HJCE  >> Vol. 8 No. 3 (May 2019)

    登楼山隧道通风方案比选研究
    Study on Comparison and Selection of Ventilation Schemes for Dengloushan Tunnel

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作者:  

路晓光:重庆市地质矿产勘查开发局川东南地质大队,重庆;
王庆林:云南建投博昕工程建设中心试验有限公司,云南 昆明;
吴银亮:中交第二公路勘察设计研究院有限公司,湖北 武汉

关键词:
登楼山隧道通风方案需风量竖井斜井Dengloushan Tunnel Ventilation Scheme Air Volume Required Shaft Inclined Well

摘要:

为了探究G8012弥勒至楚雄高速公路工程弥勒至玉溪段登楼山隧道的通风方案,本文通过对登楼山隧道需风量的计算,考虑左右洞近、远期规划,结合隧道通风实际施工条件及目前国内通用的处理方法,提出了“三斜井左线两段、右线分三段纵向通风”和“三竖井左线两段、右线分三段纵向通风”两种通风方案,并进行比选研究。对比结果表明:三竖井方案通风井长度在500 m以下,三斜井方案在1500 m左右,三斜井通风阻力较大,导致风机装机功率增大1654 kW,增长比率15.3%,运营能耗和土建工程量增加,不宜采用。推荐“三斜井左线两段、右线分三段纵向通风”作为该隧道的通风方式,并选用1250型大推力射流风机进行补充增压。

In order to explore the ventilation scheme of the G8012 Mile-Chuxiong highway project from the Mile to Yuxi section of the Dengloushan tunnel, based on the calculation of the required air volume of the Dengloushan tunnel, considering the near and long-term planning of the left and right tunnels and adding to the practical construction conditions, the paper proposes two ventilation schemes that are “two segments in the left line of three-inclined well, three segments with longitudinal ventilation of the right line” and the “two segments in the left line of three-shaft, three segments with longitudinal ventilation of the right line”. The comparison results show that: three-shaft well’s ventilation shaft length is below 500 m, the three-inclined shaft scheme is about 1500 m, and the ventilation resistance of the three-inclined well is large, resulting in the fan installed power increasing 1654 kW, the growth ratio is 15.3%, and the operation energy consumption and the civil engineering quantity increase, which is not suitable. It is recommended the “two segments in the left line of three-inclined well, three segments with longitudinal ventilation of the right line” as the ventilation scheme of the tunnel, and the 1250 type large thrust jet fan should be selected to replenish the pressurization.

1. 引言

目前,公路隧道的通风方式主要有全横向式、半横向式、纵向式三种以及三种的组合形式 [1] [2] [3] 。每种通风方案既有优点,又各有不足之处。比如采用全横向和半横向式通风,隧道内较为干净,空气质量好,可以起到很好的防风排烟效果,行车较为舒适,事故率降低,但是工程造价以及后期通风营运花费较大。纵向通风所花费的设备费用较低,建设工程量相对较小,后期运营开支节省,通风样式灵活,但洞内的环境状况和行车舒适性稍差 [4] 。

近30年来,纵向式通风方式得到广泛的应用,其工程适用性显著提高,任何公路隧道均可应用。国内隧道的通风方式也大多采用分段送排式竖向式,从全横向式和半横向式逐渐过渡 [5] [6] 。

登楼山隧道地处云南高原山区内,隧道通过轴线最高海拔2331.4 m,最低海拔1383.1 m,相对最大高差948.3 m。高海拔地区空气密度低,隧道内通风质量不佳,易造成行车舒适感降低,交通事故频发 [7] 。此外,登楼山隧道左线和右线均有距离超过10 km纵坡为+1.9%的路段,在长距离的大纵坡隧道内行驶,车辆长时间处于爬坡状态,车速较低,易产生大量的有害气体,保证充足的通风量对行车安全尤为重要。根据通风计算、道路通行量及施工组织设计,并结合隧址区地质地形条件,合理确定斜竖井数量、位置、长度和纵坡是通风方案确定的主要内容 [8] 。

本文将综合考虑各方面因素,提出两种通风方案并进行比选研究,最终推荐最优设计方案,为登楼山隧道的后期施工提供参考。

2. 登楼山隧道概况

登楼山隧道为分幅隧道,隧道进口采用削竹式,出口采用端墙式,进出口段纵坡均较陡。隧址区主要以中风化白云岩、中风化粉砂岩、中风化泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、中风化石灰岩,隧道工程地质与水文地质条件复杂。登楼山隧道主要设计参数如表1所示。

Table 1. Main design parameters of Dengloushan tunnel

表1. 登楼山隧道主要设计参数表

3. 登楼山隧道通风方案及比选

3.1. 隧道需风量的计算

根据《道路隧道设计规范》(DG/TJ 08-2033-2008)有关规定,一级公路隧道通风设计分期可按10年为界划分。据此取登楼山隧道近期设计特征年为2030年,远期设计特征年为2040年。

在进行隧道需风量计算时,按照行车速度以下每10 km/h一档分别计算稀释一氧化碳(CO)和烟雾(VI)所需风量 [9] [10] 。同时考虑阻滞状态需风量、稀释空气异味的需风量、火灾工况下需风量,取其最大者作为设计需风量。隧道需风量计算结果如表2所示。

Table 2. Calculation results of required air volume under different working conditions of Dengloushan tunnel

表2. 登楼山隧道各工况下的需风量计算结果

根据需风量计算结果,登楼山隧道左洞通风系统近、远期控制工况为换气;右洞近期控制工况为换气,远期为稀释烟雾。

3.2. 登楼山隧道通风方案及比选

3.2.1. 方案一:三斜井,左线两段,右线分三段纵向通风

根据表1登楼山隧道需风量的计算结果,右线远期稀释烟雾的需风量达到1377.42 m3/s,左线换气需风量达到889.76 m3/s,左线换气量较右线需风量小,同时考虑到特长隧道排烟分区长度不宜超过5 km。故设置两处通风井,采用左线分两段、右线分三段纵向通风方案,可有效降低通风风速,降低运营能耗,同时兼顾了排烟分区要求。

1) 通风分段划分

隧道通风区段划分取决于洞内斜井与主洞交点桩号,结合地质条件选取两处通风井。方案一隧道斜井与主洞交点桩号及斜井长度如图1所示。

Figure 1. Schematic diagram of three inclined well ventilation scheme

图1. 三斜井通风方案示意图

登楼山隧道为单坡隧道,需风量与隧道长度线性相关。根据左右线各分段的计算需风量,可以进行各分段风量设计,各分段的需风量应稍高于计算需风量,同时为避免送排风口之间产生短道回流,需设计一定量的短道风量,根据类似工程经验,初步选取短道风量100 m3/s。由此可得到左右线各分段近期和远期通风量,详细布置情况如图2图3所示。

Figure 2. Long-term air volume layout of three inclined well

图2. 三斜井远期风量布置图

Figure 3. Recent air volume layout of the three inclined well

图3. 三斜井近期风量布置图

1#斜井排风道及2#斜井的排风道需要兼顾火灾工况下的排烟需求,排烟量需大于300 m3/s。由于并联设置的轴流风机性能参数和型号应一致,为兼顾运营通风和火灾排烟,需增设一台同型号轴流风机用于火灾排烟。即1#斜井排风道设置3台排风量为130 m3/s的轴流风机,正常运营开启2台,设计风量260 m3/s,火灾工况开启3台,排烟量390 m3/s;2#斜井排风道设置2台排风量为160 m3/s的轴流风机,正常运营开启1台,设计风量160 m3/s,火灾工况开启2台,排烟量320 m3/s。远期风量及排烟量布置情况如图4所示。

Figure 4. Long-term air volume and smoke exhaust layout of three inclined well

图4. 三斜井远期风量及排烟量布置图

2) 通风井断面设置

以远期设计需风量和排烟量作为通风井断面计算的控制指标。通风井的设计风速宜取13 m/s~20 m/s,考虑到本项目通风井长度较长,为减小风机配置电机功率,降低运营费用,通风井断面拟定时取较小的洞内风速15 m/s左右。送风联络通道风速13 m/s以下,送风口风速取30 m/s以下,排风口风速取8 m/s以下,排风联络道风速取13 m/s以下,排烟道设计风速15 m/s,排烟口设计风速10 m/s。拟定的斜井各断面面积如表3所示。

Table 3. Each section’s area of three inclined well ventilation scheme

表3. 三斜井通风方案各断面面积

3) 通风计算

a) 送排风压力

送排风口升压力按式(1)、(2)计算,

排风口升压力: Δ P e = 2 × Q e Q r 1 ( 2 V e V r 1 cos α Q e Q r 1 ) ρ 2 V r 1 2 (1)

送风口升压力: Δ P b = 2 × Q b Q r 2 [ ( ( V b cos β V r 2 2 ) + Q b Q r 2 ) ] ρ 2 V r 2 2 (2)

式中:

Δ P e ——排风口升压力(N/m2);

Δ P b ——送风口升压力(N/m2);

Q r 1 ——第I区段设计风量(m3/s);

V r 1 ——第I区段设计风速, V r 1 = Q r 1 A r

Q r 2 ——第II区段设计风量(m3/s);

V r 2 ——第II区段设计风速;

Q e ——排风量(m3/s);

V e ——与Qe相应的排风口风速;

α ——排风口喷流方向与隧道方向夹角,本项目排风口夹角为90˚;

β ——送风口喷流方向与隧道方向夹角,本项目送风口夹角为0˚。

b) 气流浓度设计判定

隧道气流浓度C可用需风量与设计风量之比表示,竖井底部浓度按式(3)计算:

C 2 = Q r e q 1 Q r 1 (3)

分段末端浓度C3按式(4)计算:

C 3 = Q r e q 2 Q r 1 Q e Q r e q 1 + Q e Q r e q 1 Q r 1 + Q b (4)

排风口与送风口之间的短道不得产生回流,应满足下列条件:

Q e Q r 1 1.0

c) 设计浓度应满足下列条件

0.9 C 2 1.0

0.9 C 3 1.0

d) 所需压力设计判定

隧道内所需压力△P按式(5)计算:

Δ P = Δ P r Δ P t + Δ P m = ( Δ P r I + Δ P r II ) ( Δ P t I + Δ P t II ) + Δ P m (5)

式中:

Δ P ——隧道内所需压力增量N/m2

Δ P r ——隧道内沿程磨阻损失N/m2;对于I段,没有隧道出口流体压力损失,对于II段,没有隧道入口流体压力损失,但均应考虑竖井分叉损失,按照规范取值;

Δ P t ——汽车交通活塞作用升压力N/m2

Δ P m ——自然风阻抗力N/m2

ζ入口 = 0.5;ζ分歧 = 0.28;ζ出口 = 1;ζ合流 = 0.7。

e) 计算结果

通风井断面、轴流风机的装机规模均由远期风量控制。采用静叶可调轴流风机,近期通过调整风机运行工况,满足近期设计通风需求。本项目隧道通风阻力较大,需设置射流风机进行补充增压,隧道断面较大可选用1250型的大推力射流风机。计算汽车交通力时,考虑不利情况,偏于安全,计算车速取50 km/h。三斜井方案通风系统规模如表4所示。

Table 4. Ventilation system scale of three inclined well scheme

表4. 三斜井方案通风系统规模

3.2.2. 方案二:三竖井,左线两段,右线分三段纵向通风

根据初步设计的斜井方案,每处斜井长度均在1.5 km左右,风道内压力损失过大。为减小风道内压力损失,方案二提出“三竖井左线两段,右线分三段纵向通风”进行同深度比选,隧道竖井与主洞交点桩号及竖井长度如图5所示。

Figure 5. Schematic diagram of three shaft ventilation scheme

图5. 三竖井通风方案示意图

登楼山隧道为单坡隧道,需风量与隧道长度线性相关。在方案一“三竖井左线两段,右线分三段纵向通风”思路的基础上,结合竖井通风量的计算方法,可得到“三竖井左线两段,右线分三段纵向通风”方案,远期和近期通风量的详细布置情况如图6图7所示。

Figure 6. Long-term air volume layout of three shaft

图6. 三竖井远期风量布置图

Figure 7. Recent air volume layout of the three shaft

图7. 三竖井近期风量布置图

1#竖井排风道及3#竖井的排风道需要兼顾火灾工况下的排烟需求,排烟量需大于300 m3/s。由于并联设置的轴流风机性能参数和型号应一致,为兼顾运营通风和火灾排烟,需增设一台同型号轴流风机用于火灾排烟。即1#竖井排风道设置3台排风量为120 m3/s的轴流风机,正常运营开启2台,设计风量240 m3/s,火灾工况开启3台,排烟量360 m3/s;3#竖井排风道设置2台排风量为170 m3/s的轴流风机,正常运营开启1台,设计风量170 m3/s,火灾工况开启2台,排烟量340 m3/s。远期风量及排烟量布置情况如图8所示。

Figure 8. Long-term air volume and smoke exhaust layout of the three shaft

图8. 三竖井远期风量及排烟量布置图

1) 通风井断面设置

以远期设计需风量和排烟量作为通风井断面计算的控制指标。通风井的设计风速宜取13 m/s~20 m/s,考虑到本项目通风井长度较长,为减小风机配置电机功率,降低运营费用,通风井断面拟定时取较小的洞内风速15 m/s左右。送风联络通道风速13 m/s以下,送风口风速取30 m/s以下,排风口风速取8m/s以下,排风联络道风速取13 m/s以下,排烟道设计风速15 m/s,排烟口设计风速10 m/s。拟定的竖井断面面积如表5所示。

Table 5. Each section’s area of three shaft ventilation scheme

表5. 三竖井通风方案各断面面积

2) 通风计算

在本项目中,方案二和方案一对于风机的规格和交通力计算时计算车速的选取都是相同的,三竖井方案通风系统规模概况如表6所示。

Table 6. Ventilation system scale of three shaft solution

表6. 三竖井方案通风系统规模

3.2.3. 方案比选

方案一和方案二的比选情况如表7所示。

Table 7. Comparison and selection of ventilation schemes for Dengloushan tunnel

表7. 登楼山隧道通风方案比选

由于竖井方案长度在500 m以下,斜井方案风井长度在1500 m左右。斜井通风距离较长,通风阻力较大,导致风机装机功率相比竖井增大1654 kW,增长比率15.3%,运营能耗增加。竖井利用烟囱效应,降低轴流风机功率,从而降低通风运营费用 [3] 。此外,在高海拔地区采用三竖井通风方案有利于提高通风效率,减小单个竖井的面积,降低土建工程量和施工难度,还有较多的工程实例可供参考,大大节约技术成本和工程成本。所以,推荐方案二“三竖井左线两段,右线分三段纵向通风”。

4. 结论

1) 根据计算,登楼山隧道左洞通风系统近期和远期控制需风量为889.76 m3/s,控制工况主要为换气。右洞近期控制需风量为883.28 m3/s,控制工况主要为换气,远期控制需风量为1377.42 m3/s,控制工况主要为稀释烟雾。

2) 登楼山隧道通风阻力较大,通风系统需设置射流风机进行补充增压,隧道断面较大可选用1250型的大推力射流风机。考虑不利情况,选取车速50 km/h进行交通力计算。

3) 三竖井方案通风井长度在500 m以下,三斜井方案通风井长度在1500 m左右。相比于三竖井,三斜井通风距离较长,通风阻力较大,风机装机功率增大1654 kW,增长比率15.3%,运营能耗增加,土建工程量增多,不宜采用。所以,本项目通风方案推荐“三竖井左线两段,右线分三段纵向通风”。

NOTES

*第一作者。

#通讯作者。

文章引用:
路晓光, 王庆林, 吴银亮. 登楼山隧道通风方案比选研究[J]. 土木工程, 2019, 8(3): 772-783. https://doi.org/10.12677/HJCE.2019.83090

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