公路隧道雙洞互補式方案設(shè)計
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摘要:新場隧道為特長公路隧道,采用單向坡,左、右線需風(fēng)量差異明顯。針對新場隧道右線通風(fēng)負荷過大的情況,提出雙洞互補式通風(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)范標準。根據(jù)新場隧道工程情況,通過方案比選,對雙洞互補式通風(fēng)方案的可行性與合理性進行研究,并對新場隧道雙洞互補式通風(fēng)方案進行設(shè)計。結(jié)果表明:新場隧道采用雙洞互補式通風(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)機房等設(shè)施的設(shè)置,以較小的初期投資和后期運營管理費用,完善通風(fēng)系統(tǒng)功能并提高行車舒適性和安全性,具有顯著的社會經(jīng)濟效益。
關(guān)鍵詞:特長公路隧道;雙洞互補式通風(fēng);橫向換氣風(fēng)道;通風(fēng)方案
0 引言
隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展,我國交通運輸行業(yè)呈現(xiàn)迅猛發(fā)展的勢頭。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,長度超過3km的特長公路隧道屢見不鮮。由于隧道長度增加,為保證運營期間隧道內(nèi)空氣質(zhì)量以及防災(zāi)救援需要,通風(fēng)設(shè)計方案成為影響或制約特長隧道總體建設(shè)方案的重要因素之一。當前,5~7km的特長公路隧道越來越多,而隧道設(shè)計時均具有一定的縱坡,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)負荷將會相差較大。而設(shè)計時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,初期投資及運營管理費用高[1-4];或者采用全射流通風(fēng)方式,所需風(fēng)機數(shù)量過多,全隧道滿布且效果差,同時單靠射流風(fēng)機無法滿足正常的通風(fēng)需求[5-6]。
針對此類通風(fēng)負荷不平衡的問題,瑞士學(xué)者M.A.Berner和J.R.Day于1991年首次提出了“雙洞互補”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)負荷;文獻[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)計算法,為隧道通風(fēng)方式提供了新的思路;文獻[10-11]對雙洞互補式通風(fēng)方案在大別山隧道和兩河口隧道中的應(yīng)用情況進行了分析研究;文獻[12-15]對特長公路隧道雙洞互補式通風(fēng)進行了數(shù)值模擬和物理模型試驗研究,進一步優(yōu)化推導(dǎo)了該通風(fēng)方式的計算公式和適用條件。
目前,雙洞互補式通風(fēng)方案基本以數(shù)值模擬和模型試驗的理論研究分析為主,僅在個別隧道中應(yīng)用實施,而且基本以科研性質(zhì)為主,缺少實際設(shè)計階段的比選分析及方案研究。本文依托新場隧道工程,結(jié)合雙洞互補式通風(fēng)特點和適用條件,通過新場隧道可行性通風(fēng)方案的分析比選,在設(shè)計階段取消通風(fēng)斜豎井設(shè)置,并系統(tǒng)地進行了雙洞互補式通風(fēng)方案設(shè)計。
1 工程概況
新場隧道位于云南省昭通市境內(nèi),進口位于鎮(zhèn)雄縣杉樹鄉(xiāng)細沙村,出口位于彝良縣海子鄉(xiāng)新場村,屬于分離式特長隧道,隧道右線長5384m,左線長5387m,隧道縱坡為1.409%的單向坡,隧道設(shè)計高程介于1480.306~1537.888m,地形起伏較大。隧道設(shè)計速度為80km/h,交通阻滯時按10km/h考慮。隧道凈空斷面面積為65.10m2,輪廓周長為31.36m,當量直徑為8.30m。隧址夏季平均設(shè)計溫度為27.6℃。根據(jù)《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細則》及新場隧道設(shè)計方案,參照隧道路段預(yù)測交通量、車型比例以及隧道所在區(qū)水文地質(zhì)條件等因素,新場隧道左、右線需風(fēng)量差異明顯,右線遠期需風(fēng)量是左線的2.1倍。左線遠期需風(fēng)量為298.58m3/s,設(shè)計風(fēng)速為4.59m/s;右線遠期需風(fēng)量為625.47m3/s,設(shè)計風(fēng)速為9.61m/s,逼近規(guī)范限制值,對行車安全有一定影響。
2 雙洞互補式通風(fēng)理論
2.1 雙洞互補式通風(fēng)原理
雙洞互補式通風(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,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)生標準。
2.2 設(shè)計風(fēng)量的確定
為保證隧道內(nèi)污染物濃度不超標,隧道左、右線的設(shè)計風(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)計風(fēng)量;QR為右線隧道的設(shè)計風(fēng)量;δ為隧道內(nèi)污染物(CO或VI)濃度限制值。由風(fēng)機功率與風(fēng)量的3次方成正比可知,當隧道左、右線設(shè)計風(fēng)量相等時,風(fēng)機總功率最小。
2.3 橫通道位置的確定
換氣橫通道的位置對雙洞互補式通風(fēng)的效果影響較大,若安裝位置靠近上坡隧道進口,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,如果短道長度過短,易出現(xiàn)回流;如果短道長度過長,污染物濃度在短道內(nèi)很容易超標。依據(jù)通風(fēng)井送排式通風(fēng)相關(guān)經(jīng)驗,短道長度宜大于50m,查閱相關(guān)研究文獻,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)量大小的確定對雙洞互補式通風(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短道長度取100m,其余段落根據(jù)橫通道位置計算結(jié)果確定
3 新場隧道雙洞互補式通風(fēng)方案可行性研究
新場隧道為特長公路隧道,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:當隧道上下行通風(fēng)負荷之比大于1.5時,可以結(jié)合上下行通風(fēng)總量限制考慮采用雙洞互補式通風(fēng),最為經(jīng)濟實用的隧道長度在4.5~6km;交通量的組成對于需風(fēng)量計算有較大的影響,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式通風(fēng)。
新場隧道長度約為5.4km,縱坡基本為單向坡,遠期上下行通風(fēng)負荷之比為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%,遠期為49%。以上數(shù)據(jù)表明新場隧道遠期通風(fēng)方式適合采用雙洞互補式通風(fēng)方案。
新場隧道遠期若采用全射流縱向通風(fēng)方式,左線需布設(shè)24臺射流風(fēng)機,功率為720kW;右線需布設(shè)58臺射流風(fēng)機,功率達到1740kW,風(fēng)機幾乎布滿右線隧道,對隧道運營與供配電帶來極大負擔。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。而采用雙洞互補式通風(fēng)方案,不僅能降低新場隧道通風(fēng)系統(tǒng)規(guī)模和運營管理費用,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)濟效益和生態(tài)效益。通過以上對比分析,新場隧道采用雙洞互補式通風(fēng)方案是可行且合理的。
4 新場隧道雙洞互補式通風(fēng)方案設(shè)計
4.1 雙洞互補式通風(fēng)設(shè)計參數(shù)計算
根據(jù)雙洞互補式通風(fēng)理論及需風(fēng)量計算結(jié)果,新場隧道近期可采用全射流縱向通風(fēng)方案,現(xiàn)主要對隧道遠期通風(fēng)方案進行討論與設(shè)計。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,同時左線隧道內(nèi)污染物濃度會明顯升高,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)計計算
根據(jù)新場隧道平面線形位置,設(shè)置通風(fēng)橫通道全長55m,其中風(fēng)管段長20m,過渡段長10m,風(fēng)道段長25m。可計算得到風(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)計細則》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)機功率,通過查閱軸流風(fēng)機相關(guān)資料可知,每條橫通道內(nèi)布置1臺軸流風(fēng)機即可。
4.3 新場隧道通風(fēng)設(shè)計方案
新場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24臺;遠期采用雙洞互補式通風(fēng),左、右線各設(shè)置1120型可逆射流風(fēng)機30臺。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1臺。
5 結(jié)論與建議
本文通過對新場特長公路隧道通風(fēng)方案的比選及雙洞互補式通風(fēng)設(shè)計方案的分析,認為新場隧道采用雙洞互補式通風(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)機房等設(shè)施的設(shè)置,以較小的初期投資和后期運營管理費用,完善通風(fēng)系統(tǒng)功能,并提高行車舒適性和安全性。同時,采用雙洞互補式通風(fēng)方案后,新場隧道的通風(fēng)運營模式更加靈活,近期可關(guān)閉換氣風(fēng)道,采用全射流縱向式通風(fēng),遠期當上坡隧道通風(fēng)困難時開啟換氣風(fēng)道,采用雙洞互補式通風(fēng)。因此,當特長隧道的左、右線需風(fēng)量差異較大時,采用雙洞互補式通風(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,通風(fēng)系統(tǒng)總體規(guī)模大幅降低,且運營過程中便于管理、可操作性強、費用低,具有顯著的社會經(jīng)濟效益。
但是,雙洞互補式通風(fēng)方案在實際工程中應(yīng)用較少,還需通過運營實踐進一步檢驗、反饋,從而不斷完善雙洞互補式通風(fēng)方案設(shè)計。同時,對于雙洞互補式通風(fēng)方案中隧道防災(zāi)救援、各運營工況下通風(fēng)控制等問題還需進一步研究。
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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)交通運輸行業(yè)研發(fā)中心
