濟(jì)南市順河高架南延玉函路隧道火災(zāi)通風(fēng)設(shè)計

鄭 楓，卞姍姍

（1.山東職業(yè)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250104；2.濟(jì)南市市政工程設(shè)計研究院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250101）

0 引言

城市地下隧道是城市立體交通的一種重要形式，能夠充分利用城市地下空間解決城市交通擁堵，并且對城市環(huán)境和居民出行、生活的影響很小。隨著環(huán)保意識的增強(qiáng)，在城市快速路建設(shè)中得到不斷應(yīng)用。隨著建造長度、交通量的不斷增加，對城市隧道火災(zāi)通風(fēng)等防災(zāi)救災(zāi)的要求越來越高。隧道通風(fēng)包括縱向通風(fēng)、半橫向通風(fēng)、全橫向等多種形式，如何選擇合理的通風(fēng)方案，以期達(dá)到理想的設(shè)計效果，本文結(jié)合順河高架南延玉函路隧道的實際工程經(jīng)驗，對較長城市隧道的平時通風(fēng)、火災(zāi)時的通風(fēng)和防排煙系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行探討。

1 玉函路隧道工程概況

順河高架路是濟(jì)南市快速路網(wǎng)中貫穿主城區(qū)的南北向快速通道，玉函路隧道北端與現(xiàn)狀順河高架橋銜接，南端接英雄山路南段高架橋（見圖1、圖2）。玉函路隧道內(nèi)為雙向四車道，設(shè)計時速50km/h，采用雙洞設(shè)計，單洞斷面面積為31.6 m2，隧道最大縱坡2.6%，隧道暗埋段通風(fēng)設(shè)計里程2 755 m。隧道位于中心城區(qū)城市主干路玉函路下方，如何有效組織氣流，控制煙氣流動，將煙氣及時排出，利于人員疏散和滅火是本工程火災(zāi)通風(fēng)設(shè)計的重點。

2 隧道內(nèi)火災(zāi)特點[1]

圖1 玉函路隧道北洞口鳥瞰圖

圖2 玉函路隧道南洞口鳥瞰圖

隧道火災(zāi)大多是缺氧燃燒，會產(chǎn)生高毒性的一氧化碳?xì)怏w；受隧道凈空限制，火焰向水平方向延伸，熾熱氣流可順風(fēng)傳播很遠(yuǎn)；相關(guān)研究表明，10 s后火災(zāi)已充分發(fā)展，2～10 min后頂板即升溫到1 200℃；熾熱氣流可順風(fēng)傳播，遇到易燃物即快速燃燒；隧道內(nèi)火場引起的局部熱氣流可逆風(fēng)移動，從而導(dǎo)致消防人員難以從上風(fēng)方向到達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場；火災(zāi)時隧道內(nèi)的阻力增加，阻礙了煙氣在隧道中的流動。

3 隧道火災(zāi)通風(fēng)設(shè)計

3.1 通風(fēng)設(shè)計要點

隧道火災(zāi)通風(fēng)設(shè)計重點在于合理組織氣流，控制煙霧和熱量的擴(kuò)散，為滯留在隧道內(nèi)的人員提供一定的新風(fēng)量，以利于安全疏散和滅火撲救。

3.2 通風(fēng)方式

隧道通風(fēng)方式一般有縱向、半橫向和全橫向三種方式。相比于橫向、半橫向通風(fēng)方式，縱向通風(fēng)方式有以下優(yōu)點：

利用整個隧道空間作為通風(fēng)風(fēng)道，隧道斷面不必因通風(fēng)而加大，可減少土建工程量；

當(dāng)汽車單向行駛時，能有效利用汽車本身產(chǎn)生的活塞風(fēng)，減少設(shè)備初投資和營運(yùn)動力費(fèi)，有較好的節(jié)能效果。

基于以上優(yōu)點，結(jié)合玉函路隧道的特點，設(shè)計選用了射流風(fēng)機(jī)（見圖3）加高風(fēng)塔排風(fēng)（見圖4）的縱向通風(fēng)方式。利用射流風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)作用，實現(xiàn)大范圍內(nèi)不同幅度的調(diào)節(jié)作用（增大或減小），并且可以按照要求控制縱向氣流的方向。另外，通過風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)可以改變火災(zāi)氣流的流態(tài)，煙霧的擴(kuò)散特性也隨之改變。設(shè)計中射流風(fēng)機(jī)按提供阻止煙霧逆向流動的臨界風(fēng)速所需的推力來配置，射流風(fēng)機(jī)形成大于臨界風(fēng)速的縱向斷面風(fēng)速，此時隧道上游人員始終安全，下游人員可駕車駛離隧道。臨界風(fēng)速為隧道火災(zāi)時控制煙氣回流的最小斷面平均風(fēng)速。因此，隧道火災(zāi)通風(fēng)的關(guān)鍵是確定合理的隧道火災(zāi)臨界風(fēng)速[2]。臨界風(fēng)速由式（1）、式（2）確定[3]。

圖3 玉函路隧道內(nèi)射流風(fēng)機(jī)圖

圖4 玉函路隧道東線高風(fēng)塔圖

式中：V為臨界風(fēng)速，m/s；kg為坡度因數(shù)；k為換算常數(shù)，K=0.61，為自由落體加速度，m/s2；H為從地面到拱頂?shù)母叨?，m；Q為火災(zāi)熱量釋放功率，W；ρ為空氣密度，kg/m3；為空氣比定壓熱容，J/（kg·k）；A為隧道面積，m2；Tf為平均熱空氣溫度，K。

3.3 氣流組織

對于單向行駛隧道而言，無論火災(zāi)發(fā)生在何處，前方的行車速度一般大于風(fēng)速，相對安全。而后方的車輛及人員相對較危險，必須及時的將煙氣排出行車隧道，保證著火車輛后方的車輛及人員的安全。因此應(yīng)該根據(jù)火災(zāi)的發(fā)生地點采取相應(yīng)的氣流組織形式[4-5]，具體如下：當(dāng)著火點在入口段和中間段，開啟一定數(shù)量的射流風(fēng)機(jī)，同時打開著火點前方風(fēng)機(jī)房內(nèi)的排煙風(fēng)機(jī)進(jìn)行排煙；當(dāng)著火點在出口段時，關(guān)閉風(fēng)機(jī)房內(nèi)的所有風(fēng)機(jī)，開啟射流風(fēng)機(jī)，直接將煙氣從出口排出。

3.4 風(fēng)機(jī)選型和布置[1]

排煙軸流風(fēng)機(jī)按隧道排煙量選擇，風(fēng)壓由隧道和通風(fēng)井阻力確定。其中熱源產(chǎn)煙量按式（3）計算：

式中：V為排煙量，m3/s；Mρ為煙縷質(zhì)量流量，kg/s；T'為煙氣的熱力學(xué)溫度，K；ρ0為環(huán)境溫度下氣體的密度，kg/m3；T0為環(huán)境的熱力學(xué)溫度，K。

玉函路隧道設(shè)計為小客車專用隧道，最大火災(zāi)可能是由公交汽車引起，火災(zāi)強(qiáng)度采用20MW。

通風(fēng)系統(tǒng)包括東線和西線兩套系統(tǒng)，附屬設(shè)施集約化布置，變配電室與通風(fēng)機(jī)房設(shè)置在地下，地上建筑為管理用房。圖5、圖6為地下風(fēng)機(jī)房布置圖。

圖5 玉函路隧道西線風(fēng)機(jī)房布置圖（單位：cm）

圖6 玉函路隧道東線風(fēng)機(jī)房布置圖（單位：cm）

3.5 隧道污染空氣排放方式

城市隧道建設(shè)時，尤其是采用縱向通風(fēng)的隧道，必須考慮隧道內(nèi)廢氣的排放問題。隧道污染空氣的排除方式需要綜合考慮洞口環(huán)境保護(hù)要求、周圍現(xiàn)狀及規(guī)劃等因素的基礎(chǔ)上，根據(jù)工程具體情況和環(huán)評部門的意見，因地制宜，合理選擇。

隧道內(nèi)污染空氣一般可以選擇洞口直接排放、風(fēng)塔高空集中排放等方式（國外也有采用排風(fēng)凈化技術(shù)，但由于其造價及運(yùn)營成本高昂，國內(nèi)目前尚無采用的實例）。玉函路隧道東、西線洞口均處于城市中心居住區(qū)，若采用洞口直接排放，洞口污染物濃度較高，對周圍環(huán)境會造成一定程度的影響。因此，根據(jù)本工程隧道的長度、車流量和沿線地面環(huán)境情況的分析，并參照國內(nèi)類似工程案例，本隧道內(nèi)污染物考慮采用風(fēng)塔高空集中排放的形式。

高風(fēng)塔位置受工程周圍現(xiàn)狀條件的制約非常大，并且風(fēng)塔位置必須保證離洞口距離不能太遠(yuǎn)。由于本隧道沿線均為居民聚居區(qū)，可供利用的場地十分有限，在選定排風(fēng)塔位置時充分利用了隧道沿線的資源。根據(jù)本隧道的條件，西線隧道在距離洞口400 m左右，有一處山坡，該處地勢較高，可減少對附近敏感建筑和景觀的影響，且距離洞口的位置也適合放置高風(fēng)塔，因此我們把西線隧道的高風(fēng)塔設(shè)置在了此處，充分利用了山坡地勢高的優(yōu)勢；東線隧道在距離洞口750 m處為一處公園用地，公園東側(cè)為城市泄洪溝，泄洪溝東岸有一處綠化用地，我們利用公園的地下空間設(shè)置了大型風(fēng)道，風(fēng)道跨過泄洪溝，將風(fēng)塔設(shè)置在泄洪溝東岸的林地處。隧道內(nèi)風(fēng)塔至洞口段采用了洞口直接排放的形式，設(shè)計滿足了相關(guān)區(qū)域環(huán)境質(zhì)量的要求。本隧道高風(fēng)塔設(shè)置高度為25 m。

4 結(jié)語

城市地下公路（隧道）有效利用了地下空間，避免了高架橋?qū)Τ鞘芯坝^及居民生活的影響。因此預(yù)測隧道內(nèi)的煙氣分布，有效控制火災(zāi)隧道內(nèi)的溫度場、速度場以及壓力場，掌握城市隧道火災(zāi)煙氣控制的規(guī)律就顯得十分重要，另外通風(fēng)、變配電及管理用房要盡量統(tǒng)籌利用地下空間，風(fēng)塔的布置要結(jié)合隧道周邊城市環(huán)境，并注重景觀協(xié)調(diào)。

順河高架南延玉函路隧道作為濟(jì)南主城區(qū)第一條城市隧道，可為后續(xù)城市隧道的設(shè)計和建設(shè)提供參考依據(jù)。