徐超
（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030012）
随着我国西部大开发的推进和现代公路交通体系的升级，交通基础设施从东部向中西部延伸，隧线比不断增加，导致特长公路隧道的规模和数量日益增加，其“长、大、深”特点日趋显现。在特长公路隧道建设中面临的主要难题有：隧道地形地质条件复杂，不良地质种类多，地质勘查难度大；
通风要求高，工期影响大；
工程运营环境特殊，防灾救援难度大等。其中，运营通风、逃生救灾为影响特长隧道设计的关键性问题。因此，有必要以代表性工程为例，对特长公路隧道通风设计中的相关问题进行深入研究。
昔阳（晋冀界）至榆次高速公路太行山隧道左线隧道长度为14175m，单坡-1.9%；
右线隧道长度为14180m，单坡+1.9%。该隧道横跨两省，其中河北境内约4km，山西境内约10km。
太行山隧道近东西向展布，穿越太行山北段，隧道进口位于河北省赞皇县王家坪村西侧500m处，属嶂石岩风景保护区的实验区，隧道出口位于昔阳县茶叶洼村南侧700m处。隧道为左右分离式，两洞内侧边墙最大间距为35m，属特长隧道，隧道总体走向呈265°。
隧道河北侧洞口位于嶂石岩风景保护区试验区，因此本项目通风斜井井口位置选择时应避让嶂石岩风景保护区核心区和缓冲区，应设置在实验区或者完全避让保护区。
2.1 设计原则
（1）综合考虑建设投资与运营费用。
（2）近期工程与远期工程相结合。
（3）设计中综合考虑隧道运营和防灾救援。
（4）充分考虑设备的技术先进性，运行可靠性和节能性，以便减少工程运行费用。
（5）注重隧道通风工程对洞口周边环境的影响，使之满足环境保护的要求。
2.2 设计标准及参数
（1）隧道通风设计行车速度：100km/h。
（2）内轮廓：断面面积为67.31m2，周长为32.06m，当量直径为8.4m。
（3）隧道夏季设计气温：298K（25℃）。
（4）隧道建筑限界：净宽10.25m；
净高5m。
（5）设计交通量及行车方式：高峰小时交通量系数为0.12/0.115；
方向不均匀系数为0.48/0.52。近期交通量预测（2035年）：52368pcu/d，远期交通量预测（2045年）：53647pcu/d，车型比例以汽车为主。
（6）通风卫生标准
①隧道CO允许浓度。
正常运营时，CO设计浓度δ取100cm3/m3。
交通阻滞（隧道内平均车速为20～10km/h）时，阻滞段的平均CO设计浓度δ取150cm3/m3，经历时间不超过20min。阻滞段的计算长度不宜大于1km。
隧道内养护维修时，隧道作业段空气的CO允许浓度不应大于30cm3/m3。
②隧道烟尘允许浓度。隧道照明系统采用LED光源，计算车速≥90km/h，烟尘设计浓度K取0.005m-1。
③隧道稀释异味指标。舒适性指标主要为换气频率，本次计算隧道换气频率采用3次/h。
④防灾与救援指标。
临界风速根据火灾时可燃物质的热释放率计算确定，本次设计太行山隧道按50MW火灾释热量进行计算，火灾时临界风速取4.5m/s。
2.3 隧道通风方式
隧道通风方案应根据交通、地形、地貌、地质条件、防火救灾、环保、工程造价、维护和运营管理水平以及费用等因素做出全面比较和考虑。公路隧道机械通风方式可分为纵向式、半横向式、全横向式以及在这3种基本方式基础上的组合通风方式。
半横向式和全横向式通风方式具有风速小、噪声小、行车环境舒适、排烟方便灵活等优点，但不能充分利用汽车活塞风，隧道断面增大，造价昂贵，不易分期实施，管理与维护难度大，其主要用于单洞双向行车隧道，因此本次设计主要考虑纵向式通风。
纵向式通风可分为全射流通风、竖（斜）井集中送风、竖（斜）井集中排风、竖（斜）井送排式通风以及这几种方式的相互组合等若干通风方式。参考《公路隧道通风设计细则》（JTG/T D70/2—02—2014），长度L＞1000m的高速公路和一级公路隧道应设置火灾机械防烟与排烟系统。太行山隧道右线采用三井送排型+射流风机分段纵向式通风，左线采用单井送排型+射流风机分段纵向式通风方案。
2.4 隧道需风量计算
2.4.1 需风量设计参数
需风量设计参数如表1所示。
表1 需风量设计参数
2.4.2 设计需风量及通风计算结果
对计算行车速度及以下各工况车速按10km/h为一档并考虑交通阻塞状态分别计算稀释CO需风量和稀释烟尘浓度需风量，还应满足隧道空间不间断换气频率3次/h且隧道内换气风速不应低于1.5m/s；
此外隧道通风还应满足隧道在火灾时排烟、救援通风要求。综合上述通风需求，取其较大者作为设计需风量，太行山隧道需风量计算结果如表2所示。
结合表2可知：太行山隧道左线近、远期需风量均由40km/h时速下稀释CO浓度控制；
隧道右线近、远期需风量均由100km/h稀释烟雾浓度控制。
表2 隧道全长需风量计算结果 单位：m3/s
太行山隧道左线近期控制需风量对应最大风速为12.9m/s，远期控制需风量对应最大风速为13.4m/s，隧道右线近期控制需风量对应最大风速为24.9m/s，远期控制需风量对应最大风速为23.8m/s。
大型号的射流风机比小型号有更大的推力效率，同时本项目隧道建筑限界至拱顶的空间为2.2m，较为充裕，适合f1120mm型（最大外部尺寸为1.31m）射流风机的安装，所以本项目设计选用推力效率高、单机功率30kW的f1120mm型射流风机作为计算样本。
3.1 方案介绍
结合通风计算结果，确定隧道通风分段方案，爬坡方向采用三井分两段通风方案或二井分三段通风方案，下坡方向隧道采用一井分二段通风方案。本设计中从地形地质条件、通风需求、施工进度及工程造价等方面综合考虑，提出了3个方案。
（1）方案一
本方案设1#（-K0+400）、2#（K3+100）、3#（K6+600）3座通风斜井和ZK3+200处1座通风竖井，总计“三斜一竖”4座通风井。
左、右线均采用分段轴流风机送排风+射流风机通风。右线设置1#、2#、3#斜井分为4个通风段，长度分别为3508m、3500m、3500m、3600m；
隧道左线设置一座竖井，分为两个通风段，长度分别为7020m、6895m。同时，1#斜井、3#斜井设置连通隧道左线的排烟风道，用于火灾工况下左线的排烟需要，划分后左线为4个防火分区。本方案既能满足隧道正常通风需求，又很好地考虑了防灾救援需要。
（2）方案二
本方案别设1#（-K0+400）、3#（K6+600）共2座通风斜井，ZK3+200处1座通风竖井，总计两斜一竖三座通风井。
左、右线均采用分段轴流风机送排风+射流风机通风。左线设置一座竖井，分为两个通风段，长度分别为：7020m、6895m；
右线设置两座斜井、一座竖井，竖井为左、右线共用，右线分为4个通风段，长度分别为：3508m、3500m、3500m、3600m。同方案二，1#斜井、3#斜井设置连通隧道左线的排烟风道，用于火灾工况下左线的排烟需要，划分后左线为4个防火分区。
（3）方案三
本方案分别设1#（K0+400）、2#（K3+100/ZK3+200）、3#（K6+600）共3座通风斜井，2号（K3+100/ZK3+200）斜井由48.1m2+44.2m2两个小断面斜井组成，分别供应左、右线的送排风。
左、右线均采用分段轴流风机送排风+射流风机通风。隧道左线设置2#斜井将隧道分为两个通风段，长度分别为：6795m、7120m；
右线设置1#、2#、3#斜井将隧道分为4个通风段，长度分别为：3508m、3500m、3500m、3600m。同方案二、方案三，1#斜井、3#斜井设置连通隧道左线的排烟风道，用于火灾工况下左线的排烟需要，划分后左线为4个防火分区。此方案最大优点在于隧道中央位置设置两处斜井，施工进度快，施工工期有保障。
3.2 方案优化分析
方案二ZK3+200处竖井为左右洞共用，竖井面积达到75㎡，直径达10m，施工难度大。本方案建设期总体投资较为合理，但施工工期达到47个月，进度慢且工期控制难度大，因此不推荐。
方案一和方案三的区别仅在K3+100处的井位形式上，其中方案一由1斜井+1竖井组成，方案三由2个小断面斜井组成。
工期比较：由于方案三为两个斜井出渣，所以方案三施工进度至少要比方案一快3个月，工期有保障。
施工难度：方案一中竖井施工难度大，方案三为无轨斜井施工，施工难度低。
投资比较：施工期方案一总投资为22500万元、施工期为38.6个月，方案三总造价为26505万元、施工期为35.5个月，方案三比方案一多4005万元、工期少3.1个月。但若考虑建设期贷款利息，则每增加1个月工期至少要多偿还5580万元，晚通车3.1个月需增加1.5亿。
综合考虑施工期、施工难度、总体投资，得出方案一最优，因此推荐方案一。
本文对昔榆高速公路太行山特长隧道通风设计相关问题进行了分析，总结了隧道通风设计过程中需要考虑的关键问题和影响因素，并对通风方案进行比选分析，选择确定了合理优化的方案。
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