiàng)目為依托，設(shè)計(jì)通風(fēng)方案并提出相應(yīng)的保障措施。

1 項(xiàng)目概況

水口－崇左－愛(ài)店高速公路（崇左至愛(ài)店口岸段）是《廣西高速公路網(wǎng)規(guī)劃（2018－2030年）》中“聯(lián)17”的重要組成部分，本項(xiàng)目全線(xiàn)位于崇左市境內(nèi)，北起崇左市寧明縣亭亮鎮(zhèn)天西村，與南寧至友誼關(guān)高速公路相交，路線(xiàn)總體由北向南布線(xiàn)，經(jīng)亭亮鎮(zhèn)、東安鄉(xiāng)、明江鎮(zhèn)、峙浪鄉(xiāng)等地，止于愛(ài)店口岸，中間與規(guī)劃的憑祥至東興高速公路互通，路線(xiàn)全長(zhǎng)58.677 km，其中高速公路段長(zhǎng)55.250 km，愛(ài)店連接線(xiàn)3.427 km。

水口－崇左－愛(ài)店公路（崇左至愛(ài)店口岸段）二分部主線(xiàn)起點(diǎn)樁號(hào)為K31+666，終點(diǎn)樁號(hào)為K55+250；愛(ài)店連接線(xiàn)起點(diǎn)接K58+250，終點(diǎn)樁號(hào)為K58+718.58，與規(guī)劃中的G219國(guó)道相接，項(xiàng)目沿線(xiàn)河流有派連河等。本項(xiàng)目路線(xiàn)范圍內(nèi)有大中橋6480 m/9座，天橋360 m/4座，分離式立體交叉橋526 m/1座，互通橋561 m/4座。涵洞67道，通道25道（含主線(xiàn)、服務(wù)區(qū)、連接線(xiàn)），分離式隧道4805 m/0.5座，愛(ài)店服務(wù)區(qū)1處。設(shè)置有1處互通立交，即峙浪互通。

本項(xiàng)目主線(xiàn)采用雙向四車(chē)道高速公路，設(shè)計(jì)速度為 100 km/h，路基設(shè)計(jì)寬度26 m，路基設(shè)計(jì)洪水頻率1/100；愛(ài)店連接線(xiàn)采用雙向四車(chē)道一級(jí)公路，路基設(shè)計(jì)寬度25.5 m，路基設(shè)計(jì)洪水頻率1/100。其中觀音山隧道、板堪2號(hào)大橋是本項(xiàng)目重點(diǎn)、難點(diǎn)及控制性工程。觀音山隧道位于我國(guó)南部的崇愛(ài)高速公路項(xiàng)目，此高速連接我國(guó)陸路邊境口岸，是我國(guó)西南對(duì)外貿(mào)易的重要?jiǎng)用}。該高速公路采用雙向四車(chē)道設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)最高時(shí)速為100 km/h。路線(xiàn)總體自北向南布線(xiàn)，主線(xiàn)全長(zhǎng)約55.25 km。高速公路全線(xiàn)隧道長(zhǎng)7431 m，同時(shí)包括21座大中型橋梁、隧道管理站、養(yǎng)護(hù)工區(qū)、管理分中心和配套的收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)等。觀音山隧道是兩座隧道之一，屬于分離式特長(zhǎng)隧道，長(zhǎng)度約4.8 km，起訖樁號(hào)分別為ZK29+272～ZK34+062（4790 m）、K29+256～K34+076（4820 m）。隧道概況列于表1。

表1 隧道概況

2 隧道通風(fēng)方法

觀音山隧道內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)共有兩個(gè)設(shè)計(jì)要求：一是保證隧道正常運(yùn)營(yíng)，滿(mǎn)足清除煙塵、汽車(chē)尾氣等有毒有害物質(zhì)，使空氣達(dá)到衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，保證隧道安全和舒適的要求。二是在應(yīng)急情況下，通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)能滿(mǎn)足火災(zāi)發(fā)生時(shí)的通風(fēng)需求，及時(shí)排出有害氣體并通入足夠的新鮮空氣，最大程度上減少人員傷亡和對(duì)隧道的破壞。本項(xiàng)目中觀音山隧道屬于特長(zhǎng)隧道，因此該隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)具體針對(duì)正常交通工況、交通阻滯工況、火災(zāi)等緊急狀況設(shè)計(jì)。

2.1 通風(fēng)計(jì)算基本參數(shù)

通風(fēng)設(shè)施根據(jù)預(yù)測(cè)交通量增長(zhǎng)變化分期、分階段實(shí)施，設(shè)計(jì)目標(biāo)年近期采用2035年交通量，遠(yuǎn)期采用2043年交通量。觀音山隧道2035年交通預(yù)測(cè)量為762 evh/h，2043年交通預(yù)測(cè)量為1160 evh/h。具體計(jì)算參數(shù)為：隧道行車(chē)最高時(shí)速100 km/h，隧道斷面積71.43 m2，斷面當(dāng)量直徑8.68 m，沿程阻力系數(shù)取-0.02，隧址夏季氣溫取28℃；火災(zāi)工況下控制風(fēng)速為2.0 m/s～3.0 m/s，稀釋異味設(shè)計(jì)控制風(fēng)速≥1.5 m/s，正常行車(chē)設(shè)計(jì)控制風(fēng)速≤10 m/s（表2）。

表2 通風(fēng)計(jì)算參數(shù)

2.2 需風(fēng)量計(jì)算

觀音山隧道設(shè)計(jì)采用機(jī)械通風(fēng)。根據(jù)不同行車(chē)速度，從10 km/h～100 km/h以10 km/h為間隔計(jì)算每段行車(chē)速度所需風(fēng)量，需風(fēng)量包括稀釋煙塵需風(fēng)量（QVI）、稀釋一氧化碳所需風(fēng)量（QCO）、稀釋空氣異味的需風(fēng)量和火災(zāi)工況下需風(fēng)量。其中，各速度運(yùn)行工況的設(shè)計(jì)需風(fēng)量（Qreq）取正常行車(chē)工況、阻滯工況、換氣工況的最大值，火災(zāi)工況需風(fēng)量根據(jù)隧道火災(zāi)臨界風(fēng)速計(jì)算（表3）。

表3 觀音山隧道各工況下需風(fēng)量

注：QVI為稀釋煙塵所需風(fēng)量，QCO為稀釋一氧化碳（CO）所需風(fēng)量，Qreq為各速度下運(yùn)行工況需風(fēng)量，單位均為m3/s。

2035年，觀音山隧道在正常行車(chē)工況下左線(xiàn)、右線(xiàn)最大需風(fēng)量分別為285 m3/s和475 m3/s，在阻滯工況下左線(xiàn)、右線(xiàn)最大需風(fēng)量分別為285 m3/s和333 m3/s。2043年，在正常行車(chē)工況下左線(xiàn)、右線(xiàn)最大需風(fēng)量分別為285 m3/s和775 m3/s，在阻滯工況下左線(xiàn)、右線(xiàn)最大需風(fēng)量分別為328 m3/s和543 m3/s。2035年在換氣工況下需風(fēng)量為285 m3/s（左線(xiàn)）、287 m3/s（右線(xiàn)），火災(zāi)工況下需風(fēng)量為161 m3/s。2043年在換氣工況下需風(fēng)量為285 m3/s（左線(xiàn)）、287 m3/s（右線(xiàn)），火災(zāi)工況下需風(fēng)量為161 m3/s。

2.3 通風(fēng)設(shè)備選擇

觀音山隧道主線(xiàn)近遠(yuǎn)期選用Φ1120、37 kW射流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)流量≥31.5 m3/s，每個(gè)斷面安裝兩臺(tái)。施工現(xiàn)場(chǎng)突發(fā)意外，如洞內(nèi)出現(xiàn)火災(zāi)的情況下，火災(zāi)點(diǎn)處的風(fēng)機(jī)不能開(kāi)啟，因此為滿(mǎn)足火災(zāi)工況時(shí)的通風(fēng)排煙、人員逃生，隧道所需安裝的風(fēng)機(jī)應(yīng)比計(jì)算的火災(zāi)工況下的風(fēng)機(jī)多出1組～2組做為備用風(fēng)機(jī)，以應(yīng)對(duì)緊急突發(fā)情況。根據(jù)《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D 70/2－02－2014）要求，選擇的射流風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)＞6組時(shí)，必須預(yù)留風(fēng)機(jī)總臺(tái)數(shù)15%的備用量。觀音山隧道2035年左線(xiàn)布置37 kW射流風(fēng)機(jī)18臺(tái)，右線(xiàn)布置24臺(tái)，共布置42臺(tái)，總功率1554 kW；2043年左線(xiàn)布置37 kW射流風(fēng)機(jī)22臺(tái)，右線(xiàn)布置60臺(tái)，共布置82臺(tái)，總功率為3034 kW（表4）。

表4 風(fēng)機(jī)配置表

注：風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)已考慮15%備用風(fēng)機(jī)數(shù)量和火源點(diǎn)造成的風(fēng)機(jī)損失。遠(yuǎn)期風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)是指遠(yuǎn)期共設(shè)置的臺(tái)數(shù)，數(shù)量已包含近期的風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)。

3 通風(fēng)設(shè)備控制方式

通風(fēng)控制系統(tǒng)包括隧道監(jiān)控站內(nèi)計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)、區(qū)域控制器（PLC）和風(fēng)機(jī)安裝現(xiàn)場(chǎng)控制箱、風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)器、CO/VI檢測(cè)器、傳輸通道、風(fēng)機(jī)。通風(fēng)控制系統(tǒng)的控制原則根據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定制定。系統(tǒng)配備自檢功能，可隨時(shí)檢測(cè)CO/VI檢測(cè)器、風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)器，并檢測(cè)風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)，在以上設(shè)備異常時(shí)發(fā)出警告和故障信息。風(fēng)機(jī)控制采用一拖一的軟啟動(dòng)方式，即一臺(tái)軟啟動(dòng)器控制一臺(tái)風(fēng)機(jī)；風(fēng)機(jī)具備正反轉(zhuǎn)切換功能，并能在系統(tǒng)軟啟動(dòng)器損壞時(shí)直接啟動(dòng)風(fēng)機(jī)。通風(fēng)系統(tǒng)以自動(dòng)控制為主，必要時(shí)可用手動(dòng)控制輔助。自動(dòng)、手動(dòng)控制結(jié)合可以在隧道管理站內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)射流風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程控制，檢修人員也能在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行起停、正反轉(zhuǎn)操作，以便于維護(hù)檢修風(fēng)機(jī)。

3.1 自動(dòng)控制

通風(fēng)控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制由直接控制法、間接控制法和時(shí)序控制法共同作用。直接控制法是基于布置在隧道內(nèi)的傳感器（CO/VI檢測(cè)器、風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)器），檢測(cè)隧道內(nèi)一氧化碳濃度和煙塵濃度，并將信號(hào)傳輸給控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)控制風(fēng)機(jī)啟停、運(yùn)轉(zhuǎn)。間接控制法依據(jù)隧道外的車(chē)輛檢測(cè)器、監(jiān)控等設(shè)備，記錄隧道內(nèi)交通流量及行車(chē)時(shí)速，并計(jì)算出實(shí)時(shí)的煙塵和一氧化碳濃度，反饋至系統(tǒng)控制風(fēng)量。時(shí)序控制法是參照隧道的管理經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)各個(gè)時(shí)間段估計(jì)的交通量和一氧化碳濃度、煙霧濃度，預(yù)設(shè)置程序控制風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。三種控制方式相結(jié)合的方法調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的工作狀況，給隧道供給新鮮風(fēng)量，并稀釋CO和煙塵的濃度，達(dá)到合理控制風(fēng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保和維持風(fēng)機(jī)最佳運(yùn)行狀態(tài)的效果。

3.2 手動(dòng)控制

手動(dòng)控制是控制系統(tǒng)對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制與單獨(dú)控制。聯(lián)動(dòng)控制是通過(guò)手動(dòng)操縱風(fēng)量的檔次按鈕控制風(fēng)機(jī)的風(fēng)量檔次，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的聯(lián)動(dòng)控制。單獨(dú)控制是指維護(hù)人員單獨(dú)控制每臺(tái)風(fēng)機(jī)的啟、停。手動(dòng)控制也可繞過(guò)系統(tǒng)通過(guò)隧道內(nèi)的手工操作控制按鈕控制風(fēng)機(jī)，此方法也稱(chēng)為就地控制，其目的是方便風(fēng)機(jī)的檢修測(cè)試。

4 通風(fēng)設(shè)備安裝維護(hù)

4.1 風(fēng)機(jī)安裝

安裝射流風(fēng)機(jī)前安裝風(fēng)機(jī)生產(chǎn)廠(chǎng)家提供的預(yù)埋件，預(yù)埋件安裝完成后，焊接風(fēng)機(jī)支架焊接做載荷試驗(yàn)，要求支承強(qiáng)度大于實(shí)際載荷的15倍。預(yù)埋件接頭和連接件為防止銹蝕，需刷兩遍防銹底漆和面漆。需要注意的一點(diǎn)是，為減少風(fēng)機(jī)損失，安裝時(shí)各臺(tái)風(fēng)機(jī)的主風(fēng)流方向需保持與交通流方向相同，同時(shí)各風(fēng)機(jī)安裝位置在同一直線(xiàn)上且盡量靠近隧道走軸線(xiàn)。此外，風(fēng)機(jī)安裝時(shí)嚴(yán)禁磕碰，通風(fēng)設(shè)備安裝完畢后，應(yīng)進(jìn)行單臺(tái)風(fēng)機(jī)性能測(cè)試。

4.2 風(fēng)機(jī)調(diào)試

風(fēng)機(jī)安裝完成后在啟動(dòng)前應(yīng)檢查電壓范圍是否正常（通常為380 V，誤差±6%以?xún)?nèi)），檢查葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)是否正常、葉頂間隙是否符合要求。同時(shí)清理干凈風(fēng)機(jī)內(nèi)和風(fēng)機(jī)附近的雜質(zhì)異物。風(fēng)機(jī)試機(jī)時(shí)檢查風(fēng)機(jī)葉輪是否按照標(biāo)牌所示方向旋轉(zhuǎn)，并檢查風(fēng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速和電路連接情況尤其是接地線(xiàn)和熔斷器，最后檢查風(fēng)機(jī)的震動(dòng)情況。安裝完成后開(kāi)啟風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)半小時(shí)，再檢查其運(yùn)行狀況，以上均無(wú)異常則風(fēng)機(jī)調(diào)試完成。

4.3 風(fēng)機(jī)運(yùn)行

對(duì)于多組（多臺(tái)）風(fēng)機(jī)啟動(dòng)或停止，為減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，每次適宜增加和減少風(fēng)機(jī)運(yùn)行的臺(tái)數(shù)為一組2臺(tái)。每組風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)間隔時(shí)間不得低于30 s。風(fēng)機(jī)在正常運(yùn)行中，首先應(yīng)注意電機(jī)電流，這是風(fēng)機(jī)載荷以及故障顯示的信號(hào)；其次，定期檢查風(fēng)機(jī)以及電機(jī)的振動(dòng)情況，檢查是否存在摩擦或撞擊的異常聲響。在進(jìn)行風(fēng)機(jī)檢修或反轉(zhuǎn)時(shí)，必須等待風(fēng)機(jī)葉輪完全停止后才可切斷電源或接通反向電源。風(fēng)機(jī)在正常運(yùn)行中，當(dāng)出現(xiàn)以下異常情況必須立即停機(jī)檢查：電流突然增大超出正常范圍、振動(dòng)異?；虺霈F(xiàn)撞擊聲、電機(jī)軸承溫度急劇上升等。

4.4 風(fēng)機(jī)維護(hù)

射流風(fēng)機(jī)的維護(hù)方面，需要定期清理風(fēng)機(jī)外表面，清理時(shí)嚴(yán)禁用水沖洗，在刷除積灰時(shí)須使用干燥的長(zhǎng)毛刷。此外需要定期檢查風(fēng)機(jī)聯(lián)接的螺栓是否松動(dòng)，如發(fā)現(xiàn)有松動(dòng)跡象應(yīng)及時(shí)扭緊，定期給風(fēng)機(jī)外殼上的注油孔加注電機(jī)軸承潤(rùn)滑油。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文依托崇愛(ài)高速公路建設(shè)項(xiàng)目，對(duì)該高速公路中的觀音山隧道（特長(zhǎng)隧道）的通風(fēng)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，選擇滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求所需風(fēng)機(jī)，并在控制端與設(shè)備端探討了通風(fēng)系統(tǒng)的保障措施。通風(fēng)設(shè)備的控制為自動(dòng)控制與手動(dòng)控制相結(jié)合，在控制系統(tǒng)的程序中自動(dòng)控制可在傳感設(shè)備的支持下對(duì)風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制調(diào)整，手動(dòng)控制可人為對(duì)風(fēng)機(jī)的工況進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)通風(fēng)設(shè)備需按規(guī)定進(jìn)行安裝、保養(yǎng)和維修，以保障通風(fēng)系統(tǒng)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

黃立潤(rùn)（1997－），男，廣西路建工程集團(tuán)有限公司二分公司水口－崇左（愛(ài)店口岸）段項(xiàng)目經(jīng)理部二分部質(zhì)檢工程師，從事工程質(zhì)檢工作。