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user: 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 tunne 年号 2030 (近期) 2040 (远期) 运行工况 左线 右线 左线 右线 Q req CO (m 3 /s) Q req VI (m 3 /s) Q req CO (m 3 /s) Q req VI (m 3 /s) Q req CO (m 3 /s) Q req VI (m 3 /s) Q req CO (m 3 /s) Q req VI (m 3 /s) 10 km/h 367.99 170.19 366.40 467.40 618.67 236.01 616.00 769.64 30 km/h 435.76 173.17 540.74 363.57 732.61 285.15 909.10 598.67 40 km/h 408.53 230.14 405.55 571.91 686.82 378.96 681.82 941.74 50 km/h 326.82 200.21 324.44 735.94 549.46 329.67 545.46 1211.83 60 km/h 272.35 179.67 270.37 660.46 457.88 295.86 454.55 1087.54 70 km/h 231.50 154.86 230.17 784.52 389.20 255.00 386.97 1291.83 80 km/h 204.26 138.51 243.33 836.50 343.41 228.08 409.09 1377.42 火灾(m 3 /s) 291.46 291.46 291.46 291.46 换气(m 3 /s) 889.76 883.28 889.76 883.28 控制需风量(m 3 /s) 889.76 883.28 889.76 1377.42 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 m 3 /s，左线换气需风量达到889.76 m 3 /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。 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 m 3 /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和图3所示。 图2. 三斜井远期风量布置图 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 m 3 /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 m 3 /s的轴流风机，正常运营开启2台，设计风量260 m 3 /s，火灾工况开启3台，排烟量390 m 3 /s；2#斜井排风道设置2台排风量为160 m 3 /s的轴流风机，正常运营开启1台，设计风量160 m 3 /s，火灾工况开启2台，排烟量320 m 3 /s。远期风量及排烟量布置情况如图4所示。 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 schem 位置 风量(m 3 /s) 竖井面积(m 2 ) 联络道(m 2 ) 送风口(m 2 ) 排风口(m 2 ) 左线2号斜井 排烟 320 64.1 21.4 21.4 32.0 送风 640 42.7 49.2 21.3 右线1号斜井 排风 260 68.0 26.0 20.0 32.5 排烟 390 26.0 39.0 送风 630 42.0 48.5 21.0 右线3号斜井 排风 630 68.7 42.0 48.5 78.8 送风 400 26.7 30.8 13.3 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/m 2 )； Δ P b ——送风口升压力(N/m 2 )； Q r 1 ——第I区段设计风量(m 3 /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(m 3 /s)； V r 2 ——第II区段设计风速； Q e ——排风量(m 3 /s)； V e ——与Q e 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C 3 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/m 2 ； Δ P r ——隧道内沿程磨阻损失N/m 2 ；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/m 2 ； Δ P m ——自然风阻抗力N/m 2 ； 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 schem 项目 1#斜井 2#斜井 3#斜井 排风井 送风井 排风井 送风井 排风井 送风井 右线 设计风量(m 3 /s) 390 630 630 400 竖井风速(m/s) 15 15 15 14.98 竖井面积(m 2 ) 26 42 42 26.7 联络风道风速(m/s) 15 12.99 12.99 12.99 送排风口风速(m/s) 10 30 7.99 30 送排风口面积(m 2 ) 39.0 21.1 78.8 13.3 短道窜流量(m 3 /s) 100 100 风机台数(台) 3 4 4 2 单台风机风量(m 3 /s) 130 157.5 157.5 200 设计风压(Pa) 1200 2100 1100 2200 单台风机功率(kw) 200 450 250 560 功率合计(kw) 600 1800 1000 1120 射流风机 单台功率45 kw，共50台(其中40台为消防排烟风机) 左线 设计风量(m 3 /s) 320 640 竖井风速(m/s) 14.95 14.99 竖井面积(m 2 ) 21.4 42.7 联络风道风速(m/s) 14.95 13 送排风口风速(m/s) 10 30 送排风口面积(m 2 ) 32 21.3 短道窜流量(m 3 /s) 100 风机台数(台) 2 4 单台风机风量(m 3 /s) 160 160 设计风压(Pa) 1400 2100 单台风机功率(kw) 560 450 功率合计(kw) 1120 1800 射流风机 单台功率45 kw，共62台(其中40台为消防风机) 合计 总装机功率(kw) 轴流风机 7440 kw (共19台) 射流风机 近期3600 kw (80台)，远期增加1440 kw (32台) 合计 12，480 kw 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。 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和图7所示。 图6. 三竖井远期风量布置图 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 m 3 /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 m 3 /s的轴流风机，正常运营开启2台，设计风量240 m 3 /s，火灾工况开启3台，排烟量360 m 3 /s；3#竖井排风道设置2台排风量为170 m 3 /s的轴流风机，正常运营开启1台，设计风量170 m 3 /s，火灾工况开启2台，排烟量340 m 3 /s。远期风量及排烟量布置情况如图8所示。 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 schem 位置 风量 (m 3 /s) 竖井面积 (m 2 ) 联络道 (m 2 ) 送风口 (m 2 ) 排风口 (m 2 ) 左线3号竖井 排烟 340 64.0 22.7 22.7 34 送风 620 41.3 47.7 20.7 右线1号竖井 左线排烟 360 66.0 24.0 24.0 36 排风 240 27.7 45 送风 630 42.0 48.5 21.0 右线2号竖井 排风 630 69.3 42.0 48.5 78.8 送风 410 27.3 31.5 13.7 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 solutio 项目 1#竖井 2#竖井 3#竖井 排风井 送风井 排风井 送风井 排风井 送风井 右线 设计风量(m 3 /s) 360 630 630 410 竖井风速(m/s) 15 15 15 15.02 竖井面积(m 2 ) 24 42 42 27.3 联络风道风速(m/s) 13 12.99 12.99 13 送排风口风速(m/s) 10 30 7.99 29.93 送排风口面积(m 2 ) 36 21 78.8 13.7 短道窜流量(m 3 /s) 100 100 风机台数(台) 3 4 4 3 单台风机风量(m 3 /s) 120 157.5 157.5 136.7 设计风压(Pa) 900 1800 800 1900 单台风机功率(kw) 132 400 160 350 功率合计(kw) 396 1600 640 1050 射流风机 单台功率45 kw，共52台(其中40台为消防排烟风机) 左线 设计风量(m 3 /s) 340 640 竖井风速(m/s) 14.98 14.99 竖井面积(m 2 ) 22.7 42.7 联络风道风速(m/s) 14.98 13 送排风口风速(m/s) 10 30 送排风口面积(m 2 ) 34 21.3 短道窜流量(m 3 /s) 100 风机台数(台) 2 4 单台风机风量(m 3 /s) 160 160 设计风压(Pa) 800 1800 单台风机功率(kw) 160 400 功率合计(kw) 320 1600 射流风机 单台功率45 kw，共64台(其中40台为消防风机) 合计 总装机功率(kw) 轴流风机 5606 kw (共20台) 射流风机 近期3600 kw (80台)，远期增加1620 kw (36台) 合计 10，826 kw 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 tunne 主要技术经济指标 单位 方案一：三斜井 方案二：三竖井 左线 右线 左线 右线 通风井型式 1斜井 2斜井 1竖井 2竖井 通风排烟分段长度 m 7862 + 3128 (排烟分区为： 2735 + 5145 + 3105) 2815+ 4940+ 3155 7660 + 3325 (排烟分区为： 2735 + 4925 + 3325) 2672+ 4935+ 3285 通风井 长度 m 2#: 1427； 1#: 1327； 3#: 1525； 3#: 410； 1#: 477； 2#: 431； 面积 m 2 2#: 64.1； 1#: 68.0； 3#: 68.7； 3#: 64； 1#: 66； 2#: 69.3； 数量 3处/面积合计200.8 m 2 3处/面积合计199.3 m 2 风机房型式 地面风机房 地面风机房 地面风机房 地面风机房 射流风机数量 台 50 62 52 64 轴流风机数量 台 13 6 14 6 风机总功率 kW 12，480 kW 10，826 kW 结论 不推荐 推荐 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”。