通风技术经济性研究

12苍岭隧道营运通风方式的初步论证一：国内外双管公路隧道营运通风方式调查1．国外公路隧道营运通风调查分析1.1国外公路隧道概况截止2000年11月，国外公路隧道长度在10km以上的有10座；5-10km范围有74座，4-5km范围有47座，3-4km范围共有104座，共235座。表1.1—世界公路隧道统计表（长度大于10km）表1.2—世界公路隧道统计表（长度5-10km）表1.3—世界公路隧道统计表（长度4-5km）表1.4—世界公路隧道统计表（长度3-4km）这些长大公路隧道主要分布在挪威、瑞士、日本、奥地利、意大利、法国、西班牙等西方发达国家。在长度5km以上隧道几乎全部为发达国家和地区所襄括。正在施工中的中国台湾平岭（Pinglin）隧道（2×12.9km+服务隧道）,目前排名世界第三,预计2003年建成通车。山岭公路隧道有钻爆法（DrillandBlast）及掘进机法(TBM)施工。在十座世界最长的隧道中，台湾省的平岭隧道采用TBM法施工。海底隧道有钻爆法和TBM法，亦有盾构法施工。挪威是公路隧道修建技术处于国际领先地位的发达国家，具有修建山3岭隧道和海底隧道的先进技术。于2000年11月27日通车的世界最长的公路隧道Laerdal隧道，为单管双向交通隧道全长为24.5km，该隧道按钻爆法掘进、钢纤维加筋射砼作永久衬砌支护（挪威法）。排名世界第三名台湾省平岭隧道，为高速公路（双管正线+服务避难隧道）隧道，为三管一次建成，应该说是世界规模最大的高等级公路隧道。在海底隧道方面，挪威亦处于领先的地位，其次为日本。在世界长度3km以上的十六座海底隧道中，挪威占12座。日本东京湾海底隧道（2×9.5km）,按盾构法施工,为世界最长的海底隧道。1.2国外公路隧道通风调查本报告列出了国外最长隧道（前10名）以及其它一些著名隧道使用的通风方式，见《世界部分隧道通风统计表》（表2.2.1）。公路隧道通风方式有横向通风和纵向通风两大类。隧道是狭长的管状构造物，隧道通风主要解决两类问题：正常交通条件下隧道内空气清洁，符合工业环境标准；在火灾等重大事故条件下如何防灾。在考虑通风方式时必须考虑火灾问题。通风对防灾是有利还是不利，如何辩证地解决这个问题与国家的经济发展水平和技术手段息息相关，从国外公路隧道通风发展历程充分显示了这点。1．横向通风方式（包括全横向和半横向通风）隧道断面内设专门通风道和排风道，清鲜空气可通过隧道断而上通风道/排风道，进行横向道排风。当通风气流全部为横向流动时，称全横向通风。当仅有送风道或排风道，气流部分从送风道或排风道流动，部分通过4隧道纵向流动排出洞外时称半横向通风。横向通风气流主要为横向流动，故发生火灾时排风道成为排烟道，烟雾沿隧道方向蔓延要小一些，防火要好。这个观点在早期的欧州国家隧道工程中根深蒂固。横向通风因在隧道断面要多增加通风道排风道，以及配套通风设施，故土建投资亦是高昂的，因不能或/仅部分使用隧道汽车活塞风（交通风），而通风效率低下，耗能大，营运费用开支大。在80年代以前几乎所有的长度大于3km公路隧道均采用横向通风方式（或半横和全横通风以及组合）。尤其是单管双向交通隧道均采用横向通风。著名的有瑞士圣哥达隧道(St.Gotthard),全长16.9km,穿越瑞士阿尔卑斯山，为单管双向行车隧道，于1980年9月5日通车。隧道采用全横向通风方式，整个通风系统由6个通风站(4个竖井通风站+2个洞口通风站)共22个送/排风机向隧道通风，每15min可换气一次，新鲜空气从通风站向隧道洞内送风道送风，送风道每8m开口一处喷入新鲜空气，隧道拱顶排风道每16m一处设排风口排风。因考虑紧急状况，隧道设置一条与隧道平行的服务隧道（宽2.6m，高3m），共有66处横通道与主隧道相连，供火灾时疏散与救援。圣哥达隧道为洲际公路（通往意大利），交通量逐年增长。据统计1989年7月29号日交通量已达37324辆，安全问题日益严重。圣哥达隧道自1980年开通十多年来，已发生6次严重火灾。1984年4月2日发生的严重火灾，一辆卡车燃烧毁坏，隧道吊顶电气设备受损，幸好人员及时从平行的服务水平隧道疏散，火灾迅速控制，并在五小时后重新开通。但是，1999年3月24日发生的位于法国-意大利边界的著名的勃朗峰5隧道（MontBlanc）(隧道长度11.6km，单管双车道+服务隧道，1965年7月开通)火灾却是让世界震惊的特大火灾。其严重程度是前所未有的：有34人伤亡。隧道严重受损，长时间关闭。因为单管隧道，交通不能及时恢复，交通中断。勃郎峰隧道采用全横向通风，有一个平行的服务隧道与之相通。事故调查报告(1)提出：管理系统不善及反映不迅速，应急排烟系统反应不快以及疏散避难标志不明显是造成事故难以控制的主要原因。公路(道路)隧道是地下管状构造物，空间环境狭窄，无轨的与个性的，尽管是有序的交通流，但受驾驶者心理生理的控制，存在潜在的交通事故危险，特别是火灾危险。火灾发生是不可避免的，关键在于减少隧道火灾发生的频率和控制灾情的发展。八十年后期在特长隧道中尤其是在双管单向交通隧道中开始逐渐使用纵向通风方式。二个重要的方面是基于这样的认识：火灾主要在于有效及时的控制——包括管理方面和技术方面。电子信息技术，自动化技术和监控技术的迅速发展，为及时了解和控制火灾程度提供必要的技术手段，勃郎峰隧道火灾事故证明了完善的反应迅速的管理系统是极为重要的；第二方面：新型静电除尘（烟雾）设备亦为纵向通风技术在长度方面拓展了空间，通过静电除尘技术，将洞内烟雾微尘吸除，使纵向通风段长度有传统的1.5km拓展到5km以上。这些重要的工程实例为：日本关越隧道，1986年开通一期单管隧道（+平行的服务隧道），隧道长10.926km，采用竖井送排式纵向通风，共2个竖井通风，中间段通风长度6km；1990年开通二期隧道（长度11.01km），亦为竖井送排式通风。日本第二新神户隧道（7.125km），；东京湾海底隧道（2×9.5km）均采用纵向通风方式，仅用一处通风竖井，纵向通风分段长度约5km。2000年11月627日开通的世界最长的欧州洲际公路隧道（E16）—挪威Laedral隧道，单管全长24.5km，隧道采用纵向通风,仅设一个斜竖井通风。图1.2为挪威Laedral隧道平纵断面示意图。在长度3-6km隧道通风方面，纵向通风与横向通风的组合通风方式亦在瑞士等国家普遍使用(见表2.2.1)。如MontTerri隧道(1x4.07km)—“横向+半横向”，Uetiberg隧道(2x4.5km)--“纵向+横向”，Gubrist隧道(2x3.3km)----“纵向+半横向”。总之，先进的工程技术管理和管理技术手段，推动了节能的纵向通风方式的采用。综上所述隧道营运通风，逐步向纵向通风方式发展。国外隧道通风调查显示：1、单管3km以上双向交通的隧道，由于行车是双向的,采用纵向通风，因排烟方向对行车一方不利，故很少使用，均以横向/半横向，或横向/半横向组合通风。2、对于特长的单管隧道，为考虑火灾避难逃生、救援等问题，应考虑与隧道平行的服务隧道；从工程实例看，目前长度大于10km的单管隧道均设置了服务隧道（挪威Laedral隧道除外，交通量不大）。3、双管长度大于3km，单向行车的隧道在早期以横向通风为主，80年代开始逐渐向纵向通风方向发展。一次建成的特长隧道如：日本惠那山隧道（2×8.6km）,湾海底隧道（2×9.5km）均采用纵向通风，一些早期双管规划分期实施的长大公路隧道，因一期单管隧道开通运行需多年才开通第二管隧道，为防灾安全一期单管双向交通隧道采用横向通风，而二管隧道因交通方式变化而采用纵向通风，7这些著名的隧道日本新神户隧道（2×7.17km），意大利GranSasso隧道（第一管10.176km，第二管10.12km）。4、组合通风在长度3-6km隧道使用，单管隧道采用“横向+半横向”组合，双管隧道采用“纵向+横向”，“纵向+半横向”组合。2．苍岭隧道预测交通量、隧道长度、设计速度2.1预测交通量隧道所处于路段预测交通量是通过OD调查预测分析，预侧分析考虑了历年路网区域交通量观测站数据，历年区域经济发展数据，预测交通量考虑了作为收费公路的问题，以及作为轴道现有道路的分配问题。大溪岭-湖雾岭隧道路交通量见表2.1.1，交通量组成表表2.1.2表2.1.1混合交通量交通量97年2000年2005年2010年2015年2020年台州—温州23813652641694661306516778温州—台州23143680642895351309616824表2.1.1小车当量交通量交通量97年2000年2005年2010年2015年2020年台州—温州328351869046132531816023154温州—台州332952269064133491820323218交通量高峰事故0.098（≈0.1）表2.1.2车辆比例(%)平均实载吨位(t)柴油车占有率(%)8小型货车中型货车大型货车小客车大客车插挂车23.032.07.5622.129.445.681.874.898.957.4645.4110.161030901040502.2隧道长度/设计速度隧道长度2×4.11km，双管单向交通，为直线隧道，纵坡人字坡，坡度0.5/0.8%.路线设计速度100km/h，隧道照明通风设计速度80km/h。3．需风量3.1正常需风量需风量分析考虑了现行规范CO、VI的卫生允许标准，考虑了因环保要求废气汽车排放量逐年下降的问题，综合确定。Q上行=652m3/s，Q下行=612m3/s。3.2火灾排风能力在通风机设备选择时应考虑特殊情况下的短期超负荷能力。竖井集中排烟风量要求Q=200m3/s·km。即排风机能力最大要达到上述要求。4．通风方案考虑的其它因素大溪岭—湖雾岭隧道营运通风方式选择时，应考虑：1、大溪岭—湖雾岭隧道穿越的地形为台地形，平均埋深约134m，最9大埋深约159m，这个埋深对设置通风道，如通风竖井而言是有利的。2、气象条件：根据调查隧道轴线与隧道场地（大溪岭北麓），主风方向夹角15度左右。而20年累计年平均风速达4.5m/s，自然风对纵向通风方式对一方有利另一方不利。3、内空断面为拱形断面，结合国情采用NATM法修建，行车道上方的拱部空间是通风可使用的主要方式。4．通风方案选择研究确定被认为可行的通风方式有：1．纵向通风：设置一个竖井将隧道分成基本等分通风段的竖井送排式纵向通风方案；根据风压平衡，竖井位置偏向出口端的竖井排出式纵向通风方案；2．半横向通风：设置四个通风段，均有洞内竖井送风的半横向通风方案；设置四个通风段分别由洞口和竖井送风的半横向通风3．全横面通风：将隧道分为四个通风段分别由洞口和竖井送/排风的全横向通风。5．通风分段和通风坚井1．通风分段长度主要考虑通风效率问题，过长的通风分段，对横向通风和半横向通风在风道中的损失过大。一般控制在1～1.5km。对纵向通风而言，通风分段长度主要取决于分段末端烟雾感及能见度降低问题。通常不超过103km。2．通风竖井竖井位置放置综合考虑通风分析通风最佳位置以及竖井设置中地质影响对土建修筑的难易程度，山顶地形地貌以及环保问题。竖井直径由通风分段的通风量确定，应以通过的风速不宜超过20m/s为宜，过大的风速使风阻过大，效率降低。6．竖井送排式通风方案（方案I）本方案由送/排通风竖井将隧道通风段分成二段，两个通风段以基本相等设置（结合地形情况，竖井位置可适当调整），通风分段长度取L=2050m,L2=2050m，过渡短道L3=50m。隧道内排风段（L1段）根据通风段压力平衡计算，确定设置16台内径φ900射流风机（15W），射流风机安装在隧道内空拱部行车道上方，以二台一组安装，以辅助竖井通风。并由山顶竖井通风机进行集中送排风。本通风系统及左右洞隧道均由一个独立的通风系统组成，通风设施包括山顶竖井送/排风机，带有隔板的圆形竖井送风/排风道，与主隧道相连的通风联络道，通风门及隧道由射流风机等。通风竖井：要分开实现通风/排