某過湖沉管法公路隧道通風(fēng)排煙方案研究★

王 威，梁 園，張 宇

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,北京 102600)

1 概述

水下公路隧道在功能定位、地理環(huán)境等方面有別于山嶺隧道，具有運(yùn)營舒適性高、環(huán)保要求高、建設(shè)條件受限、火災(zāi)后修復(fù)難度大的特點(diǎn)。1910年，美國在底特律河用沉管法修建第1座用于交通運(yùn)輸?shù)乃滤淼榔?，目前全世界已建成的沉管法隧道?shù)量已超過100座；20世紀(jì)90年代初，中國大陸建成了第1條公鐵兩用通行的沉管法隧道——廣州珠江隧道。截至2017年底，已建成18座沉管法隧道，隨著城市交通的日漸繁榮及城市規(guī)劃的提升，沉管法隧道在國內(nèi)呈現(xiàn)出爆發(fā)式的發(fā)展[1]。楊秀軍等[2]采用性能化的手段對港珠澳大橋沉管隧道正常運(yùn)營通風(fēng)和火災(zāi)工況下緊急通風(fēng)進(jìn)行了定量的分析，以提高隧道運(yùn)營安全性和運(yùn)營節(jié)能效果；姜同虎等[3]依托某特長隧道，通過對該隧道通風(fēng)方式、通風(fēng)井類型進(jìn)行比選研究，確定了此特長公路隧道全射流縱向通風(fēng)+斜井排煙的通風(fēng)方案；李志鵬[4]結(jié)合某特長公路隧道工程特點(diǎn)，提出合流型通風(fēng)井排出式+射流風(fēng)機(jī)縱向通風(fēng)、平導(dǎo)壓入式網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)以及射流風(fēng)機(jī)縱向通風(fēng)+斜井分段排煙3種通風(fēng)方案，對各通風(fēng)方案進(jìn)行比選，通過比較各個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最終給出推薦方案:射流風(fēng)機(jī)縱向通風(fēng)+斜井分段排煙方案。

以某過湖沉管法公路隧道為例，根據(jù)隧道內(nèi)污染物濃度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算隧道通風(fēng)需風(fēng)量，進(jìn)而依據(jù)隧道工程線路設(shè)置及環(huán)評要求，提出3種可行性高的隧道通風(fēng)排煙方案，從技術(shù)可行性、環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)性等多方面比選合理確定推薦方案，并給出推薦方案的設(shè)備配置，為工程后續(xù)實(shí)施提供理論依據(jù)。

2 工程概況

某過湖公路隧道穿越太湖，隧道長約9 km，采用雙向六車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，隧道設(shè)計(jì)速度120 km/h。斷面采用雙孔一管廊的形式，單孔凈寬17.45 m，內(nèi)部根據(jù)高度不同，分為淺段、中段、深段三個(gè)斷面，其中深段隧道的行車道路面到隧道頂板底面的高度最高，為8.10 m。中間管廊寬度為5.0 m，上部為排煙風(fēng)道(見圖1)。本工程湖底隧道段長7.70 km，故風(fēng)塔間排煙區(qū)段最長7 700 m，而在建及已建類似工程最長5 600 m，本項(xiàng)目建成將是全國水下隧道排煙風(fēng)塔間距最長隧道工程，并且下穿位置位于國家5A級風(fēng)景區(qū)，對環(huán)境空氣質(zhì)量、景觀要求高，因此，設(shè)置通風(fēng)排煙井的位置及占地也極其嚴(yán)苛，隧道通風(fēng)排煙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是工程設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3 需風(fēng)量計(jì)算

3.1 隧道內(nèi)污染物濃度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

隧道內(nèi)污染物濃度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)參考JTG/T D70/2—02—2014公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則及PIARC的推薦值[5]基礎(chǔ)上，稀釋污染物的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的取值如表1所示。

表1 通風(fēng)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)

1)在阻塞工況，當(dāng)CO濃度達(dá)到150×10-6的時(shí)間超過15 min或阻塞長度接近1 km，以及煙霧濃度接近0.012 m-1時(shí)，應(yīng)采取禁止洞口車輛進(jìn)入等交通管制措施?？紤]隧道交通流量情況以及齊備的監(jiān)控設(shè)施，設(shè)計(jì)考慮由于出口不暢導(dǎo)致全隧道車輛以10 km/h時(shí)速緩慢行駛以及由于維修或突發(fā)事故導(dǎo)致局部阻塞，其中局部阻塞阻滯段長度取1 000 m，阻滯段位置取隧道出口和湖底中間段進(jìn)行計(jì)算。

2)隧道內(nèi)風(fēng)速應(yīng)滿足稀釋空氣異味的需風(fēng)量要求風(fēng)速，每小時(shí)換氣次數(shù)不少于3次。

3)隧道內(nèi)火災(zāi)規(guī)模按50 MW設(shè)計(jì)，根據(jù)隧道內(nèi)縱坡情況，采用集中排煙時(shí)，火災(zāi)煙霧生成率80 m3/s～100 m3/s[6]。

3.2 隧道需風(fēng)量計(jì)算

1)交通量預(yù)測及其車型組成。

本隧道內(nèi)交通量和車型比例如表2所示，方向不均勻系數(shù)0.55，高峰小時(shí)系數(shù)為0.091。

表2 各特征年隧道車輛構(gòu)成比例預(yù)測表 %

a.車種比例(禁止?；奋囕v通行)。

b.各特征年年均隧道日交通量預(yù)測，如表3所示。

表3 各特征年年均隧道日交通量預(yù)測表 pcu/d

2)隧道需風(fēng)量計(jì)算結(jié)果。

經(jīng)對現(xiàn)有資料的詳細(xì)分析，結(jié)合隧道的內(nèi)空斷面積、縱坡、海拔高度、車輛構(gòu)成以及行車速度，分別計(jì)算各設(shè)計(jì)年限隧道單洞在正常運(yùn)營時(shí)，稀釋洞內(nèi)CO、煙塵、除異味及交通阻滯等工況的隧道需風(fēng)量，綜合確定隧道的設(shè)計(jì)風(fēng)量，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 單洞隧道需風(fēng)量表

4 隧道通風(fēng)方案

隧道通風(fēng)方式的選用涉及到隧道長度、交通流量、行車方式、峒口環(huán)境保護(hù)要求和隧道施工方法等多種因素。本隧道通風(fēng)方案結(jié)合總體設(shè)計(jì)及環(huán)評要求，湖西岸1號風(fēng)塔設(shè)置樁號BK8+450，東岸3號風(fēng)塔設(shè)置樁號BK16+110，提出方案一?？紤]到本項(xiàng)目受后期交通量影響，且隧道暗埋段長度為8 000 m，排煙區(qū)段長度約7 700 m，故在湖中人工島增設(shè)2號高送風(fēng)井和排風(fēng)塔(樁號BK12+800)，正常工況時(shí)分段通風(fēng)，火災(zāi)時(shí)分段+重點(diǎn)排煙，提出方案二。與太湖流域管理局初步對接，方案二因湖中設(shè)島規(guī)模過大，建議優(yōu)化人工島面積，故在方案二基礎(chǔ)上優(yōu)化湖中人工島規(guī)模，在島中僅設(shè)2號低矮排煙風(fēng)井(樁號BK12+800)，正常工況時(shí)出洞端高風(fēng)塔分流排風(fēng)，火災(zāi)時(shí)分段+重點(diǎn)排煙，提出方案三。即：

1)不設(shè)島。湖岸設(shè)2座風(fēng)塔，“風(fēng)井分流排出+射流式”分段通風(fēng)+重點(diǎn)排煙方案(湖西1號排風(fēng)塔BK8+450、湖東3號排風(fēng)塔BK16+110)。

2)設(shè)島(規(guī)模1.53 ha)。湖岸設(shè)2座風(fēng)塔，湖中設(shè)人工島用于排風(fēng)和排煙，“風(fēng)井送排+射流式”分段通風(fēng)+重點(diǎn)排煙方案(湖西1號排風(fēng)塔BK8+450、湖東3號排風(fēng)塔BK16+110，湖中2號排風(fēng)塔BK12+800)。

3)設(shè)島(規(guī)模0.53 ha)。湖岸設(shè)2座風(fēng)塔，湖中設(shè)人工島僅用于排煙，“風(fēng)井送排+射流式”分段通風(fēng)+重點(diǎn)排煙方案(湖西1號排風(fēng)塔BK8+450、湖東3號排風(fēng)塔BK16+110，湖中2號排風(fēng)塔BK12+800)。

4.1 不設(shè)島，“風(fēng)井分流排出+射流式”分段通風(fēng)+重點(diǎn)排煙方案

正常工況，左、右線隧道采用“風(fēng)井分流排出式+射流”分段通風(fēng)方式，左線隧道需風(fēng)由主道進(jìn)口進(jìn)入，由湖西岸1號高風(fēng)塔排出，部分氣流由出口排出，風(fēng)塔排污比例占左線隧道的70%。右線隧道需風(fēng)由主道進(jìn)口進(jìn)入，由湖東岸3號高風(fēng)塔排出，部分氣流由出口排出，風(fēng)塔排污比例占右線隧道的70%。

火災(zāi)時(shí)，采用重點(diǎn)排煙，利用隧道之間電纜通道上部空間作為排煙風(fēng)道，排煙風(fēng)道面積為23 m2，每隔60 m設(shè)置專用排煙風(fēng)閥，排煙風(fēng)井最長間距為7 700 m。

方案一左、右線隧道通風(fēng)剖面示意圖如圖2，圖3所示。隧道排煙剖面示意圖如圖4所示。

4.2 設(shè)島(規(guī)模1.53 ha)，“風(fēng)井送排+射流式”分段通風(fēng)+重點(diǎn)排煙方案

正常工況，左、右線隧道采用“風(fēng)井送排式+射流”分段通風(fēng)方式，左線隧道進(jìn)洞段需風(fēng)由主道進(jìn)口進(jìn)入，由湖中2號高排風(fēng)塔排出；出洞段需風(fēng)由湖中2號送風(fēng)塔送入，湖岸1號高風(fēng)塔排出，部分氣流由出口排出，風(fēng)塔排污比例占左線隧道的70%。右線隧道進(jìn)洞段需風(fēng)由主道進(jìn)口進(jìn)入，由湖中2號高排風(fēng)塔排出；出洞段需風(fēng)由湖中2號送風(fēng)塔送入，湖岸3號高風(fēng)塔排出，部分氣流由出口排出，風(fēng)塔排污比例占左線隧道的70%。

火災(zāi)時(shí)，兩線隧道排煙方案一致，正常通行工況采用分段縱向通風(fēng)排煙，開啟火災(zāi)點(diǎn)下游近端風(fēng)塔排風(fēng)機(jī)排煙，射流風(fēng)機(jī)調(diào)壓，形成縱向排煙的控制風(fēng)速。阻滯工況采用重點(diǎn)排煙，利用隧道之間電纜通道上部空間作為排煙風(fēng)道，排煙風(fēng)道面積為15 m2，開啟火災(zāi)點(diǎn)區(qū)域300 m范圍內(nèi)5組重點(diǎn)排煙口，啟動(dòng)重點(diǎn)排煙風(fēng)機(jī)，將煙氣就近排出。在湖中人工島增設(shè)2號低矮排煙風(fēng)井(樁號BK12+800)，設(shè)置2臺重點(diǎn)排煙專用風(fēng)機(jī)，排煙風(fēng)井最長間距為4 500 m。

方案二左、右線隧道通風(fēng)剖面示意圖如圖5，圖6所示，隧道正常交通排煙及隧道阻塞交通排煙示意圖如圖7，圖8所示。

4.3 設(shè)島(規(guī)模0.53 ha)，“風(fēng)井分流排出式+射流式”分段通風(fēng)+重點(diǎn)排煙方案

正常工況，左、右線隧道通風(fēng)原理與方案一相同，不再贅述。

火災(zāi)時(shí)，兩線隧道排煙方案一致，正常通行工況采用分段縱向通風(fēng)排煙，開啟火災(zāi)點(diǎn)下游近端風(fēng)塔排風(fēng)機(jī)排煙，射流風(fēng)機(jī)調(diào)壓，形成縱向排煙的控制風(fēng)速。阻滯工況采用重點(diǎn)排煙，利用隧道之間電纜通道上部空間作為排煙風(fēng)道，排煙風(fēng)道面積為15 m2，開啟火災(zāi)點(diǎn)區(qū)域300 m范圍內(nèi)5組重點(diǎn)排煙口，啟動(dòng)重點(diǎn)排煙風(fēng)機(jī)，將煙氣就近排除。在湖中人工島增設(shè)2號低矮排煙風(fēng)井(樁號BK12+800)，設(shè)置2臺重點(diǎn)排煙專用風(fēng)機(jī)，排煙風(fēng)井最長間距4 500 m。方案三左線隧道正常行車排煙示意圖如圖9，圖10所示，隧道阻塞交通排煙示意圖如圖11所示。

4.4 隧道通風(fēng)方案比選

根據(jù)上述3種隧道通風(fēng)方案描述進(jìn)行多方面技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性分析，具體詳見表5。

表5 隧道通風(fēng)方案比選表

綜上所述，方案二與方案一相比，方案二增加了2號高送排風(fēng)塔及隧道風(fēng)機(jī)房，需在湖中設(shè)置人工島，造島規(guī)模達(dá)1.53 ha，極大增加了土建工程量，湖中風(fēng)井對太湖景觀影響有極大風(fēng)險(xiǎn)，隧道風(fēng)機(jī)功率容量較方案一大50%。但方案一排煙區(qū)段長度超過5 km，大于規(guī)范要求，對整個(gè)消防系統(tǒng)等提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。方案三隧道最大需風(fēng)量斷面風(fēng)速7.23 m/s，在保證隧道內(nèi)空氣質(zhì)量可靠性的基礎(chǔ)上，增加了2號排煙風(fēng)井及隧道風(fēng)機(jī)房，排煙路徑最長4 350 m，保證煙氣及時(shí)排除，人員安全疏散，同時(shí)降低后期受交通量、環(huán)評要求的影響，造島規(guī)模在方案二基礎(chǔ)上進(jìn)行極大優(yōu)化，機(jī)電投資增加小，故推薦選擇方案三(設(shè)島規(guī)模0.53 ha)：右、左線隧道采用“風(fēng)井分流排出式+射流”分段通風(fēng)方式，湖中設(shè)人工島，火災(zāi)時(shí)有縱向、重點(diǎn)排煙措施：

1)隧道采用高風(fēng)塔排風(fēng)和射流風(fēng)機(jī)調(diào)壓相組合的縱向通風(fēng)方式。

火災(zāi)時(shí)，正常通行工況采用分段縱向通風(fēng)排煙，開啟火災(zāi)點(diǎn)下游近端風(fēng)塔排風(fēng)機(jī)排煙，射流風(fēng)機(jī)調(diào)壓，形成縱向排煙的控制風(fēng)速。阻滯工況采用重點(diǎn)排煙方式。

2)隧道風(fēng)塔處通風(fēng)設(shè)備設(shè)置情況。

湖西1號風(fēng)塔設(shè)軸流排風(fēng)機(jī)4臺(風(fēng)量：140 m3/s，風(fēng)壓：1 200 Pa)，專用軸流排煙風(fēng)機(jī)2臺(風(fēng)量：110 m3/s，風(fēng)壓：1 600 Pa)；湖中2號低矮排煙風(fēng)井設(shè)專用軸流排煙風(fēng)機(jī)2臺(風(fēng)量：110 m3/s，風(fēng)壓：1 600 Pa)；湖東3號風(fēng)塔設(shè)軸流排風(fēng)機(jī)4臺(風(fēng)量：140 m3/s，風(fēng)壓：1 200 Pa)，專用軸流排煙風(fēng)機(jī)2臺(風(fēng)量：110 m3/s，風(fēng)壓：1 600 Pa)。

3)隧道內(nèi)射流風(fēng)機(jī)設(shè)置情況。

隧道射流風(fēng)機(jī)分4個(gè)集中段設(shè)置，每段設(shè)置12組，每組3臺。其中，每臺射流風(fēng)機(jī)流量：33.8 m3/s，風(fēng)機(jī)直徑：1 120 mm。

5 結(jié)語

本隧道屬于特長水底隧道，作為穿越太湖地區(qū)的工程項(xiàng)目，首要考慮的是工程項(xiàng)目對周邊生態(tài)環(huán)境的影響以及運(yùn)營需求。本文在確保洞內(nèi)污染物濃度和排放量滿足環(huán)評要求的基礎(chǔ)上，為乘用人員、維修人員提供合理的通風(fēng)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，提出三種隧道通風(fēng)及火災(zāi)排煙方案。為確保隧道正常運(yùn)營情況下的安全、舒適，火災(zāi)情況下為司乘人員疏散、救援人員的滅火撲救提供安全的環(huán)境，從水利影響、土建影響、風(fēng)塔位置受限情況、隧道通風(fēng)排煙效果、設(shè)備配置及配電容量等多方面綜合分析對比多種可行性高的隧道通風(fēng)方案，最終確定合理的推薦方案，可為同類工程提供參考。