中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031）
摘要：随着隧道内运行速度的提高，交通量的加大，隧道通风设计所需的风量越来越大，在保证隧道内设计需风量的同时，减少投资，具有重要的意义。京昆国家高速公路太原西北段扩容工程（太原西北二环）中的骆驼山隧道通风设计，采用理论分析的方法，对隧道通风设计方案进行研究。研究结论如下：隧道内的污染物年度折减系数，较实际车辆减排技术发展情况小，需进行增大；在其他情况相同的前提下，上下坡对隧道阻滞情况下及烟尘工况下的需风量影响大；骆驼山隧道采用互补式通风，可以充分利用既有的横通道，减少隧道需风量，可节约投资约6600万元。
关键词：隧道通风，隧道设计，互补式通风，方案比选。
中图分类号: U452.1 文献标识码: A DOI:
Optimization and Discussion of Tunnel Complementary Ventilation Design
YU Dalong，WANG Xiaoliang，WANG lei
(1 China Railway Eryuan Engineering Group Co.Ltd)
Abstract: With the increase of running speed and traffic volume in the tunnel, the air volume required for tunnel ventilation design is increasing. It is of great significance to ensure the air volume required in the tunnel design and reduce the investment. The ventilation design of Luotuoshan tunnel in the expansion project of Taiyuan northwest section of Beijing Kunming National Expressway (Taiyuan northwest 2nd Ring Road) adopts the method of theoretical analysis to study the tunnel ventilation design scheme. The conclusions are as follows: the annual reduction coefficient of pollutants in the tunnel is smaller than the actual development of vehicle emission reduction technology, which needs to be increased; On the premise of the same other conditions, the influence of uphill and downhill on the air demand in the case of tunnel block and smoke condition is great; Luotuoshan tunnel adopts complementary ventilation, which can make full use of the existing cross passage, reduce the tunnel air demand, and save about 66 million yuan of investment.
Key words：tunnel ventilation, tunnel design, complementary ventilation, scheme comparison.
引言
社会进步和技术发展使得，高速公路设计时速越来越快，通行能力加大。对于隧道通风需风量越来越大，过高的通风风速会影响车辆的运行。因此，隧道内有最高风速要求，在保证工程质量、节约投资的前提下，对隧道通风设计提出了新的挑战。
卢
收稿日期：2022-06-27；修回日期：2022-06-27
作者简介：余大龙 (1981—8)，男，高级工程师，2019年毕业于西南交通大学建筑与土木工程专业，工程硕士，主要从事隧道设计研究工作，E-mail:95138305
本文依托京昆国家高速公路太原西北段扩容工程（太原西北二环）骆驼山隧道对大通风量下的新型通风设计方案进行了比选研究，最终确定了新型的通风方式，通过网络通风计算，通风效果良好，节约了工程投资，取得了良好的工程和经济、环境效果。
1.1 隧道技术标准
京昆国家高速公路太原西北段扩容工程（太原西北二环）中，骆驼山隧道为双洞隧道，每洞两车道单向行驶，设计时速100km/h，洞口海拔1169m。隧道右线为坡度/坡长，-1.9%/7140m；隧道左线为坡度/坡长，1.9%/7120。
根据相关规定，对隧道通风计算的主要参数进行取值，其中自然风速取为2.5m/s，计算空气密度ρ取为1.12kg/m3。
根据骆驼山隧道初步设计、施工图图纸，各隧道断面参数及通风参数如下:
隧道净空断面积：Ar=71.84m2；断面周长：Cr=33.07m；断面当量直径：Dr=8.69m。隧道夏季的设计气温，取25℃。
1.3 主要通风标准
根据相关规定，公路隧道内的通风标准需满足稀释汽车释放的污染物，包括稀释一氧化碳（CO）、稀释柴油车产出的烟尘（VI）、稀释交通阻滞情况下的汽车尾气、火灾下的烟气，运营通风风速等多个工况的标准。
1.3.1 通风卫生标准
一氧化碳（CO）允许浓度： 正常运营时：δ=100cm3/m3；交通阻滞时：δ=150cm3/m3，平均车速小于30km/h，阻滞长度1km，阻滞时间不超过20min。
烟尘（VI）允许浓度：
表1 隧道烟尘允许浓度K
运营工况 | 交通阻滞 | 正常运营 | ||||
计算车速（km/h） | vt≤30 | 30t<50 | 50≤vt<60 | 60≤vi<90 | ≥90 | |
烟尘设计浓度K（m-1） | 0.0120 | 0.0075 | 0.0070 | 0.0065 | 0.005 | |
隧道换气频率为:3次/h，并保证隧道内换气风速≥1.5m/s。
污染物基准排放量：有害气体基准排放量均以2000年为起点，按照每年2.0%的递减率计算至目标年份。其中，2000年的烟尘基准排放量取2.0m/(veh•km)，正常工况的CO基准排放量取0.007m/(veh•km)，阻滞工况的CO基准排放量取0.015m/(veh•km)。
防排烟设计标准：火灾热释放率：30MW；火灾时排烟风速：3.5 m/s。
风速标准：隧道内设计风速≤10 m/s。
考虑社会及经济发展，隧道通风需满足近期交通运输的要求，取2030年为近期设计年限，2040年为远期设计年限。因为该隧道为双洞单向交通隧道，上下行方向的不均衡分布系数D的标准值取0.52，针对公路交通交通量，不同季节，不同时段不同的特点，根据相关设计规范及规定，年平均日交通量作为计算交通量，取每日高峰小时交通量占年平均日交通量的12%。
表2 交通量预测结果（单位：pcu/d）
年份 | 2021 | 2030 | 2035 | 2040 | 2045 |
交通量 | 17101 | 25955 | 31821 | 37916 | 41862 |
针对公路交通的特点，对日交通量的车辆组成进行交通调研，根据相关交通调查及调研，该处交通量车型组成情况，如下表所示。
表3 交通组成（单位：%）
年份 | 客车 | 货车 | ||||
小型 | 大型 | 小型 | 中型 | 大型 | 特大货 | |
2021 | 23.00 | 17.70 | 8.90 | 9.50 | 28.20 | 12.70 |
2030 | 23.00 | 17.70 | 8.90 | 9.50 | 28.20 | 12.70 |
2035 | 24.4 | 18.4 | 9.5 | 9.7 | 25.3 | 12.7 |
2040 | 26.00 | 19.00 | 9.90 | 9.90 | 23.50 | 11.70 |
2045 | 28.2 | 19.8 | 10.1 | 10.1 | 19.6 | 12.2 |
2.1 隧道需风量
隧道需风量由稀释一氧化碳（CO）、稀释烟尘（VI）、运营换气、交通阻滞、火灾排烟等多个通风工况进行计算，其中释一氧化碳（CO）、稀释烟尘（VI）等工况，需计算不同运营速度下的需风量。根据《公路隧道通风设计细则》（JTG/T D70/2-2014）的相关规定，根据调研得到的交通量，针对不同通风工况，不同运行时速得到的需风量，如下图所示。
表4 骆驼山隧道设计需风量计算结果
线别 | 工况 | 2021年 | 2030年 | 2040年 |
需风量 （m3/s) | 需风量 （m3/s) | 需风量 （m3/s) | ||
右线 | 稀释CO | 187.6 | 237.4 | 361.05 |
稀释烟尘 | 282.39 | 357.34 | 493.53 | |
运营换气 | 427.45 | 427.45 | 427.45 | |
交通阻滞（CO） | 112.61 | 142.5 | 216.71 | |
交通阻滞（烟尘） | 54.78 | 69.32 | 95.74 | |
火灾排烟 | 251.44 | 251.44 | 251.44 | |
左线 | 稀释CO | 233.85 | 295.91 | 450.04 |
稀释烟尘 | 819.67 | 1037.22 | 1432.55 | |
运营换气 | 427.45 | 427.45 | 427.45 | |
交通阻滞（CO） | 112.61 | 142.5 | 216.71 | |
交通阻滞（烟尘） | 111.83 | 141.52 | 195.46 | |
火灾排烟 | 251.44 | 251.44 | 251.44 |
骆驼山隧道右线、左线的远期设计年限最大设计需风量均由稀释烟尘工况控制。在稀释烟尘（VI）、稀释一氧化碳（CO）和阻滞稀释工况下，左线隧道的需风量较右线隧道需风量大，其中左线隧道为上坡、右线隧道为下坡。左线隧道远期需风量是右线隧道需风量的2.9倍。
图1 左右线隧道稀释烟尘（VI）工况需风量对比图
对骆驼山隧道不同工况需风量对比可以发现：稀释一氧化碳（CO）工况下的需风量是各工况中，需风量最小的，说明不论对于柴油、还是汽油内燃机，其燃烧效率越来越高，汽车能量利用率越来越高。在其他情况相同的情况下，上下坡对于隧道阻滞及烟气工况下需风量的影响较大。
经计算，对于上坡隧道远期需风量下的隧道断面风速，骆驼山左线隧道为1432.55(m3/s)÷71.84(m2)=19.94m/s，均大于规范规定的10m/s的限值。
经调研，2000年~2025年，柴油车的一氧化碳（CO）排放量将年平均下降6.31%；汽油车的一氧化碳（CO）排放量将年平均下降3.78%。同期，柴油车的烟雾排放量将年平均下降3.48%；汽油车的烟雾排放量将年平均下降6.27%。取污染物的折减系数为2.5%，经计算，骆驼山隧道需风量如下表所示。
表5 骆驼山右线隧道折减系数增大后设计需风量
设计期限/设计速度（m/s） | 100（m/s） |
近期 | 889.67（m3/s） |
远期 | 1228.76（m3/s） |
骆驼山隧道左右线纵坡均为1.9%的单面坡；左右线近、远期需风量差异较大。
2.2 隧道通风方案比选
骆驼山隧道所在区域为自然保护区，在其缓冲区内才可设斜井。从实际地形地貌、通风需求和施工进度、工程造价等几个方面考虑，先后提出了6个通风方案，并进行了详细的计算和比选，具体方案如下：
2.2.1 全射流纵向式通风方案
骆驼山隧道右线需风量不大，主要通风需求为稀释空气异味，若采用全射流风机通风，隧道内设计风速均小于7.0m/s，风速合适，满足通风要求，因此右线采用全射流纵向通风。左线近期风速为12.38m/s，远期风速17.1m/s，均超过10m/s。同时，左线主要通风需求为稀释烟尘，加之本项目中大车混入率高，若不采用分段通风，风速较高，容易加重粉尘污染，使隧道内卫生环境更差，达不到隧道安全卫生标准，故应采用分段纵向通风方式。
2.2.2 单斜井分段纵向式通风方案
采用左线单斜井分两段轴流风机送排风+射流风机通风；右线全射流风机通风，布置如图2所示：
图2 骆驼山隧道单斜井通风系统图
隧道左线设一个通风斜井，同时为隧道右线设置联络排风道，用于火灾工况下排烟需要，经联络风道分段，隧道右线被划分为2个防火分区。
本方案只设一个通风斜井，节省了主体土建工程。但经过详细计算后发现，此方案并不能满足隧道远期通风需求。斜井两段的隧道内风速均大于10m/s，不满足规范要求。同时，各通风段所需射流风机数量已超过各段的最大射流风机安装量。因此，仅设置一个斜井的方案不可行。
2.2.3 双斜井纵向分段式通风方案
采用左线两斜井分三段轴流风机送排风+射流风机通风；右线全射流风机通风，置如图3所示：
图3 骆驼山隧道双斜井通风系统图
隧道左线设1#、2#两个通风斜井，将隧道分为三段，同时为隧道右线设置联络排风道，用于火灾工况下排烟需要，经联络风道分段，隧道右线被划分为3个防火分区，在兼顾正常通风需求的基础上较好的满足了隧道防灾需要。经详细计算后其结果显示方案二能很好地满足各工况下的隧道通风需求，远期三通风段的设计风速均小于10m/s。同时，隧道运营通风斜井兼做隧道主洞辅助施工工作井用，增加工作面，可有效缩短工期。
2.2.4 双竖井纵向分段式通风方案
采用左线两竖井分三段轴流风机送排风+射流风机通风；右线全射流风机通风，布置如图4所示：
图4 骆驼山隧道双竖井通风系统图
隧道左线设1#、2#两个通风竖井，将隧道分为三段，同时为隧道右线设置联络排风道。采用双竖井将左线通风分为3段，亦能很好地满足各工况下的隧道通风需求，同双斜井通风方案的通风计算结果、射流风机数量均相同。其不同之处在于：一方面由于竖井比斜井长度短很多，风阻小，轴流风机功率较小；另一方面，竖井只能用于通风，不可用作施工井，工期较长。
2.2.5 一竖井+一斜井纵向分段式通风方案
采用左线一竖井、一斜井分三段轴流风机送排风+射流风机通风；右线全射流风机通风，布置如图5所示：
图5 骆驼山隧道一竖井+一斜井通风系统图
隧道左线设1#竖井、2#斜井两个通风井，将隧道分为三段，同时为隧道右线设置联络排风道。与双斜井的左线通风分段情况一致，也能很好地满足各工况下的隧道通风需求，同时二者的通风计算结果、射流风机数量均相同。
2.2.6 互补式+单斜井分段纵向式通风方案
采用左线单斜井加互补式通风分三段轴流风机送排风+射流风机通风；右线全射流风机通风，布置如下图所示：
图6 骆驼山隧道一斜井+互补式通风系统图
驼山隧道左右线纵坡均为1.93%的单面坡；左右线近、远期需风量差异较大，左右线相距35米左右，有设置通风换气横洞的条件；左线隧道采用通风井分段纵向式通风后，通风井上半段或下半段与右线隧道进行通风互补，左右线总需风量不超标。满足互补式通风的适用条件，因此，互补式网络通风技术适用于骆驼山隧道。经计算，骆驼山隧道近、远期均采用1通风井送排式+左右洞互补式通风相结合通风方案。
隧道左线设一个通风斜井，同时为隧道右线设置联络排风道，用于火灾工况下排烟需要，经联络风道分段，隧道右线被划分为2个防火分区。距左线隧道入口约3521米处设置两条通风横洞，实现左右洞互补式通风。
2.2.7通风方案比选
由于单斜井通风方案及全射流纵向式通风方案不能满足通风要求，所以只对双斜井、双竖井、单斜井+单竖井、单斜井+互补式通风进行设备及运营费用比较。
表6 设备费、运营费比较表
方案 | 双斜井 | 双竖井 | 单斜井+单竖井 | 单斜井+互补式通风 | |
项目 | 单位 | 远期 | 远期 | 远期 | 远期 |
轴流风机 | 台 | 16 | 15 | 15 | 8 |
射流风机 | 台 | 112 | 112 | 112 | 119 |
总功率 | kW | 9280 | 6640 | 8160 | 6133 |
设备费+运行费 | 万元 | 19702 | 16583 | 18518 | 15255 |
双斜井通风方案采用两斜井，施工兼通风，但由于两斜井长度较长，风阻较大，因而运营成本、土建成本均较高。两竖井通风方案，于主洞施工进度无利，隧道施工进度较慢。单斜井+单竖井通风方案综合了双斜井、双竖井的优点，即节约造价的同时又加快了施工进度。但相较于单斜井+互补式通风，运营费用仍较高。单斜井+互补式通风方案设备及运营成本最低，且可减少一个斜井或竖井的施工，节约工程投资约7000万元，所以，本设计最终推荐采用单斜井+互补式通风方案。
2.2.8通风效果验证
根据隧道正洞与横通道及斜井的位置关系绘制本隧道的通风网络图，如图7所示。
图7 运营通风计算网络图
根据隧道设计资料，确定各分支的长度、断面尺寸、各段沿程及局部阻力系数。根据《公路隧道通风照明设计规范》计算隧道设计需风量。
当开启隧道内的通风系统时，各分支流速流量计算结果如表7所示，气流方向如图7所示。
表7 运营通风计算结果
分支编号 | 流速（m/s） | 流量（m3/s） |
1 | 9.4 | 671.3 |
3 | 6.1 | 439.2 |
4 | 9.4 | 673.3 |
5 | 9.4 | 672.3 |
6 | 6.1 | 441.7 |
7 | 9.4 | 677.7 |
8 | 1.8 | 131.0 |
9 | 7.9 | 567.6 |
10 | 6.7 | 484.4 |
13 | 8.6 | 265.9 |
14 | 8.6 | 264.1 |
16 | 7.4 | 238.2 |
17 | 7.4 | 238.2 |
18 | 7.4 | 238.2 |
19 | 10.9 | 353.4 |
20 | 10.9 | 353.4 |
21 | 10.9 | 353.4 |
22 | 6.0 | 193.3 |
23 | 6.0 | 193.3 |
24 | 6.0 | 193.3 |
25 | 6.1 | 198.4 |
26 | 6.1 | 198.4 |
27 | 6.1 | 198.4 |
28 | 5.1 | 369.2 |
由表7计算结果可知，开启隧道内的通风系统时，各分支均满足设计风量要求，且正洞内风速小于10m/s，满足规范规定要求，风机配置方案合理。
3 结论
通过基于骆驼山隧道的通风设计进行研究，采用不同的方案进行模拟，最终确定了采用互补式通风的设计方案。通过对比分析，得出了以下结论：
（1）隧道内的污染物折减系数，较实际车辆减排技术发展情况，需进行增大。应重新考虑制定相关标准适应新能源汽车的大规模普及的新趋势。
（2）在其他情况相同的前提下，上下坡对隧道阻滞情况下及烟尘工况下的需风量影响大。
（3）采用单斜井互补式通风，可以充分利用既有的横通道，减少隧道需风量。骆驼山隧道采用互补式通风后，可节约投资约6600万元。对于长大单面坡隧道，可采用互补式通风，降低工程投资及运营成本。
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