公路隧道双洞互补式方案设计

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摘要:新场隧道为特长公路隧道,采用单向坡,左、右线需风量差异明显。针对新场隧道右线通风负荷过大的情况,提出双洞互补式通风方案,即增设横向换气风道,将左、右线隧道形成网络通风系统,利用左线中富余的新鲜风稀释右线中的污染空气,使左、右线隧道内空气质量均满足规范标准。根据新场隧道工程情况,通过方案比选,对双洞互补式通风方案的可行性与合理性进行研究,并对新场隧道双洞互补式通风方案进行设计。结果表明:新场隧道采用双洞互补式通风方案可以在保证隧道内通风需求的前提下,取消斜竖井以及地下风机房等设施的设置,以较小的初期投资和后期运营管理费用,完善通风系统功能并提高行车舒适性和安全性,具有显著的社会经济效益。

关键词:特长公路隧道;双洞互补式通风;横向换气风道;通风方案

0　引言

随着国民经济的发展,我国交通运输行业呈现迅猛发展的势头。公路隧道作为交通线路上的重要组成部分,其规模也在不断增大,长度超过3km的特长公路隧道屡见不鲜。由于隧道长度增加,为保证运营期间隧道内空气质量以及防灾救援需要,通风设计方案成为影响或制约特长隧道总体建设方案的重要因素之一。当前,5~7km的特长公路隧道越来越多,而隧道设计时均具有一定的纵坡,在某些情况下甚至是坡度较大的单向坡,这会造成上、下行隧道内污染物排放量存在较大差异。为稀释污染物浓度,上坡隧道与下坡隧道的通风负荷将会相差较大。而设计时需按最不利工况考虑,为满足通风需求,通常采用斜竖井送排的通风方式,通风系统规模大,初期投资及运营管理费用高[1-4];或者采用全射流通风方式,所需风机数量过多,全隧道满布且效果差,同时单靠射流风机无法满足正常的通风需求[5-6]。

针对此类通风负荷不平衡的问题,瑞士学者M.A.Berner和J.R.Day于1991年首次提出了“双洞互补”的概念[7],即通过在左、右线隧道之间设置换气通道,平衡双洞的通风负荷;文献[8-9]提出了空气交换法的理念,分析了该方法的应用范围和设计算法,为隧道通风方式提供了新的思路;文献[10-11]对双洞互补式通风方案在大别山隧道和两河口隧道中的应用情况进行了分析研究;文献[12-15]对特长公路隧道双洞互补式通风进行了数值模拟和物理模型试验研究,进一步优化推导了该通风方式的计算公式和适用条件。

目前,双洞互补式通风方案基本以数值模拟和模型试验的理论研究分析为主,仅在个别隧道中应用实施,而且基本以科研性质为主,缺少实际设计阶段的比选分析及方案研究。本文依托新场隧道工程,结合双洞互补式通风特点和适用条件,通过新场隧道可行性通风方案的分析比选,在设计阶段取消通风斜竖井设置,并系统地进行了双洞互补式通风方案设计。

1　工程概况

新场隧道位于云南省昭通市境内,进口位于镇雄县杉树乡细沙村,出口位于彝良县海子乡新场村,属于分离式特长隧道,隧道右线长5384m,左线长5387m,隧道纵坡为1.409%的单向坡,隧道设计高程介于1480.306~1537.888m,地形起伏较大。隧道设计速度为80km/h,交通阻滞时按10km/h考虑。隧道净空断面面积为65.10m2,轮廓周长为31.36m,当量直径为8.30m。隧址夏季平均设计温度为27.6℃。根据《公路隧道通风设计细则》及新场隧道设计方案,参照隧道路段预测交通量、车型比例以及隧道所在区水文地质条件等因素,新场隧道左、右线需风量差异明显,右线远期需风量是左线的2.1倍。左线远期需风量为298.58m3/s,设计风速为4.59m/s;右线远期需风量为625.47m3/s,设计风速为9.61m/s,逼近规范限制值,对行车安全有一定影响。

2　双洞互补式通风理论

2.1　双洞互补式通风原理

双洞互补式通风基本原理为:在左、右线隧道之间设置2条换气通道,在下坡隧道内设置富余的射流风机,将下坡隧道富余的新鲜空气通过换气通道送入上坡隧道,稀释上坡隧道内污染物浓度,同时将上坡隧道污染空气通过横通道送入下坡隧道,使2条隧道内空气质量均能满足卫生标准。

2.2　设计风量的确定

为保证隧道内污染物浓度不超标,隧道左、右线的设计风量需满足，为左线隧道内污染物排放量(CO或VI);qR为右线隧道内污染物排放量(CO或VI);QL为左线隧道的设计风量;QR为右线隧道的设计风量;δ为隧道内污染物(CO或VI)浓度限制值。由风机功率与风量的3次方成正比可知,当隧道左、右线设计风量相等时,风机总功率最小。

2.3　横通道位置的确定

换气横通道的位置对双洞互补式通风的效果影响较大,若安装位置靠近上坡隧道进口,效果不够显著;若安装靠近上坡隧道出口,极有可能使得污染物浓度在换气前超过规范值换气横通道的位置应在Lm与Ln之间。2条换气横通道之间的短道类似于通风井送排式通风系统的短道,如果短道长度过短,易出现回流;如果短道长度过长,污染物浓度在短道内很容易超标。依据通风井送排式通风相关经验,短道长度宜大于50m,查阅相关研究文献,换气横通道间距取100m。

2. 4　 横通道换气风量的确定

横通道内换气风量大小的确定对双洞互补式通风系统有较大影响。 换气横通道将隧道左、右线分为3 段,其中L2、R2短道长度取100m,其余段落根据横通道位置计算结果确定

3　新场隧道双洞互补式通风方案可行性研究

新场隧道为特长公路隧道,一般采用全射流纵向通风方式或通风井送排式纵向通风方式,相关研究明:当隧道上下行通风负荷之比大于1.5时,可以结合上下行通风总量限制考虑采用双洞互补式通风,最为经济实用的隧道长度在4.5~6km;交通量的组成对于需风量计算有较大的影响,尤其是隧道上坡段的大型车的比例,经研究分析大型车混入率为35%~50%的隧道可考虑采用互补式通风。

新场隧道长度约为5.4km,纵坡基本为单向坡,远期上下行通风负荷之比为2.1;交通组成情况也较为特殊,大型车混入率较高,近期大型车混入率为38%,远期为49%。以上数据表明新场隧道远期通风方式适合采用双洞互补式通风方案。

新场隧道远期若采用全射流纵向通风方式,左线需布设24台射流风机,功率为720kW;右线需布设58台射流风机,功率达到1740kW,风机几乎布满右线隧道,对隧道运营与供配电带来极大负担。若采用通风井送排式纵向通风,需新建竖井约300m或斜井1300m,工程规模较大,增加工程投资。而采用双洞互补式通风方案,不仅能降低新场隧道通风系统规模和运营管理费用,还可以提高隧道内行车的舒适性和安全性,具有良好的经济效益和生态效益。通过以上对比分析,新场隧道采用双洞互补式通风方案是可行且合理的。

4　新场隧道双洞互补式通风方案设计

4.1　双洞互补式通风设计参数计算

根据双洞互补式通风理论及需风量计算结果,新场隧道近期可采用全射流纵向通风方案,现主要对隧道远期通风方案进行讨论与设计。由以上校核结果和图4污染物浓度分布示意图可知,采用双洞互补式通风方案后,右线隧道内污染物浓度大幅度降低,同时左线隧道内污染物浓度会明显升高,但是整条隧道内污染物浓度都在限制浓度范围以内。

4.2　通风横通道换气系统设计计算

根据新场隧道平面线形位置,设置通风横通道全长55m,其中风管段长20m,过渡段长10m,风道段长25m。可计算得到风管、过渡段及风道内平均风速,见表7。根据《公路隧道通风设计细则》相关公式及参数,可得出横通道内升压力及轴流风机功率,通过查阅轴流风机相关资料可知,每条横通道内布置1台轴流风机即可。

4.3　新场隧道通风设计方案

新场隧道近期采用全射流纵向通风方式,左、右线各设置1120型可逆射流风机24台;远期采用双洞互补式通风,左、右线各设置1120型可逆射流风机30台。距右线入口4022m处设置2条通风横通道,间距100m,通风横通道内各设置轴流风机1台。

5　结论与建议

本文通过对新场特长公路隧道通风方案的比选及双洞互补式通风设计方案的分析,认为新场隧道采用双洞互补式通风方案是合理、可行的,在保证隧道内通风需求的前提下,取消通风井以及地下风机房等设施的设置,以较小的初期投资和后期运营管理费用,完善通风系统功能,并提高行车舒适性和安全性。同时,采用双洞互补式通风方案后,新场隧道的通风运营模式更加灵活,近期可关闭换气风道,采用全射流纵向式通风,远期当上坡隧道通风困难时开启换气风道,采用双洞互补式通风。因此,当特长隧道的左、右线需风量差异较大时,采用双洞互补式通风方案,可以有效地发挥下坡隧道的通风潜力,利用其富裕的新鲜风,减少通风资源的浪费,通风系统总体规模大幅降低,且运营过程中便于管理、可操作性强、费用低,具有显著的社会经济效益。

但是,双洞互补式通风方案在实际工程中应用较少,还需通过运营实践进一步检验、反馈,从而不断完善双洞互补式通风方案设计。同时,对于双洞互补式通风方案中隧道防灾救援、各运营工况下通风控制等问题还需进一步研究。

参考文献:

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[2]　吕康成,伍毅敏.公路隧道通风设计若干问题探讨[J].

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[4]　王明年,杨其新,曾艳华,等.秦岭终南山特长公路隧道网络通风研究[J].

[5]　苏立勇.青岛胶州湾海底公路隧道通风方案设计[J].

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[7]　宋旭彪.压出式空气幕通风技术在隧道施工中的应用[J].

[8]　张光鹏,雷波,田明力.空气交换法在公路隧道纵向通风中的应用研究[J].

[9]　胡彦杰,邓敏,杨涛.双洞互补式通风在大别山隧道中的应用研究[J].交

[10]　魏英杰.两河口隧道互补式通风方案研究[D].成都:

[11]　夏丰勇.特长公路隧道双洞互补式通风数值模拟研究[D].

[12]　夏丰勇,王亚琼,谢永利.公路隧道双洞互补式通风的设计方法与试验[J].

[13]　夏丰勇,谢永利,王亚琼,等.特长公路隧道互补式通风模式[J].

[14]　王亚琼,蒋学猛,武义凯,等.公路隧道双洞互补式通风适用性分析[J].

作者：姜同虎 沈洪波 汪光裕 单位：安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司 公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心