任 衛(wèi) 英

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院，山西 太原 030012)

0 引言

連接阿勒泰與布爾津縣的道路G217線為二級公路，隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，該道路的交通量增長迅速，已無法滿足其服務(wù)功能，甚至成為了阻礙新絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶北通道建設(shè)的瓶頸。本項目位于絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶的核心區(qū)域，項目的建設(shè)將極大促進(jìn)絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶的發(fā)展和民生的建設(shè)，同時也將極大的推動區(qū)域旅游及礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用，是貫徹實施西部大開發(fā)戰(zhàn)略的舉措，是滿足日益增長的交通需求。本文將對鹽池達(dá)板隧道的通風(fēng)方案進(jìn)行比選確定。

1 工程概況

鹽池達(dá)板隧道左線隧道長度為3 064 m，采用坡度為+0.65(1 574 m),-0.6(1 490 m)的人字坡；右線隧道長度為3 063 m，采用坡度為+0.6(1 487 m),-0.6(1 576 m)的人字坡。

根據(jù)JTG/T D70/2—02—2014公路隧道通風(fēng)設(shè)計細(xì)則[1]規(guī)定，單向交通隧道，當(dāng)符合L×N≥2×106時可設(shè)置機(jī)械通風(fēng)(其中,L為隧道長度;N為設(shè)計小時交通量)；同時，根據(jù)《細(xì)則》第10.1條：長度L>1 000 m的高速公路隧道應(yīng)設(shè)置火災(zāi)機(jī)械防煙與排煙系統(tǒng)。通過計算確定鹽池達(dá)板隧道需設(shè)置機(jī)械通風(fēng)。細(xì)則中指出：采用縱向通風(fēng)方式時，單向交通且長度L≤5 000 m，可采用全射流縱向通風(fēng)方案，最終確定鹽池達(dá)板隧道采用全射流縱向通風(fēng)方案。

2 運營通風(fēng)系統(tǒng)基礎(chǔ)參數(shù)

2.1 隧道通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)

2.1.1 隧道內(nèi)CO的設(shè)計濃度δCO

依據(jù)《細(xì)則》5.3.1選取鹽池達(dá)板隧道正常交通情況下CO設(shè)計濃度δCO=100 cm3/m3，交通阻滯工況下隧道內(nèi)CO的設(shè)計濃度δCO=150 cm3/m3。

2.1.2 煙塵設(shè)計濃度K

選用LED燈作為隧道照明方式，本文煙塵設(shè)計濃度隧道煙塵允許濃度，如表1所示[1]。

表1 煙塵設(shè)計濃度K

2.1.3 機(jī)動車基準(zhǔn)排放量取值

以2000年為起點,機(jī)動車有害氣體基準(zhǔn)排放量按每年2.0%的遞減率計算至設(shè)計目標(biāo)年份獲得的排放量為隧道通風(fēng)設(shè)計的目標(biāo)年份的基準(zhǔn)排放量，最大折減年限為30年，計算出近、遠(yuǎn)期年份的有害氣體基準(zhǔn)排放量。本次計算以2030年為近期，2040年為遠(yuǎn)期，因此近、遠(yuǎn)期的基準(zhǔn)排放量相同：正常交通與交通阻滯工況時，煙塵的基準(zhǔn)排放量為1.091 [m2/(veh·km)]；正常交通時CO的基準(zhǔn)排放量為0.003 8[m2/(veh·km)]，阻滯工況下CO的基準(zhǔn)排放量為0.008 2 [m2/(veh·km)]。

2.1.4 換氣要求

JTG/T D70/2—02—2014公路隧道通風(fēng)設(shè)計細(xì)則第5.4條規(guī)定：隧道空間不間斷換氣頻率，不應(yīng)低于每小時3次；采用縱向通風(fēng)的隧道，換氣風(fēng)速不應(yīng)低于1.5 m/s。

2.1.5 火災(zāi)工況

《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細(xì)則》第10.1條規(guī)定：長度L>1 000 m的高速公路隧道應(yīng)設(shè)置火災(zāi)機(jī)械防煙與排煙系統(tǒng)。查10.2條隧道排煙風(fēng)速2 m/s～3 m/s，本隧道鹽池達(dá)板隧道取隧道火災(zāi)臨界風(fēng)速為2.5 m/s，公路隧道的火災(zāi)排煙設(shè)計應(yīng)考慮火風(fēng)壓的影響。

2.2 技術(shù)參數(shù)

1)道路等級：高速公路，雙洞隧道，每洞兩車道單向行駛。

2)通風(fēng)計算行車速度：

鹽池達(dá)板隧道內(nèi)的設(shè)計車速為120 km/h。隧道內(nèi)車輛正常行車速度下限取V=40 km/h；阻滯情況下阻滯段外行車速度分別取40 km/h和30 km/h。

3)隧道摩阻系數(shù)：λ=0.02。

4)自然風(fēng)速：vn=2.5 m/s。

5)隧道凈空斷面積：Ar=88.85 m2。

6)斷面周長：Cr=39.84 m。

7)斷面當(dāng)量直徑：Dr=8.92 m。

8)大型車混入率：近期r1=38.65%，遠(yuǎn)期r1=39.17%。

9)隧道夏季的設(shè)計氣溫，取25 ℃。

2.3 交通量參數(shù)

本隧道預(yù)測交通量見表2，車型折算系數(shù)如表3所示，隧道汽柴比如表4所示，車型分布情況如表5所示，交通量方向不均衡分布系數(shù)D的標(biāo)準(zhǔn)值取0.6，高峰小時交通量占年平均日交通量的9.5%。按照汽車車型折算系數(shù)和汽柴油車比例，將其換算成實際交通量。

表2 隧道混合交通量 veh/h

表3 車型折算系數(shù)

表4 汽柴比

表5 車型分布情況 %

3 隧道需風(fēng)量計算

公路隧道通風(fēng)主要考慮對煙塵、一氧化碳及空氣中的異味進(jìn)行稀釋，同時針對正常運營工況、火災(zāi)及交通阻滯等異常工況進(jìn)行全面考慮[2]。

3.1 稀釋CO的需風(fēng)量[1]

隧道內(nèi)CO排風(fēng)量計算公式如下：

其中，QCO為隧道CO排放量；qCO為設(shè)計目標(biāo)年份的CO基準(zhǔn)排放量；fa為車況系數(shù)；fd為車密度系數(shù)；fh為海拔高度系數(shù)；fm為車型系數(shù)；fiv為縱坡—車速系數(shù)；n為車型類別數(shù)；Nm為相應(yīng)車型的交通量。

稀釋CO的需風(fēng)量計算公式如下：

其中，Qreq(CO)為隧道稀釋CO的需風(fēng)量；δ為CO濃度；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，取101.325 kN/m2；P為隧址大氣壓；T0為標(biāo)準(zhǔn)氣溫，取273 K；T為隧址夏季氣溫。

3.2 稀釋煙塵的需風(fēng)量[1]

隧道內(nèi)煙霧排放量的計算公式如下：

其中，QVI為隧道煙塵排放量；qVI為設(shè)計目標(biāo)年份的煙塵基準(zhǔn)排放量;fa(VI)為考慮煙塵的車況系數(shù);fd為車密度系數(shù);fh(VI)為考慮煙塵的海拔高度系數(shù);fiv(VI)為考慮煙塵的縱坡—車速系數(shù);fm(VI)為考慮煙塵的柴油車車型系數(shù);nD為柴油車車型類別數(shù);Nm為相應(yīng)車型的交通量。

稀釋煙塵的需風(fēng)量計算公式如下所示：

3.3 換氣工況的需風(fēng)量

隧道內(nèi)稀釋空氣中異味的需風(fēng)量Qreq(ac)由隧道長度L、隧道內(nèi)輪廓斷面面積Ar及換氣頻率共同確定，公式如下：

由于鹽池達(dá)板隧道采用縱向通風(fēng)方式，因此還需滿足換氣風(fēng)速vac>1.5 m/s的規(guī)定，此要求下?lián)Q氣工況的需風(fēng)量需同時滿足：

Qreq(ac)=vac×Ar。

3.4 火災(zāi)工況的需風(fēng)量

隧道內(nèi)火災(zāi)工況下的排煙需風(fēng)量Qreq(f)由臨界風(fēng)速vc和隧道內(nèi)輪廓斷面面積Ar確定，公式如下，經(jīng)計算得出鹽池達(dá)板隧道左、右洞火災(zāi)工況下的需風(fēng)量均為251.44 m3/s。

Qreq(f)=vc×Ar。

3.5 左、右洞需風(fēng)量計算結(jié)果

獨立隧道需風(fēng)量計算時，按照行車速度以下每10 km/h一檔，分別計算稀釋煙塵的需風(fēng)量、稀釋CO的需風(fēng)量、稀釋空氣中異味的需風(fēng)量和火災(zāi)工況時的需風(fēng)量，取其最大值作為隧道最終實際需風(fēng)量。鹽池達(dá)板隧道左、右洞各工況下的需風(fēng)量計算結(jié)果如表6～表9所示。

表6 鹽池達(dá)板隧道右洞各工況下需風(fēng)量計算結(jié)果 m3/s

表7 鹽池達(dá)板隧道左洞各工況下需風(fēng)量計算結(jié)果 m3/s

表8 鹽池達(dá)板隧道右洞需風(fēng)量 m3/s

表9 鹽池達(dá)板隧道左洞需風(fēng)量 m3/s

4 隧道通風(fēng)設(shè)計方案選擇原則

1)在確定鹽池達(dá)板隧道通風(fēng)方案時，有兩方面的注意事項：第一，盡可能對通風(fēng)設(shè)備的初投資和通風(fēng)主體工程造價的控制；第二，后期運營成本的降低；

2)為了避免過大投入一次設(shè)備費用，造成閑置的設(shè)備，在研究進(jìn)行通風(fēng)方案時，除了一次完成土建工程外，需分期購置和安裝其余通風(fēng)設(shè)備；

3)鹽池達(dá)板隧道通風(fēng)方案設(shè)計不僅需要滿足交通運營的通風(fēng)，而且須滿足火災(zāi)工況時的通風(fēng)需求，這兩種不同的通風(fēng)工況。

5 射流風(fēng)機(jī)方案

全射流縱向通風(fēng)的隧道射流風(fēng)機(jī)除在正常情況下滿足通風(fēng)需求外，在隧道阻塞、交通事故、火災(zāi)事故等工況下還起著調(diào)節(jié)風(fēng)速、防災(zāi)救援等作用。

鹽池達(dá)板隧道需風(fēng)量計算按照稀釋煙塵的需風(fēng)量、稀釋CO的需風(fēng)量、稀釋空氣中異味的需風(fēng)量和火災(zāi)工況時的需風(fēng)量分別計算后取最大值作為隧道最終實際需風(fēng)量，左右線各風(fēng)機(jī)需要量見表10，表11。

表10 鹽池達(dá)板右線隧道風(fēng)機(jī)需求量 臺

表11 鹽池達(dá)板左線隧道風(fēng)機(jī)需求量 臺

經(jīng)過計算，綜合考慮隧道坡度與運營速度的關(guān)系，可知本項目鹽池達(dá)板隧道射流風(fēng)機(jī)配置情況，通過統(tǒng)計可知本項目鹽池達(dá)板隧道近遠(yuǎn)期實際最大風(fēng)機(jī)需求數(shù)量如表12所示。

表12 鹽池達(dá)板隧道最大風(fēng)機(jī)需求數(shù)量 臺

依據(jù)規(guī)范，在隧道最終風(fēng)機(jī)配置時考慮一定的備用風(fēng)機(jī)。正常運營工況下風(fēng)機(jī)長期開啟，火災(zāi)工況下需要一定的冗余度，因此計算時需考慮正常工況和火災(zāi)工況下備用風(fēng)機(jī)數(shù)量。計算時若正常工況和火災(zāi)所需射流風(fēng)機(jī)臺數(shù)在1組～6組間，盡量備用一組，阻滯工況由于發(fā)生概率低且危害程度較小，出于節(jié)能考慮不再考慮備份；計算所需射流風(fēng)機(jī)臺數(shù)大于6組時，可考慮所需臺數(shù)15%的備用量。同時，左、右洞內(nèi)各預(yù)留埋兩組射流風(fēng)機(jī)。

經(jīng)過詳細(xì)對比和布置，可知本項目鹽池達(dá)板隧道近、遠(yuǎn)期風(fēng)機(jī)最大配置數(shù)量如表13所示。

表13 鹽池達(dá)板隧道最終風(fēng)機(jī)配置數(shù)量 臺

6 風(fēng)機(jī)控制

6.1 通風(fēng)控制方法

鹽池達(dá)板隧道通風(fēng)控制采用自動和聯(lián)動相結(jié)合，具體控制模式采用前饋反饋相結(jié)合的復(fù)合控制法。也就是按照車流量這一造成隧道內(nèi)污染物濃度變化的主要干擾作為前饋輸入信號的前饋控制系統(tǒng)，和依據(jù)污染物濃度偏差進(jìn)行控制的反饋控制系統(tǒng)共同構(gòu)成的前饋—反饋復(fù)合式控制系統(tǒng)。解決了一般的反饋系統(tǒng)由于在被控對象受到干擾后，出現(xiàn)偏差時，控制器才能發(fā)出控制指令，造成控制不及時的問題。

6.2 通風(fēng)控制原則

1)鹽池達(dá)板隧道內(nèi)某一個通風(fēng)點的CO或VI值含量達(dá)到了設(shè)定的風(fēng)機(jī)啟動值，則首先啟動距離此檢測器最近的風(fēng)機(jī)。其次，優(yōu)先啟動運行時間累計最短的風(fēng)機(jī)，這樣可以平衡各個風(fēng)機(jī)的疲勞程度，從而延長風(fēng)機(jī)的使用壽命。此外，為了避免風(fēng)機(jī)啟動瞬間過大的沖擊電流對電網(wǎng)造成沖擊，每臺風(fēng)機(jī)還具備啟動短暫的延時的設(shè)置。

2)如果其中一條隧道因為事故暫時禁止通行，另外一條隧道需要改為雙向行車通道時，會極大地增加交通量。此時，即使風(fēng)機(jī)全部啟動環(huán)境指標(biāo)依然可能無法達(dá)到正常值，這時可以與洞口車道燈配合，利用信號燈的開、閉控制同一時刻進(jìn)入隧道內(nèi)的車輛數(shù)量，從而保證隧道內(nèi)正常的環(huán)境指標(biāo)。

3)在正常運行狀態(tài)下，風(fēng)機(jī)吹風(fēng)方向為沿著行車方向的正向吹風(fēng)；當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時或雙向行駛隧道逆向交通量多于正向交通量時，隧道內(nèi)風(fēng)機(jī)應(yīng)反向吹風(fēng)。如果出現(xiàn)需要逆向吹風(fēng)的情況時，應(yīng)該先停機(jī)然后再啟動反向運轉(zhuǎn)。

4)隧道發(fā)生火災(zāi)時的通風(fēng)控制，需要滿足排煙滅火的要求。在火災(zāi)工況下的緊急通風(fēng)控制預(yù)案，需要按照預(yù)先制定的防火救災(zāi)預(yù)案嚴(yán)格執(zhí)行。

7 節(jié)能措施

為深入貫徹“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”五大發(fā)展理念，建設(shè)綠色公路，踐行綠色發(fā)展，鹽池達(dá)板隧道的通風(fēng)系統(tǒng)提出了以下新型的節(jié)能措施：

1)采用智能通風(fēng)控制系統(tǒng)，降低設(shè)備啟動能耗，延長風(fēng)機(jī)壽命、降低噪聲；

2)利用靜電集塵裝置對隧道內(nèi)污染空氣進(jìn)行凈化，既有利于環(huán)保，又可有效降低通風(fēng)量，減少風(fēng)機(jī)布置；

3)選用節(jié)能設(shè)備，優(yōu)化用能工藝，使用節(jié)能型、效率高、噪聲低的射流通風(fēng)機(jī)；

4)機(jī)械通風(fēng)的隧道采取全縱向射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)方式。隧道內(nèi)風(fēng)量通過風(fēng)機(jī)臺數(shù)控制，能在0%～100%的額定風(fēng)量范圍內(nèi)有級調(diào)節(jié)，實現(xiàn)減小能耗的目的。

8 結(jié)語

對新疆鹽池達(dá)板隧道進(jìn)行運營通風(fēng)和火災(zāi)通風(fēng)方案的確定，提出了有效的風(fēng)機(jī)控制方法和不同狀況下應(yīng)采取的控制措施，并且結(jié)合了最先進(jìn)、最有效的節(jié)能措施，達(dá)到了高效、節(jié)能、環(huán)保的目標(biāo)。