盾構(gòu)法道路隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

張 迪

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

盾構(gòu)法道路隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

張 迪

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

為了規(guī)范與提高盾構(gòu)法道路隧道通風(fēng)運(yùn)營(yíng)關(guān)鍵技術(shù)，基于既有盾構(gòu)法道路隧道的設(shè)計(jì)實(shí)踐，采用調(diào)查、歸納、總結(jié)及技術(shù)驗(yàn)證的方法，提出盾構(gòu)法道路隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)和適用標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)出常用運(yùn)營(yíng)通風(fēng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍，并結(jié)合典型工程的通風(fēng)設(shè)計(jì)闡述了正常運(yùn)營(yíng)通風(fēng)和火災(zāi)通風(fēng)設(shè)計(jì)的主要原則與關(guān)鍵流程，以及逃生通道和設(shè)備廊道的通風(fēng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。得出通風(fēng)設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合監(jiān)控、消防等系統(tǒng)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)來保證盾構(gòu)法道路隧道的整體功能，同時(shí)，指明了盾構(gòu)法道路隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)實(shí)施過程中進(jìn)一步降低通風(fēng)機(jī)能耗及廢氣處理設(shè)備占地面積的發(fā)展方向。

盾構(gòu)法；道路隧道；運(yùn)營(yíng)通風(fēng)；火災(zāi)通風(fēng)

0 引言

因隧道的封閉性極強(qiáng)，故汽車行駛時(shí)在隧道內(nèi)散發(fā)出的有害氣體(煤煙、CO、SO2等)難以及時(shí)疏散，當(dāng)其集聚到一定體積分?jǐn)?shù)時(shí)，便會(huì)影響人們的健康和行車安全[1];特別是隧道火災(zāi)情況下會(huì)產(chǎn)生大量的高溫?zé)熿F，對(duì)隧道內(nèi)車輛疏散和人員逃生極具威脅，極易造成災(zāi)難性后果[2]。因此，隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)關(guān)系到隧道的使用功能、防災(zāi)與救援功能的發(fā)揮[3]，是決定隧道運(yùn)營(yíng)安全的關(guān)鍵因素之一。通過對(duì)近15年來國(guó)內(nèi)外重大隧道火災(zāi)傷亡事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(如表1所示)，可知隧道通風(fēng)在極端情況下(如特大火災(zāi))并不能及時(shí)有效地疏散隧道內(nèi)集聚的有害氣體，對(duì)隧道內(nèi)的行人安全構(gòu)成了極大的潛在威脅。

盾構(gòu)法道路隧道在軟土公路隧道、市政道路隧道和軌道交通工程建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用[4-6]。不同于其他類型隧道的通風(fēng)設(shè)計(jì)，盾構(gòu)法道路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)受隧道斷面形式、內(nèi)部設(shè)備布置和逃生救援通道設(shè)置等多重因素的制約，影響因素多，且通風(fēng)工況復(fù)雜。徐永等[7]依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)管理規(guī)范，對(duì)錢江隧道火災(zāi)通風(fēng)進(jìn)行了研究；楊軍等[8]結(jié)合南京緯三路過江通道的工程特點(diǎn)，對(duì)其通風(fēng)設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了分析；HU L H等[9]根據(jù)全尺寸火災(zāi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬試驗(yàn)，分析了火災(zāi)工況下煙霧溫度的消散規(guī)律。值得注意的是，當(dāng)前對(duì)盾構(gòu)法道路隧道通風(fēng)技術(shù)的研究主要針對(duì)火災(zāi)工況下的通風(fēng)工況，而對(duì)正常運(yùn)營(yíng)工況下的隧道通風(fēng)、逃生通道和設(shè)備廊道通風(fēng)等關(guān)注較少，導(dǎo)致盾構(gòu)法道路隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)設(shè)計(jì)缺少系統(tǒng)性和完整性。

近年來，筆者主持了杭州慶春路隧道、杭州錢江隧道、揚(yáng)州瘦西湖隧道和杭州環(huán)城北路隧道等國(guó)內(nèi)多條盾構(gòu)法道路隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)的設(shè)計(jì)與研究工作。在上述工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合盾構(gòu)法道路隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)運(yùn)營(yíng)通風(fēng)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)和通風(fēng)類型進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)。通過工程實(shí)踐，對(duì)正常運(yùn)營(yíng)通風(fēng)設(shè)計(jì)、火災(zāi)通風(fēng)設(shè)計(jì)、逃生通道及設(shè)備廊道通風(fēng)設(shè)計(jì)流程進(jìn)行了分析，提出盾構(gòu)法道路隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)，以期為類似工程設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

表1 隧道火災(zāi)傷亡統(tǒng)計(jì)(1999—2013年)Table 1 Statistics of tunnel fire casualty accidents (1999—2013)

1 運(yùn)營(yíng)隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)依據(jù)

盾構(gòu)法道路隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)設(shè)計(jì)一般在參考《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》和借鑒世界道路協(xié)會(huì)(PIARC)的推薦值的基礎(chǔ)上，結(jié)合隧道的具體條件及國(guó)內(nèi)既有道路隧道通風(fēng)的實(shí)際效果綜合確定。

盾構(gòu)法道路隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)設(shè)計(jì)主要包括以下工況：1)隧道內(nèi)正常交通(設(shè)計(jì)車速)；2)隧道內(nèi)全程堵塞，車輛慢行(20 km/h)；3)隧道內(nèi)局部交通堵塞(考慮不同阻塞區(qū)段，堵塞長(zhǎng)度按1 000 m)；4)隧道因檢修臨時(shí)關(guān)閉一個(gè)車道，局部地段單道行駛；5)火災(zāi)通風(fēng)；6)逃生通道及設(shè)備廊道的通風(fēng)。

1.1 道路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范[10]

道路隧道通風(fēng)主要對(duì)CO、煙霧和異味進(jìn)行稀釋。

采用全橫向通風(fēng)方式與半橫向通風(fēng)方式時(shí)，CO設(shè)計(jì)體積分?jǐn)?shù)如表2所示；采用縱向通風(fēng)方式時(shí)，CO設(shè)計(jì)體積分?jǐn)?shù)參照表2各值提高50×10-6；當(dāng)交通阻滯時(shí)，阻滯段的平均CO設(shè)計(jì)體積分?jǐn)?shù)可取300×10-6，經(jīng)歷時(shí)間不宜超過20 min，阻滯段長(zhǎng)度不宜超過1 km。

表2 CO設(shè)計(jì)體積分?jǐn)?shù)Table 2 Design concentration for CO

注：隧道長(zhǎng)度介于中間段時(shí)，可按插入法取值。

采用鈉燈光源時(shí)，煙霧設(shè)計(jì)濃度如表3所示；采用熒光燈光源時(shí)，煙霧設(shè)計(jì)濃度應(yīng)提高一級(jí)。當(dāng)煙霧濃度達(dá)到0.012 m-1時(shí)，應(yīng)采取交通管制。當(dāng)隧道內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際煙霧濃度不大于0.003 5 m-1。

表3 煙霧設(shè)計(jì)濃度Table 3 Design values for extinction

1.2 PIARC推薦值[11]

PIARC組織多年來專門從事了道路設(shè)施的設(shè)計(jì)與施工、道路設(shè)施的運(yùn)行、安全和維護(hù)等方面的信息交流，是世界道路領(lǐng)域最權(quán)威、最有影響的國(guó)際性組織，該組織通過研究報(bào)告的形式對(duì)CO體積分?jǐn)?shù)和煙霧濃度設(shè)計(jì)值進(jìn)行了規(guī)定，如表4所示。

表4 CO和可見度指標(biāo)Table 4 Design and threshold values for CO and visibility/extinction

1.3 國(guó)內(nèi)既有道路隧道通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)

近幾十年來，我國(guó)交通事業(yè)迅猛發(fā)展，隧道工程建設(shè)項(xiàng)目日益增多，已積累了很多成功經(jīng)驗(yàn)。我國(guó)已建成的、典型的道路隧道通風(fēng)方式及CO設(shè)計(jì)體積分?jǐn)?shù)如表5所示。

表5 典型道路隧道的CO體積分?jǐn)?shù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)Table 5 Design values for CO of typical road tunnels

1.4 其他依據(jù)

盾構(gòu)法道路隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)設(shè)計(jì)應(yīng)在上述依據(jù)的基礎(chǔ)上，兼顧尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)、洞外有害物控制體積分?jǐn)?shù)和噪聲標(biāo)準(zhǔn)等綜合確定各設(shè)計(jì)值[12]。

2 盾構(gòu)法道路隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)類型

2.1 運(yùn)營(yíng)通風(fēng)模式

隧道通風(fēng)模式主要包括自然通風(fēng)、縱向通風(fēng)、橫向通風(fēng)和半橫向通風(fēng)等，通風(fēng)方式的選擇與隧道長(zhǎng)度、交通流量、行車方式、洞口環(huán)保要求和氣象環(huán)境等因素有關(guān)。

2.1.1 自然通風(fēng)

當(dāng)隧道長(zhǎng)度較短時(shí)，可不安設(shè)通風(fēng)機(jī)而進(jìn)行自然通風(fēng)。單向交通隧道的自然通風(fēng)動(dòng)力為汽車行駛產(chǎn)生的交通風(fēng)。在正常通車情況下，絕大多數(shù)洞內(nèi)車輛都以接近設(shè)計(jì)速度行駛，所以，交通風(fēng)的風(fēng)力較大且風(fēng)向穩(wěn)定，可作為自然通風(fēng)的動(dòng)力源。雙向交通隧道由于交通風(fēng)相互抵消，通風(fēng)只能靠自然風(fēng)，但由于自然風(fēng)的發(fā)生依賴于洞內(nèi)外熱壓差、洞口水平氣壓差和自然風(fēng)壓3個(gè)因素，因此，雙向交通隧道自然通風(fēng)不穩(wěn)定[13-14]。

2.1.2 縱向通風(fēng)方式

縱向通風(fēng)包括全射流通風(fēng)和射流誘導(dǎo)+軸流排放組合式分段通風(fēng)方式。根據(jù)隧道長(zhǎng)度和需風(fēng)量，結(jié)合隧道輔助坑道設(shè)置送排風(fēng)井，可靈活掌握其組合方式，做到經(jīng)濟(jì)、合理。縱向通風(fēng)方式的優(yōu)點(diǎn)有：充分利用隧道拱部?jī)艨眨瑢?duì)土建工程影響極?。挥泻ξ矬w積分?jǐn)?shù)呈三角形分布，空氣清新程度較好；通風(fēng)設(shè)備功率較省，運(yùn)營(yíng)控制簡(jiǎn)便；單向行車時(shí)可充分利用交通風(fēng)，節(jié)省運(yùn)營(yíng)費(fèi)用?？v向通風(fēng)方式以其簡(jiǎn)單、實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)在隧道通風(fēng)中起到越來越大的作用，成為隧道通風(fēng)方式的首選。

2.1.3 橫向通風(fēng)

橫向通風(fēng)系統(tǒng)安全可靠、性能穩(wěn)定、不受通風(fēng)長(zhǎng)度的限制，可同時(shí)設(shè)置送風(fēng)道和排風(fēng)道，隧道內(nèi)基本不產(chǎn)生沿縱向流動(dòng)的氣流，只有橫向氣流。污染物體積分?jǐn)?shù)沿全隧道大體上均勻分布，全橫向通風(fēng)如圖1所示。相比縱向通風(fēng)方式，橫向通風(fēng)方式能相對(duì)有效地控制空氣衛(wèi)生品質(zhì)及火災(zāi)時(shí)有效排煙，因此，無論是行車的安全性還是舒適性，橫向通風(fēng)都是一種較好的通風(fēng)方式；但其龐大的通風(fēng)管道使隧道所需的斷面積也隨之變得很大，同時(shí)，全橫向風(fēng)道內(nèi)送排風(fēng)風(fēng)速過高，這就要求風(fēng)機(jī)全壓很高，導(dǎo)致運(yùn)行費(fèi)用過高。

圖1 全橫向通風(fēng)Fig.1 Transverse ventilation

2.1.4 半橫向通風(fēng)

利用隧道作為進(jìn)風(fēng)道或排風(fēng)道，只需設(shè)排風(fēng)道或進(jìn)風(fēng)道，隧道斷面介于全橫向通風(fēng)和縱向通風(fēng)之間，可以利用部分活塞風(fēng)作用。半橫向通風(fēng)可使隧道內(nèi)的污染物體積分?jǐn)?shù)大體上接近一致，如圖2所示。

圖2 半橫向通風(fēng)Fig.2 Semi-transverse ventilation

排風(fēng)型半橫向式通風(fēng)可以解決隧道洞口環(huán)境污染問題，其洞內(nèi)環(huán)境條件的改善和隧道防災(zāi)排煙均較縱向式通風(fēng)有利，但該方式在隧道內(nèi)會(huì)出現(xiàn)風(fēng)速為零的中性點(diǎn)，導(dǎo)致通風(fēng)換氣不暢，有害物體積分?jǐn)?shù)無限上升。因此，排風(fēng)型半橫向式通風(fēng)目前在盾構(gòu)法道路隧道正常運(yùn)營(yíng)通風(fēng)中很少采用，大多用作火災(zāi)時(shí)的半橫向排煙。送風(fēng)型半橫向式通風(fēng)將新鮮空氣經(jīng)送風(fēng)管直接吹向車道，對(duì)排氣直接稀釋，對(duì)后續(xù)車很有利，污染空氣在隧道上部擴(kuò)散，經(jīng)過兩端洞口排出洞外；但由洞口沿隧道縱向排風(fēng)，會(huì)造成進(jìn)出洞口區(qū)域廢氣污染。所以，半橫向式通風(fēng)雖然投資費(fèi)用約為全橫向式通風(fēng)的一半左右，但風(fēng)道面積小，風(fēng)速高，導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)成本上升，在目前的盾構(gòu)法道路隧道正常運(yùn)營(yíng)通風(fēng)中也較少采用。

2.2 通風(fēng)方式適用范圍

各種通風(fēng)方式的適用范圍目前尚沒有統(tǒng)一的規(guī)定。近年來，國(guó)內(nèi)外專家和學(xué)者從通風(fēng)技術(shù)可行性及工程經(jīng)濟(jì)等方面總結(jié)出各種通風(fēng)方式的適用長(zhǎng)度，如表6所示[15]。針對(duì)盾構(gòu)法道路隧道一般為單向行駛的特點(diǎn)，依據(jù)盾構(gòu)段的長(zhǎng)度、洞口污染物環(huán)?？刂茦?biāo)準(zhǔn)、盾構(gòu)斷面大小導(dǎo)致的排煙道面積大小以及煙道板施工難度、風(fēng)塔設(shè)置難度、工程經(jīng)濟(jì)合理性等方面，正常運(yùn)營(yíng)通風(fēng)情況下多采用全長(zhǎng)射流通風(fēng)洞口排污或分段射流風(fēng)機(jī)誘導(dǎo)縱向通風(fēng)+風(fēng)塔集中排污通風(fēng)方式；火災(zāi)工況下多采用全長(zhǎng)射流洞口排煙方式、分段射流誘導(dǎo)風(fēng)塔集中排煙通風(fēng)方式或排煙道火災(zāi)點(diǎn)附近集中排煙風(fēng)塔排放方式，如表7所示[16]。

表6 各種通風(fēng)方式的適用長(zhǎng)度Table 6 Application lengths of different ventilation modes

表7 道路盾構(gòu)法隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)方式Table 7 Operation ventilation modes of road tunnels

3 正常運(yùn)營(yíng)通風(fēng)設(shè)計(jì)

3.1 正常運(yùn)營(yíng)通風(fēng)設(shè)計(jì)原則

1)正常交通情況下，通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)能稀釋隧道內(nèi)汽車行駛時(shí)排出的廢氣，達(dá)到衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，為司乘人員、維修人員提供合適的洞內(nèi)條件，為安全行車提供新鮮的空氣和清晰的能見度。

2)通風(fēng)空調(diào)設(shè)備按遠(yuǎn)期配置，土建一次到位，設(shè)備安裝需考慮近期與遠(yuǎn)期分期實(shí)施的經(jīng)濟(jì)價(jià)值及工程實(shí)施的可能與需要。

3)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)綜合考慮節(jié)能措施，設(shè)備選型應(yīng)符合安全可靠、工藝成熟、技術(shù)先進(jìn)、高效節(jié)能、運(yùn)行成本低及國(guó)產(chǎn)化的原則和條件。

4)在確保通風(fēng)效果可靠性及節(jié)能運(yùn)行、節(jié)約工程投資的前提下，優(yōu)選適當(dāng)?shù)乃淼劳L(fēng)方式。

5)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)各運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備對(duì)外、對(duì)內(nèi)的噪聲以及振動(dòng)必須符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及環(huán)境影響報(bào)告書的要求。

3.2 正常運(yùn)營(yíng)通風(fēng)設(shè)計(jì)實(shí)踐

盾構(gòu)法道路隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)設(shè)計(jì)流程為：預(yù)測(cè)的各年度交通量—確定通風(fēng)模式—需風(fēng)量計(jì)算—通風(fēng)方式設(shè)計(jì)。以錢江隧道的運(yùn)營(yíng)通風(fēng)設(shè)計(jì)為例，對(duì)正常運(yùn)營(yíng)通風(fēng)設(shè)計(jì)流程進(jìn)行總結(jié)分析。

3.2.1 工程概況

錢江隧道是錢江通道及接線工程過錢塘江段的隧道，建筑長(zhǎng)度4 450 m，過江段采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)外徑15.0 m，內(nèi)徑13.7 m，是目前世界上已建成的、最大直徑的盾構(gòu)法隧道之一。隧道為高速公路隧道，設(shè)計(jì)車速80 km/h，為雙向6車道[17]。隧道斷面布置如圖3所示。

3.2.2 預(yù)測(cè)交通量

根據(jù)交通量預(yù)測(cè)報(bào)告，錢江隧道過江交通量如表8所示，隧道內(nèi)車型構(gòu)成比例如表9所示。

圖3 錢江隧道盾構(gòu)段橫斷面布置(單位：mm)Fig.3 Layout of cross-section of Qianjiang shield-bored tunnel (mm)

表8 錢江隧道預(yù)測(cè)交通量Table 8 Traffic forecast of Qianjiang tunnel

3.2.3 通風(fēng)模式選擇

根據(jù)《錢江通道及接線工程環(huán)境影響報(bào)告書》，隧道內(nèi)廢氣在洞口直接排放會(huì)造成部分敏感點(diǎn)NOx超標(biāo)，因此，在兩端洞口附近設(shè)置排風(fēng)塔。隧道內(nèi)大部分廢氣通過風(fēng)塔高空排放，少量廢氣通過洞口直接排放。

表9 隧道內(nèi)車型比例Table 9 Traffic flow vehicle ratio

3.2.4 需風(fēng)量計(jì)算

需風(fēng)量計(jì)算主要包含4步，即：按規(guī)范及預(yù)測(cè)交通量計(jì)算需風(fēng)量—按適應(yīng)交通量校核需風(fēng)量—按稀釋空氣中異味計(jì)算需風(fēng)量—設(shè)計(jì)取用新風(fēng)量。參照上述步驟，最大需風(fēng)量為遠(yuǎn)景2030年、設(shè)計(jì)車速為40 km/h時(shí)的工況，計(jì)算所得的最大需風(fēng)量如表10所示。

表10 計(jì)算需風(fēng)量Table 10 Calculated airflow for ventilation

3.2.5 正常通風(fēng)設(shè)計(jì)

隧道江南和江北分別設(shè)置排風(fēng)塔，風(fēng)塔內(nèi)設(shè)置大型軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)通過風(fēng)口、風(fēng)道與主隧道相連。正常及進(jìn)口阻滯時(shí)，通風(fēng)采用分流型縱向通風(fēng)方式，隧道內(nèi)大部分廢氣通過風(fēng)塔高空排放；出口阻滯時(shí)，通風(fēng)采用合流型縱向通風(fēng)方式，隧道內(nèi)廢氣全部通過風(fēng)塔高空排放。以東線為例，正常運(yùn)營(yíng)的通風(fēng)氣流組織如圖4和圖5所示，隧道實(shí)際運(yùn)行風(fēng)量如表11所示。

圖4 正常通行及入口阻滯通風(fēng)Fig.4 Ventilation for normal traffic or entrance block

圖5 出口阻滯通風(fēng)Fig.5 Ventilation for exit block

表11 隧道實(shí)際風(fēng)量表Table 11 Required airflow for ventilation

4 火災(zāi)通風(fēng)設(shè)計(jì)

4.1 火災(zāi)通風(fēng)設(shè)計(jì)原則

盾構(gòu)隧道一旦發(fā)生火災(zāi)，正常通風(fēng)應(yīng)立即改變?yōu)榛馂?zāi)通風(fēng)，此時(shí)的通風(fēng)應(yīng)達(dá)到以下目的。

1)通風(fēng)必須有利于人員逃生避難，盡可能提供逃生所需的時(shí)間，風(fēng)速的大小應(yīng)盡量減少傳到人體上的熱負(fù)荷，還要避免因縱向風(fēng)流的湍流和渦流作用而使洞內(nèi)煙霧彌漫，最大程度地為人員避難創(chuàng)造條件[18]。

2)通風(fēng)應(yīng)避免和盡量減少火場(chǎng)高溫氣體的擴(kuò)散，防止熾熱氣流引燃火場(chǎng)以外的車輛，造成火場(chǎng)擴(kuò)大；應(yīng)有利于消防隊(duì)員救火，使消防隊(duì)員能從上風(fēng)方向接近火場(chǎng)，開展滅火工作。

3)當(dāng)逃生人員通過人行橫通道進(jìn)入另一個(gè)平行隧道時(shí)(或車道層經(jīng)滑樓梯進(jìn)入下層疏散通道，或上下互層逃生)，事故通風(fēng)應(yīng)能防止著火隧道的煙氣進(jìn)入人行橫道及相鄰隧道(或避難通道)。

4)隧道通風(fēng)按同一時(shí)間發(fā)生一次火災(zāi)進(jìn)行設(shè)計(jì)，市政通行非貨車的隧道火災(zāi)規(guī)模為20 MW，公路允許通行貨車的隧道火災(zāi)規(guī)模取50 MW。

5)根據(jù)隧道斷面大小、隧道長(zhǎng)短和通行車種類等考慮是否設(shè)置專用排煙道。

4.2 火災(zāi)通風(fēng)設(shè)計(jì)實(shí)踐

目前，煙道板集中排煙模式在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少，對(duì)排煙道集中排煙系統(tǒng)設(shè)置方案尚無相關(guān)規(guī)范指導(dǎo)[19]。對(duì)于盾構(gòu)段較長(zhǎng)的隧道，設(shè)置排煙道后的疏散救援效果優(yōu)于無排煙道。單管兩車道盾構(gòu)隧道由于斷面相對(duì)較小，頂部設(shè)置排煙道施工難度大，運(yùn)營(yíng)期間煙道板結(jié)構(gòu)維護(hù)困難，目前一般較少采用排煙道集中排煙方式。無論盾構(gòu)段是否設(shè)置排煙道，都應(yīng)能滿足防災(zāi)疏散要求，提供必要的火災(zāi)安全疏散時(shí)間。

4.2.1 有排煙道隧道火災(zāi)通風(fēng)設(shè)計(jì)

錢江隧道工程設(shè)置了專用排煙道(見圖3)，火災(zāi)發(fā)熱量按50 MW、煙霧產(chǎn)生量按200 m3/s進(jìn)行火災(zāi)通風(fēng)設(shè)計(jì)。隧道盾構(gòu)段利用頂部富余的拱形空間作為排煙風(fēng)道，每隔60 m設(shè)置專用排煙風(fēng)閥，風(fēng)閥斷面5 000 mm×2 000 mm，用于火災(zāi)時(shí)的集中排煙。在隧道兩端明挖段車行道頂部懸掛射流風(fēng)機(jī)，輔助正常及交通阻塞時(shí)的誘導(dǎo)通風(fēng)。此外，設(shè)計(jì)中對(duì)于火災(zāi)通風(fēng)采用CFD軟件進(jìn)行了煙氣排放模擬，并在施工前進(jìn)行了全尺寸實(shí)驗(yàn)以確定煙道口大小，施工完成后結(jié)合逃生疏散實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了火災(zāi)時(shí)排煙道集中排煙和消防滅火的檢驗(yàn)，效果均符合設(shè)計(jì)要求。

最終方案確定為：1)當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在入口段時(shí)，開啟工作井處及盾構(gòu)段始端6個(gè)排煙口，利用排煙道將煙氣排出隧道，如圖6所示；2)當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在盾構(gòu)段時(shí)，開啟火災(zāi)點(diǎn)及前方共6個(gè)排煙口，同樣利用排煙道將煙氣排出隧道，如圖7所示；3)當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在出口段時(shí)，開啟射流風(fēng)機(jī)，直接將煙氣吹出洞外，如圖8所示。

圖6 有排煙道隧道入口段火災(zāi)通風(fēng)Fig.6 Ventilation for fire in entrance section of tunnel with extinction ventilation gallery

圖7 有排煙道隧道盾構(gòu)段火災(zāi)通風(fēng)Fig.7 Ventilation for fire in shield-bored section of tunnel with extinction ventilation gallery

圖8 有排煙道隧道出口段火災(zāi)通風(fēng)Fig.8 Ventilation for fire in exit section of tunnel with extinction ventilation gallery

4.2.2 無排煙道隧道火災(zāi)通風(fēng)設(shè)計(jì)

慶春路過江隧道是錢塘江第1座盾構(gòu)法水底道路隧道，全長(zhǎng)3 765 m(以東線計(jì))，主線設(shè)計(jì)速度60 km/h，隧道內(nèi)徑10.3 m，外徑11.3 m，雙向4車道，隧道斷面布置如圖9所示。該隧道火災(zāi)規(guī)模按20 MW設(shè)計(jì)。當(dāng)隧道入口段發(fā)生火災(zāi)時(shí)，入口段射流風(fēng)機(jī)正轉(zhuǎn)形成正風(fēng)、盾構(gòu)段及出口段射流風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)形成逆風(fēng)，使煙氣順盾構(gòu)段流動(dòng)，同時(shí)開啟入口段處工作井排風(fēng)塔軸流風(fēng)機(jī)，將煙氣集中排放，如圖10所示。當(dāng)盾構(gòu)段發(fā)生火災(zāi)時(shí)，開啟盾構(gòu)段6臺(tái)射流風(fēng)機(jī)正轉(zhuǎn)，出口段處2臺(tái)工作井排煙風(fēng)機(jī)同時(shí)運(yùn)行，出口段2臺(tái)射流風(fēng)機(jī)逆轉(zhuǎn)運(yùn)行，在著火點(diǎn)形成大于2.4 m/s的風(fēng)速，將煙氣從出口段工作井排出，如圖11所示。當(dāng)隧道出口段發(fā)生火災(zāi)時(shí)，開啟隧道內(nèi)射流風(fēng)機(jī)正轉(zhuǎn)，直接將煙氣由出口排出，如圖12所示。

5 逃生通道及設(shè)備廊道通風(fēng)設(shè)計(jì)

1)正常情況下，逃生通道與電纜廊道共用一套通風(fēng)系統(tǒng)，在廊道靠?jī)蓚?cè)工作井洞口處設(shè)置軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)口設(shè)置電動(dòng)風(fēng)閥控制氣流流動(dòng)。一側(cè)工作井送風(fēng),另一側(cè)工作井排風(fēng)，通過盾構(gòu)段與工作井連接處的風(fēng)閥控制，保證通道內(nèi)的通風(fēng)換氣次數(shù)不小于5次，以滿足檢修人員的安全和電纜散熱的要求。

圖9 慶春路隧道盾構(gòu)段橫斷面布置(單位：mm)Fig.9 Layout of cross-section of Qingchunlu tunnel (mm)

2)盾構(gòu)段發(fā)生火災(zāi)后，關(guān)閉電纜廊道送風(fēng)口風(fēng)閥，開啟安全通道送風(fēng)口，兩側(cè)工作井內(nèi)送風(fēng)機(jī)同時(shí)向逃生通道加壓送風(fēng)，保證火災(zāi)情況下的疏散口風(fēng)速≥0.7m/s，正壓值30～50 Pa。當(dāng)盾構(gòu)段較長(zhǎng)、經(jīng)計(jì)算打開蓋板后疏散口風(fēng)壓值不滿足要求時(shí)，在逃生通道及疏散口附近設(shè)置小型加壓風(fēng)機(jī)，直接對(duì)疏散口輔助加壓，見圖13。

圖10 無排煙道隧道入口段火災(zāi)通風(fēng)Fig.10 Ventilation for fire in entrance section of tunnel without extinction ventilation gallery

圖11 無排煙道隧道盾構(gòu)段火災(zāi)通風(fēng)Fig.11 Ventilation for fire in shield-bored section of tunnel without extinction ventilation gallery

圖12 無排煙道隧道出口段火災(zāi)通風(fēng)Fig.12 Ventilation for fire in exit section of tunnel without extinction ventilation gallery

圖13 疏散通道通風(fēng)Fig.13 Ventilation for evacuation passage

6 結(jié)論與展望

本文總結(jié)了當(dāng)前常用的盾構(gòu)法道路隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)類型和設(shè)計(jì)依據(jù)，介紹了正常運(yùn)營(yíng)通風(fēng)與火災(zāi)通風(fēng)的主要設(shè)計(jì)流程，闡述了逃生通道及設(shè)備廊道通風(fēng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，主要結(jié)論與展望如下。

1)盾構(gòu)法道路隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)設(shè)計(jì)不是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，應(yīng)與隧道監(jiān)控和消防等系統(tǒng)綜合協(xié)調(diào)工作，從而保證隧道的正常運(yùn)營(yíng)與防災(zāi)功能的有效合理實(shí)現(xiàn)。

2)通風(fēng)對(duì)于確保隧道的正常運(yùn)營(yíng)及防災(zāi)至關(guān)重要，通風(fēng)設(shè)計(jì)前應(yīng)充分調(diào)研，隧道運(yùn)營(yíng)后應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)管和維護(hù)。

3)隧道的能耗有很大一部分來自于隧道的通風(fēng)機(jī)，應(yīng)進(jìn)一步開發(fā)出經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)保的通風(fēng)機(jī)械。

4)采用廢氣集中高空排放方式雖然能夠滿足隧道洞口空氣質(zhì)量符合環(huán)保要求，但僅僅依靠風(fēng)塔高空排放，也難以滿足城市用地、景觀及其他環(huán)境保護(hù)方面的要求。在城市道路中開發(fā)出占地少、能進(jìn)行廢氣處理、經(jīng)濟(jì)節(jié)能的通風(fēng)技術(shù)與設(shè)備，將具有良好的工程應(yīng)用前景。

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KeyTechnologiesforOperationVentilationDesignofRoadTunnelsConstructedbyShieldMethod

ZHANG Di

(ChinaRailwayNo.4SurveyandDesignGroupCo.,Ltd.,Wuhan430063,Hubei,China)

Road tunnels constructed by shield method have been widely used in urban road network.The operation ventilation of those road runnels,which controls the air quality in the tunnels,has important influence on the passenger’s health and traffic safety.In the paper,the main principles and attentions for the ventilation design of current shield-bored road tunnels are presented by means of investigation,induction,summary and technical validation based on years of practices,so as to standardize and improve the ventilation techniques of road tunnels.The advantages and disadvantages of different operation ventilation modes are presented,and the application ranges of different ventilation modes are pointed out.The principles and key procedure of the design of normal operation ventilation and fire ventilation are explained on basis of typical practices,and the key technologies for ventilation design of evacuation passages and equipment passages are discussed.It is concluded that the ventilation design should be coordinated with the monitoring system and the fire-fighting system,so as to ensure the overall function of road tunnels constructed by shield method.Furthermore,trends to solve problems in operation ventilation of shield-bored road tunnels,such as high energy consumption of ventilators and large space occupation of exhaust air treatment equipment,are pointed.

shield method; road tunnel; operation ventilation; fire ventilation

2014-05-21;

2014-08-07

張迪(1972—)，男，湖北天門人，1995年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，土建結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，本科，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事隧道及地下工程勘察設(shè)計(jì)研究與技術(shù)管理工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.11.008

U 453.5

B

1672-741X(2014)11-1062-09