探析超特長(zhǎng)隧道縱坡型式的確定

吳小麗，蔣 犁，趙清碧

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067)

截止2019年底[1]，全國(guó)公路隧道19 067處，其中特長(zhǎng)隧道1 175處、5 217.5 km。與2015年相比，特長(zhǎng)隧道數(shù)量占比由5.37%上升到6.16%。根據(jù)羅剛[2]統(tǒng)計(jì)，截止2019年8月，中國(guó)已建、在建、規(guī)劃的10 km以上的公路隧道分別有11座、16座、7座，特長(zhǎng)及超特長(zhǎng)隧道的數(shù)量及規(guī)模在逐年攀升。而超特長(zhǎng)公路隧道通風(fēng)及斜豎井系統(tǒng)的初期投資占整個(gè)隧道投資的比重大，后期通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)費(fèi)用高，超特長(zhǎng)隧道的縱坡型式影響其通風(fēng)系統(tǒng)的投資規(guī)模。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)公路、城市道路等隧道縱坡坡度、縱坡與運(yùn)營(yíng)安全的相關(guān)研究較多，而對(duì)不同縱坡型式對(duì)隧道通風(fēng)系統(tǒng)的影響研究較少。趙永平[3]研究了隧道縱坡對(duì)汽車CO和煙霧排放的影響；張楚旋[4]采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)不同坡度時(shí)該隧道火災(zāi)煙氣逆流層長(zhǎng)度進(jìn)行了研究；王玉鎖[5]以寶蘭客運(yùn)專線渭河隧道為例，研究了縱向通風(fēng)下不同坡形隧道火災(zāi)煙氣溫度分布特性；李彥伯[6]以登樓山特長(zhǎng)隧道為例，研究了單坡隧道的縱坡變化對(duì)通風(fēng)及運(yùn)營(yíng)成本的影響。為確定隧道縱坡型式，需要考慮諸多影響因素，本文以重慶城開高速大巴山隧道、旗桿山隧道為例，在總體路線方案確定、隧道進(jìn)出口樁號(hào)不變的情況下，通過工程類比的方式，探討不同縱坡型式對(duì)通風(fēng)規(guī)模、通風(fēng)排煙及施工排水的影響，經(jīng)綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較分析后確定隧道縱坡方案。

1 工程概況

重慶城口(陜渝界)至開州高速公路是國(guó)家高速公路網(wǎng)銀川至百色(G69)中渝境北段的一段。其中，大巴山隧道起于陜西省漳河坪鄉(xiāng)，止于重慶市城口縣北屏鄉(xiāng)苦草坪，隧道長(zhǎng)約13.6 km，重慶段長(zhǎng)約5.4 km，陜西段長(zhǎng)約8.2 km，隧道最大埋深約 1 207 m，進(jìn)出口設(shè)計(jì)路面高程分別為1 050 m、1 180 m。旗桿山隧道位于重慶城口縣境內(nèi)，隧道長(zhǎng)約7.6 km，最大埋深約1 276 m，進(jìn)出口設(shè)計(jì)路面高程分別為981 m、868 m。兩隧道均為雙洞4車道隧道，設(shè)計(jì)速度為80 km/h。

2 縱坡型式對(duì)通風(fēng)規(guī)模的影響

2.1 大巴山隧道

在初步設(shè)計(jì)初期，根據(jù)路線總體展布及大巴山隧道的特點(diǎn)，根據(jù)國(guó)內(nèi)外類似工程經(jīng)驗(yàn)，初步擬定單向坡、人字坡及折線坡3種縱坡型式，平均坡度控制在2%以內(nèi)，見表1，并初步擬定設(shè)置2座斜(豎)井[7-11]。根據(jù)JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》[12]中需風(fēng)量的計(jì)算，結(jié)合交通量數(shù)據(jù)，可得出3種縱坡型式對(duì)應(yīng)的需風(fēng)量及風(fēng)機(jī)配置，見表2?；诒?可計(jì)算得出3種縱坡方案的需風(fēng)量、風(fēng)機(jī)裝機(jī)功率、通風(fēng)系統(tǒng)初期投資及年運(yùn)營(yíng)電費(fèi)對(duì)比情況，結(jié)果如圖1～圖4所示。

對(duì)比分析圖1～圖4可知，大巴山隧道單向坡方案通風(fēng)需風(fēng)量、風(fēng)機(jī)裝機(jī)功率、初期投資及年運(yùn)營(yíng)電費(fèi)均高于折線坡方案和人字坡方案；人字坡方案需風(fēng)量及初期投資略高于折線坡方案，但年運(yùn)營(yíng)電費(fèi)低于折線坡方案。大巴山隧道人字坡方案初期投資及20年運(yùn)營(yíng)電費(fèi)比單向坡方案減少約2.31%，單就通風(fēng)規(guī)模而言，人字坡方案優(yōu)于單向坡方案和折線坡方案。

表1 大巴山隧道不同縱坡型式

表2 大巴山隧道不同縱坡型式的需風(fēng)量及風(fēng)機(jī)配置規(guī)模

圖1 不同縱坡型式的需風(fēng)量(左洞)對(duì)比

圖2 不同縱坡型式的風(fēng)機(jī)裝機(jī)功率對(duì)比

圖3 不同縱坡型式的通風(fēng)系統(tǒng)初期投資對(duì)比

注：軸流風(fēng)機(jī)按每d開1 h，射流風(fēng)機(jī)按每d開2 h計(jì)。

2.2 旗桿山隧道

在初步設(shè)計(jì)初期，根據(jù)路線總體展布及旗桿山隧道的特點(diǎn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外類似工程經(jīng)驗(yàn)，初步擬定單向坡、人字坡及折線坡3種縱坡型式，平均坡度控制在2.5%以內(nèi)，見表3，并初步擬定設(shè)置一座斜(豎)井。根據(jù)JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》[12]中需風(fēng)量的計(jì)算，結(jié)合交通量數(shù)據(jù)，可得出3種縱坡對(duì)應(yīng)的需風(fēng)量及風(fēng)機(jī)配置，見表4?；诒?可計(jì)算得到3種方案的需風(fēng)量、風(fēng)機(jī)裝機(jī)功率、通風(fēng)系統(tǒng)初期投資及年運(yùn)營(yíng)電費(fèi)對(duì)比情況，結(jié)果如圖5～圖8所示。

對(duì)比分析圖5～圖8可知，旗桿山隧道單向坡方案、折線坡方案通風(fēng)需風(fēng)量明顯高于人字坡方案，但人字坡方案的裝機(jī)功率和運(yùn)營(yíng)電費(fèi)卻高于單向坡和折線坡方案，這與旗桿山隧道的斜(豎)井的設(shè)置位置有關(guān)。按20年?duì)I運(yùn)電費(fèi)計(jì)算，旗桿山隧道單向坡方案初期投資與運(yùn)營(yíng)電費(fèi)之和最低，單就通風(fēng)規(guī)模而言，單向坡方案優(yōu)于折線坡和人字坡方案。

表3 棋桿山隧道不同縱坡型式

表4 棋桿山隧道不同縱坡型式的需風(fēng)量及風(fēng)機(jī)配置規(guī)模

圖5 不同縱坡型式的需風(fēng)量(左洞)對(duì)比

圖6 不同縱坡型式的風(fēng)機(jī)裝機(jī)功率對(duì)比

圖7 不同縱坡型式的通風(fēng)系統(tǒng)初期投資對(duì)比

注：軸流風(fēng)機(jī)按每d開1 h，射流風(fēng)機(jī)按每d開2 h計(jì)。

通過對(duì)上述2座隧道不同縱坡型式下通風(fēng)規(guī)模的分析可知，不是任何一種縱坡型式可簡(jiǎn)單通用于其他超特長(zhǎng)隧道，需要結(jié)合隧道的縱坡、分段長(zhǎng)度、交通組成等參數(shù)計(jì)算及綜合分析得出。

3 縱坡型式對(duì)通風(fēng)排煙的影響

隧道的煙氣擴(kuò)散跟隧道縱坡、橫斷面、火源、阻塞比、縱向通風(fēng)風(fēng)速等因素有關(guān)，張楚旋[4]通過數(shù)值模擬研究提出，在縱向通風(fēng)速率不變的情況下，隨著坡度的增大煙氣逆流層長(zhǎng)度逐漸減小，如圖9所示。在其他因素不變的情況下，對(duì)于單向坡的超特長(zhǎng)隧道，當(dāng)上坡隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，由于“煙囪效應(yīng)”，有利于煙霧從就近排煙口或隧道口排出[13]；當(dāng)下坡隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，則對(duì)排煙較不利。對(duì)于人字坡的超特長(zhǎng)隧道，在考慮了井位與變坡點(diǎn)匹配的情況下，上坡段的排煙效果優(yōu)于單向坡隧道，而下坡段因高差大于單向坡隧道，排煙效果較不利。折線坡隧道的排煙效果與單向坡隧道類似。通過通風(fēng)排煙計(jì)算得到的結(jié)果也表明，人字坡隧道配置的防災(zāi)風(fēng)機(jī)裝機(jī)功率最高，單向坡與折線坡隧道防災(zāi)風(fēng)機(jī)功率相近。

圖9 實(shí)際逆流層長(zhǎng)度

4 縱坡型式對(duì)主體施工排水的影響

確定隧道縱坡型式時(shí)，除了考慮對(duì)隧道通風(fēng)系統(tǒng)的影響，還需要考慮隧道主體施工排水的影響[14]。根據(jù)隧道主洞涌水量預(yù)測(cè)[15]，大巴山隧道重慶端單洞涌水量豐水期約為21 670 m3/d，陜西端單洞豐水期涌水量約為24 926 m3/d?？傮w來看，大巴山隧道涌水量并不大，但考慮其長(zhǎng)度約13.6 km，相較于單向坡和折線坡隧道，人字坡隧道在施工排水方面更優(yōu)。

旗桿山隧道單洞涌水量豐水期195 694.85 m3/d。根據(jù)臨近區(qū)域的通渝隧道施工經(jīng)驗(yàn)，旗桿山隧道極限情況下的涌水量按正常涌水量的6倍考慮，為391 389.66 m3/d，涌水量非常大。因此，旗桿山隧道縱坡選用人字坡較單向坡和折線坡在施工排水方面具有非常顯著的優(yōu)勢(shì)。

5 隧道縱坡方案的確定

綜合考慮隧道通風(fēng)初期投資、運(yùn)營(yíng)電費(fèi)、通風(fēng)排煙、主體施工排水等因素，大巴山隧道和旗桿山隧道不同縱坡型式的綜合對(duì)比結(jié)果見表5。

大巴山隧道人字坡方案在初期投資和運(yùn)營(yíng)電費(fèi)的總費(fèi)用優(yōu)于單向坡和折線坡方案，雖然防災(zāi)風(fēng)機(jī)裝機(jī)功率略高，但總體可控，同時(shí)在施工排水方面具有優(yōu)勢(shì)，推薦采用人字坡方案。旗桿山隧道單向坡方案初期投資和運(yùn)營(yíng)電費(fèi)最低，但旗桿山隧道地勘資料顯示，該隧道涌水量較大，施工排水費(fèi)用及安全風(fēng)險(xiǎn)偏高，綜合考慮確定采用人字坡方案。

表5 不同縱坡型式的方案綜合對(duì)比

6 結(jié)論

1) 以重慶城開高速大巴山隧道、旗桿山隧道為例，從通風(fēng)系統(tǒng)的需風(fēng)量、風(fēng)機(jī)裝機(jī)功率、初期投資及運(yùn)營(yíng)電費(fèi)方面，對(duì)不同縱坡方案進(jìn)行了對(duì)比分析，確定了人字坡方案，案例表明隧道不同縱坡型式對(duì)隧道通風(fēng)規(guī)模的影響較大，且因隧而異。

2) 超特長(zhǎng)隧道縱坡型式確定時(shí)，需要結(jié)合通風(fēng)規(guī)模、通風(fēng)排煙、主體施工排水等因素綜合考慮。

3) 不同縱坡型式對(duì)通風(fēng)排煙的影響可通過數(shù)值模擬及試驗(yàn)作進(jìn)一步研究。