公路隧道雙洞互補(bǔ)式方案設(shè)計(jì)

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摘要:新場(chǎng)隧道為特長(zhǎng)公路隧道,采用單向坡,左、右線需風(fēng)量差異明顯。針對(duì)新場(chǎng)隧道右線通風(fēng)負(fù)荷過大的情況,提出雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)方案,即增設(shè)橫向換氣風(fēng)道,將左、右線隧道形成網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)系統(tǒng),利用左線中富余的新鮮風(fēng)稀釋右線中的污染空氣,使左、右線隧道內(nèi)空氣質(zhì)量均滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)新場(chǎng)隧道工程情況,通過方案比選,對(duì)雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)方案的可行性與合理性進(jìn)行研究,并對(duì)新場(chǎng)隧道雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。結(jié)果表明:新場(chǎng)隧道采用雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)方案可以在保證隧道內(nèi)通風(fēng)需求的前提下,取消斜豎井以及地下風(fēng)機(jī)房等設(shè)施的設(shè)置,以較小的初期投資和后期運(yùn)營(yíng)管理費(fèi)用,完善通風(fēng)系統(tǒng)功能并提高行車舒適性和安全性,具有顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞:特長(zhǎng)公路隧道;雙洞互補(bǔ)式通風(fēng);橫向換氣風(fēng)道;通風(fēng)方案

0　引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,我國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)呈現(xiàn)迅猛發(fā)展的勢(shì)頭。公路隧道作為交通線路上的重要組成部分,其規(guī)模也在不斷增大,長(zhǎng)度超過3km的特長(zhǎng)公路隧道屢見不鮮。由于隧道長(zhǎng)度增加,為保證運(yùn)營(yíng)期間隧道內(nèi)空氣質(zhì)量以及防災(zāi)救援需要,通風(fēng)設(shè)計(jì)方案成為影響或制約特長(zhǎng)隧道總體建設(shè)方案的重要因素之一。當(dāng)前,5~7km的特長(zhǎng)公路隧道越來越多,而隧道設(shè)計(jì)時(shí)均具有一定的縱坡,在某些情況下甚至是坡度較大的單向坡,這會(huì)造成上、下行隧道內(nèi)污染物排放量存在較大差異。為稀釋污染物濃度,上坡隧道與下坡隧道的通風(fēng)負(fù)荷將會(huì)相差較大。而設(shè)計(jì)時(shí)需按最不利工況考慮,為滿足通風(fēng)需求,通常采用斜豎井送排的通風(fēng)方式,通風(fēng)系統(tǒng)規(guī)模大,初期投資及運(yùn)營(yíng)管理費(fèi)用高[1-4];或者采用全射流通風(fēng)方式,所需風(fēng)機(jī)數(shù)量過多,全隧道滿布且效果差,同時(shí)單靠射流風(fēng)機(jī)無法滿足正常的通風(fēng)需求[5-6]。

針對(duì)此類通風(fēng)負(fù)荷不平衡的問題,瑞士學(xué)者M(jìn).A.Berner和J.R.Day于1991年首次提出了“雙洞互補(bǔ)”的概念[7],即通過在左、右線隧道之間設(shè)置換氣通道,平衡雙洞的通風(fēng)負(fù)荷;文獻(xiàn)[8-9]提出了空氣交換法的理念,分析了該方法的應(yīng)用范圍和設(shè)計(jì)算法,為隧道通風(fēng)方式提供了新的思路;文獻(xiàn)[10-11]對(duì)雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)方案在大別山隧道和兩河口隧道中的應(yīng)用情況進(jìn)行了分析研究;文獻(xiàn)[12-15]對(duì)特長(zhǎng)公路隧道雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)進(jìn)行了數(shù)值模擬和物理模型試驗(yàn)研究,進(jìn)一步優(yōu)化推導(dǎo)了該通風(fēng)方式的計(jì)算公式和適用條件。

目前,雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)方案基本以數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)的理論研究分析為主,僅在個(gè)別隧道中應(yīng)用實(shí)施,而且基本以科研性質(zhì)為主,缺少實(shí)際設(shè)計(jì)階段的比選分析及方案研究。本文依托新場(chǎng)隧道工程,結(jié)合雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)特點(diǎn)和適用條件,通過新場(chǎng)隧道可行性通風(fēng)方案的分析比選,在設(shè)計(jì)階段取消通風(fēng)斜豎井設(shè)置,并系統(tǒng)地進(jìn)行了雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)方案設(shè)計(jì)。

1　工程概況

新場(chǎng)隧道位于云南省昭通市境內(nèi),進(jìn)口位于鎮(zhèn)雄縣杉樹鄉(xiāng)細(xì)沙村,出口位于彝良縣海子鄉(xiāng)新場(chǎng)村,屬于分離式特長(zhǎng)隧道,隧道右線長(zhǎng)5384m,左線長(zhǎng)5387m,隧道縱坡為1.409%的單向坡,隧道設(shè)計(jì)高程介于1480.306~1537.888m,地形起伏較大。隧道設(shè)計(jì)速度為80km/h,交通阻滯時(shí)按10km/h考慮。隧道凈空斷面面積為65.10m2,輪廓周長(zhǎng)為31.36m,當(dāng)量直徑為8.30m。隧址夏季平均設(shè)計(jì)溫度為27.6℃。根據(jù)《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》及新場(chǎng)隧道設(shè)計(jì)方案,參照隧道路段預(yù)測(cè)交通量、車型比例以及隧道所在區(qū)水文地質(zhì)條件等因素,新場(chǎng)隧道左、右線需風(fēng)量差異明顯,右線遠(yuǎn)期需風(fēng)量是左線的2.1倍。左線遠(yuǎn)期需風(fēng)量為298.58m3/s,設(shè)計(jì)風(fēng)速為4.59m/s;右線遠(yuǎn)期需風(fēng)量為625.47m3/s,設(shè)計(jì)風(fēng)速為9.61m/s,逼近規(guī)范限制值,對(duì)行車安全有一定影響。

2　雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)理論

2.1　雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)原理

雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)基本原理為:在左、右線隧道之間設(shè)置2條換氣通道,在下坡隧道內(nèi)設(shè)置富余的射流風(fēng)機(jī),將下坡隧道富余的新鮮空氣通過換氣通道送入上坡隧道,稀釋上坡隧道內(nèi)污染物濃度,同時(shí)將上坡隧道污染空氣通過橫通道送入下坡隧道,使2條隧道內(nèi)空氣質(zhì)量均能滿足衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

2.2　設(shè)計(jì)風(fēng)量的確定

為保證隧道內(nèi)污染物濃度不超標(biāo),隧道左、右線的設(shè)計(jì)風(fēng)量需滿足，為左線隧道內(nèi)污染物排放量(CO或VI);qR為右線隧道內(nèi)污染物排放量(CO或VI);QL為左線隧道的設(shè)計(jì)風(fēng)量;QR為右線隧道的設(shè)計(jì)風(fēng)量;δ為隧道內(nèi)污染物(CO或VI)濃度限制值。由風(fēng)機(jī)功率與風(fēng)量的3次方成正比可知,當(dāng)隧道左、右線設(shè)計(jì)風(fēng)量相等時(shí),風(fēng)機(jī)總功率最小。

2.3　橫通道位置的確定

換氣橫通道的位置對(duì)雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)的效果影響較大,若安裝位置靠近上坡隧道進(jìn)口,效果不夠顯著;若安裝靠近上坡隧道出口,極有可能使得污染物濃度在換氣前超過規(guī)范值換氣橫通道的位置應(yīng)在Lm與Ln之間。2條換氣橫通道之間的短道類似于通風(fēng)井送排式通風(fēng)系統(tǒng)的短道,如果短道長(zhǎng)度過短,易出現(xiàn)回流;如果短道長(zhǎng)度過長(zhǎng),污染物濃度在短道內(nèi)很容易超標(biāo)。依據(jù)通風(fēng)井送排式通風(fēng)相關(guān)經(jīng)驗(yàn),短道長(zhǎng)度宜大于50m,查閱相關(guān)研究文獻(xiàn),換氣橫通道間距取100m。

2. 4　 橫通道換氣風(fēng)量的確定

橫通道內(nèi)換氣風(fēng)量大小的確定對(duì)雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)系統(tǒng)有較大影響。 換氣橫通道將隧道左、右線分為3 段,其中L2、R2短道長(zhǎng)度取100m,其余段落根據(jù)橫通道位置計(jì)算結(jié)果確定

3　新場(chǎng)隧道雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)方案可行性研究

新場(chǎng)隧道為特長(zhǎng)公路隧道,一般采用全射流縱向通風(fēng)方式或通風(fēng)井送排式縱向通風(fēng)方式,相關(guān)研究明:當(dāng)隧道上下行通風(fēng)負(fù)荷之比大于1.5時(shí),可以結(jié)合上下行通風(fēng)總量限制考慮采用雙洞互補(bǔ)式通風(fēng),最為經(jīng)濟(jì)實(shí)用的隧道長(zhǎng)度在4.5~6km;交通量的組成對(duì)于需風(fēng)量計(jì)算有較大的影響,尤其是隧道上坡段的大型車的比例,經(jīng)研究分析大型車混入率為35%~50%的隧道可考慮采用互補(bǔ)式通風(fēng)。

新場(chǎng)隧道長(zhǎng)度約為5.4km,縱坡基本為單向坡,遠(yuǎn)期上下行通風(fēng)負(fù)荷之比為2.1;交通組成情況也較為特殊,大型車混入率較高,近期大型車混入率為38%,遠(yuǎn)期為49%。以上數(shù)據(jù)表明新場(chǎng)隧道遠(yuǎn)期通風(fēng)方式適合采用雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)方案。

新場(chǎng)隧道遠(yuǎn)期若采用全射流縱向通風(fēng)方式,左線需布設(shè)24臺(tái)射流風(fēng)機(jī),功率為720kW;右線需布設(shè)58臺(tái)射流風(fēng)機(jī),功率達(dá)到1740kW,風(fēng)機(jī)幾乎布滿右線隧道,對(duì)隧道運(yùn)營(yíng)與供配電帶來極大負(fù)擔(dān)。若采用通風(fēng)井送排式縱向通風(fēng),需新建豎井約300m或斜井1300m,工程規(guī)模較大,增加工程投資。而采用雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)方案,不僅能降低新場(chǎng)隧道通風(fēng)系統(tǒng)規(guī)模和運(yùn)營(yíng)管理費(fèi)用,還可以提高隧道內(nèi)行車的舒適性和安全性,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。通過以上對(duì)比分析,新場(chǎng)隧道采用雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)方案是可行且合理的。

4　新場(chǎng)隧道雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)方案設(shè)計(jì)

4.1　雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算

根據(jù)雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)理論及需風(fēng)量計(jì)算結(jié)果,新場(chǎng)隧道近期可采用全射流縱向通風(fēng)方案,現(xiàn)主要對(duì)隧道遠(yuǎn)期通風(fēng)方案進(jìn)行討論與設(shè)計(jì)。由以上校核結(jié)果和圖4污染物濃度分布示意圖可知,采用雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)方案后,右線隧道內(nèi)污染物濃度大幅度降低,同時(shí)左線隧道內(nèi)污染物濃度會(huì)明顯升高,但是整條隧道內(nèi)污染物濃度都在限制濃度范圍以內(nèi)。

4.2　通風(fēng)橫通道換氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)新場(chǎng)隧道平面線形位置,設(shè)置通風(fēng)橫通道全長(zhǎng)55m,其中風(fēng)管段長(zhǎng)20m,過渡段長(zhǎng)10m,風(fēng)道段長(zhǎng)25m?？捎?jì)算得到風(fēng)管、過渡段及風(fēng)道內(nèi)平均風(fēng)速,見表7。根據(jù)《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》相關(guān)公式及參數(shù),可得出橫通道內(nèi)升壓力及軸流風(fēng)機(jī)功率,通過查閱軸流風(fēng)機(jī)相關(guān)資料可知,每條橫通道內(nèi)布置1臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)即可。

4.3　新場(chǎng)隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)方案

新場(chǎng)隧道近期采用全射流縱向通風(fēng)方式,左、右線各設(shè)置1120型可逆射流風(fēng)機(jī)24臺(tái);遠(yuǎn)期采用雙洞互補(bǔ)式通風(fēng),左、右線各設(shè)置1120型可逆射流風(fēng)機(jī)30臺(tái)。距右線入口4022m處設(shè)置2條通風(fēng)橫通道,間距100m,通風(fēng)橫通道內(nèi)各設(shè)置軸流風(fēng)機(jī)1臺(tái)。

5　結(jié)論與建議

本文通過對(duì)新場(chǎng)特長(zhǎng)公路隧道通風(fēng)方案的比選及雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)設(shè)計(jì)方案的分析,認(rèn)為新場(chǎng)隧道采用雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)方案是合理、可行的,在保證隧道內(nèi)通風(fēng)需求的前提下,取消通風(fēng)井以及地下風(fēng)機(jī)房等設(shè)施的設(shè)置,以較小的初期投資和后期運(yùn)營(yíng)管理費(fèi)用,完善通風(fēng)系統(tǒng)功能,并提高行車舒適性和安全性。同時(shí),采用雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)方案后,新場(chǎng)隧道的通風(fēng)運(yùn)營(yíng)模式更加靈活,近期可關(guān)閉換氣風(fēng)道,采用全射流縱向式通風(fēng),遠(yuǎn)期當(dāng)上坡隧道通風(fēng)困難時(shí)開啟換氣風(fēng)道,采用雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)。因此,當(dāng)特長(zhǎng)隧道的左、右線需風(fēng)量差異較大時(shí),采用雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)方案,可以有效地發(fā)揮下坡隧道的通風(fēng)潛力,利用其富裕的新鮮風(fēng),減少通風(fēng)資源的浪費(fèi),通風(fēng)系統(tǒng)總體規(guī)模大幅降低,且運(yùn)營(yíng)過程中便于管理、可操作性強(qiáng)、費(fèi)用低,具有顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

但是,雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)方案在實(shí)際工程中應(yīng)用較少,還需通過運(yùn)營(yíng)實(shí)踐進(jìn)一步檢驗(yàn)、反饋,從而不斷完善雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)方案設(shè)計(jì)。同時(shí),對(duì)于雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)方案中隧道防災(zāi)救援、各運(yùn)營(yíng)工況下通風(fēng)控制等問題還需進(jìn)一步研究。

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作者：姜同虎 沈洪波 汪光裕 單位：安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司 公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心