公路隧道雙洞互補式方案設計

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摘要:新場隧道為特長公路隧道,采用單向坡,左、右線需風量差異明顯。針對新場隧道右線通風負荷過大的情況,提出雙洞互補式通風方案,即增設橫向換氣風道,將左、右線隧道形成網(wǎng)絡通風系統(tǒng),利用左線中富余的新鮮風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方案進行設計。結果表明:新場隧道采用雙洞互補式通風方案可以在保證隧道內(nèi)通風需求的前提下,取消斜豎井以及地下風機房等設施的設置,以較小的初期投資和后期運營管理費用,完善通風系統(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。

關鍵詞:特長公路隧道;雙洞互補式通風;橫向換氣風道;通風方案

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)量以及防災救援需要,通風設計方案成為影響或制約特長隧道總體建設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負荷將會相差較大。而設計時需按最不利工況考慮,為滿足通風需求,通常采用斜豎井送排的通風方式,通風系統(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方式,所需風機數(shù)量過多,全隧道滿布且效果差,同時單靠射流風機無法滿足正常的通風需求[5-6]。

針對此類通風負荷不平衡的問題,瑞士學者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、右線隧道之間設置換氣通道,平衡雙洞的通風負荷;文獻[8-9]提出了空氣交換法的理念,分析了該方法的應用范圍和設計算法,為隧道通風方式提供了新的思路;文獻[10-11]對雙洞互補式通風方案在大別山隧道和兩河口隧道中的應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)化推導了該通風方式的計算公式和適用條件。

目前,雙洞互補式通風方案基本以數(shù)值模擬和模型試驗的理論研究分析為主,僅在個別隧道中應用實施,而且基本以科研性質(zhì)為主,缺少實際設計階段的比選分析及方案研究。本文依托新場隧道工程,結合雙洞互補式通風特點和適用條件,通過新場隧道可行性通風方案的分析比選,在設計階段取消通風斜豎井設置,并系統(tǒng)地進行了雙洞互補式通風方案設計。

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,隧道設計高程介于1480.306~1537.888m,地形起伏較大。隧道設計速度為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。隧址夏季平均設計溫度為27.6℃。根據(jù)《公路隧道通風設計細則》及新場隧道設計方案,參照隧道路段預測交通量、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、右線需風量差異明顯,右線遠期需風量是左線的2.1倍。左線遠期需風量為298.58m3/s,設計風速為4.59m/s;右線遠期需風量為625.47m3/s,設計風速為9.61m/s,逼近規(guī)范限制值,對行車安全有一定影響。

2　雙洞互補式通風理論

2.1　雙洞互補式通風原理

雙洞互補式通風基本原理為:在左、右線隧道之間設置2條換氣通道,在下坡隧道內(nèi)設置富余的射流風機,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　設計風量的確定

為保證隧道內(nèi)污染物濃度不超標,隧道左、右線的設計風量需滿足，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為左線隧道的設計風量;QR為右線隧道的設計風量;δ為隧道內(nèi)污染物(CO或VI)濃度限制值。由風機功率與風量的3次方成正比可知,當隧道左、右線設計風量相等時,風機總功率最小。

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在Lm與Ln之間。2條換氣橫通道之間的短道類似于通風井送排式通風系統(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)通風井送排式通風相關經(jīng)驗,短道長度宜大于50m,查閱相關研究文獻,換氣橫通道間距取100m。

2. 4　 橫通道換氣風量的確定

橫通道內(nèi)換氣風量大小的確定對雙洞互補式通風系統(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)橫通道位置計算結果確定

3　新場隧道雙洞互補式通風方案可行性研究

新場隧道為特長公路隧道,一般采用全射流縱向通風方式或通風井送排式縱向通風方式,相關研究明:當隧道上下行通風負荷之比大于1.5時,可以結合上下行通風總量限制考慮采用雙洞互補式通風,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。

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方式適合采用雙洞互補式通風方案。

新場隧道遠期若采用全射流縱向通風方式,左線需布設24臺射流風機,功率為720kW;右線需布設58臺射流風機,功率達到1740kW,風機幾乎布滿右線隧道,對隧道運營與供配電帶來極大負擔。若采用通風井送排式縱向通風,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方案,不僅能降低新場隧道通風系統(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方案是可行且合理的。

4　新場隧道雙洞互補式通風方案設計

4.1　雙洞互補式通風設計參數(shù)計算

根據(jù)雙洞互補式通風理論及需風量計算結果,新場隧道近期可采用全射流縱向通風方案,現(xiàn)主要對隧道遠期通風方案進行討論與設計。由以上校核結果和圖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　通風橫通道換氣系統(tǒng)設計計算

根據(jù)新場隧道平面線形位置,設置通風橫通道全長55m,其中風管段長20m,過渡段長10m,風道段長25m?？捎嬎愕玫斤L管、過渡段及風道內(nèi)平均風速,見表7。根據(jù)《公路隧道通風設計細則》相關公式及參數(shù),可得出橫通道內(nèi)升壓力及軸流風機功率,通過查閱軸流風機相關資料可知,每條橫通道內(nèi)布置1臺軸流風機即可。

4.3　新場隧道通風設計方案

新場隧道近期采用全射流縱向通風方式,左、右線各設置1120型可逆射流風機24臺;遠期采用雙洞互補式通風,左、右線各設置1120型可逆射流風機30臺。距右線入口4022m處設置2條通風橫通道,間距100m,通風橫通道內(nèi)各設置軸流風機1臺。

5　結論與建議

本文通過對新場特長公路隧道通風方案的比選及雙洞互補式通風設計方案的分析,認為新場隧道采用雙洞互補式通風方案是合理、可行的,在保證隧道內(nèi)通風需求的前提下,取消通風井以及地下風機房等設施的設置,以較小的初期投資和后期運營管理費用,完善通風系統(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方案后,新場隧道的通風運營模式更加靈活,近期可關閉換氣風道,采用全射流縱向式通風,遠期當上坡隧道通風困難時開啟換氣風道,采用雙洞互補式通風。因此,當特長隧道的左、右線需風量差異較大時,采用雙洞互補式通風方案,可以有效地發(fā)揮下坡隧道的通風潛力,利用其富裕的新鮮風,減少通風資源的浪費,通風系統(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,雙洞互補式通風方案在實際工程中應用較少,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方案設計。同時,對于雙洞互補式通風方案中隧道防災救援、各運營工況下通風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)劃設計研究總院股份有限公司 公路交通節(jié)能環(huán)保技術交通運輸行業(yè)研發(fā)中心