分叉式公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)實(shí)例及問題研究

林欣欣

北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司

0 引言

隨著我國城市化建設(shè)的不斷推進(jìn)，整個(gè)國家公路網(wǎng)在逐步完善升級(jí)，公路隧道的建設(shè)速度越來越快，公路隧道已經(jīng)從單管隧道發(fā)展為有多出入口的分叉隧道，隧道出入口滿足不同區(qū)域的車流量要求，分叉隧道的出現(xiàn)對(duì)隧道通風(fēng)系統(tǒng)提出了新的要求，通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要滿足各區(qū)間新風(fēng)量的需求同時(shí)又要保證火災(zāi)情況下排煙的要求，本文以東部過境高速公路蓮塘隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為實(shí)例，對(duì)分叉隧道設(shè)計(jì)中遇見的問題進(jìn)行深入探討。

1 工程概況

東部過境高速公路位于深圳市羅湖區(qū)，龍崗區(qū)及坪山新區(qū)內(nèi)，路線基本為西南—東北走向，路線全長32.5 公里，公路等級(jí)為高速公路。東部過境高速公路中最長隧道為蓮塘隧道，包括市政西北、市政東南、市政段、蓮塘主線、口岸線五部分，北線隧道最長4375 m，南線隧道最長4463 m，主線設(shè)計(jì)時(shí)速60 km/h，雙洞單向行車，除口岸段為雙向四車道、六車道外，其余隧道均為雙向八車道。隧道設(shè)計(jì)縱坡：-3.0%≤i＜2.80%。各段隧道長度詳見圖1。

圖1 蓮塘隧道概況圖

2 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

隧道通風(fēng)主要滿足以下要求：稀釋隧道內(nèi)車輛行駛排出的廢氣（如CO 氣體和影響能見度的煙塵）。稀釋隧道中的異味，保證合理的隧道衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)?；馂?zāi)事故中，隧道通風(fēng)系統(tǒng)可排出火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧，并防止火災(zāi)產(chǎn)生熱量的擴(kuò)散，提供一定數(shù)量的新風(fēng)，保證人員的疏散和消防撲救?？刂婆欧藕驮肼?，滿足環(huán)保要求。本項(xiàng)目采用縱向通風(fēng)+豎井排煙方式。

2.2 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

各設(shè)計(jì)參數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[1-2]確定：

1）一氧化碳（CO）允許濃度

正常營運(yùn)時(shí)：采用縱向通風(fēng)方式，蓮塘隧道一氧化碳（CO）允許濃度取100 cm3/m3。

交通阻滯時(shí)：短時(shí)間（20 min）以內(nèi)為150 cm3/m3，計(jì)算長度1km。

2）煙塵允許濃度

隧道內(nèi)采用LED 燈光源，煙塵設(shè)計(jì)濃度具體如表1 所示：

表1 煙塵設(shè)計(jì)濃度

3）隧道內(nèi)縱向風(fēng)速：<10 m/s。

4）隧道換氣次數(shù)：n≥3 次/h。

5）隧道內(nèi)換氣風(fēng)速：v≥1.5 m/s。

6）自然風(fēng)速（設(shè)計(jì)取值）：vn=±2.5 m/s。

7）火災(zāi)工況設(shè)計(jì)控制風(fēng)速

蓮塘主線及口岸段為3 m/s，市政西北及東南為3.5 m/s。

式中，Φ(t)為沖擊波波陣面在拉格朗日坐標(biāo)系下的位置。結(jié)合初始條件v(0) = V0，式(8)可以給出：

8）車輛火災(zāi)熱釋放功率按20 MW 計(jì)算。

2.3 需風(fēng)量計(jì)算

設(shè)計(jì)需風(fēng)量取各車速工況稀釋一氧化碳（CO）和煙塵（VI），除異味（換氣），火災(zāi)通風(fēng)需風(fēng)量中的最大值。針對(duì)分叉隧道合流、分流處，設(shè)計(jì)按照假定風(fēng)壓恒定原則，隧道分叉口風(fēng)量分配與各洞口斷面積成正比，并且結(jié)合通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)法核算，最終得出各段風(fēng)量。如圖2、3 所示：

圖2 北線隧道需風(fēng)量（m3/s）

圖3 南線隧道需風(fēng)量（m3/s）

2.4 設(shè)備選型

結(jié)合隧道凈空斷面尺寸，按盡量選擇推力效率高、制造技術(shù)成熟風(fēng)機(jī)的原則，射流風(fēng)機(jī)升壓力按照《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D70/2-02-2014）進(jìn)行計(jì)算，因此本設(shè)計(jì)選用100# 雙向射流風(fēng)機(jī)，單臺(tái)功率30 kW，射流風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速26.3 m/s，推力1057N，各段設(shè)備臺(tái)數(shù)見圖4 及表2。

圖4 隧道分區(qū)域網(wǎng)絡(luò)圖

表2 射流風(fēng)機(jī)配置表

2.5 系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)計(jì)

隧道通風(fēng)控制按一氧化碳濃度、煙霧濃度指標(biāo)，分近、遠(yuǎn)期，正常工況，交通阻塞及火災(zāi)幾種工況。

車輛按較高速度正常行駛，車輛帶進(jìn)隧道的新鮮空氣滿足隧道內(nèi)換氣要求，所以隧道換氣不作為風(fēng)機(jī)控制因素。

1）正常工況：經(jīng)計(jì)算，隧道內(nèi)車輛保持40 km/h 以上工況車速行駛時(shí)，隧道交通通風(fēng)力可以滿足隧道設(shè)計(jì)環(huán)境要求，所有射流風(fēng)機(jī)皆無需開啟。

2）阻滯工況：該工況下，交通通風(fēng)力幾乎接近于零，開啟全部射流風(fēng)機(jī)以保持隧道設(shè)計(jì)環(huán)境衛(wèi)生條件。當(dāng)阻滯時(shí)間超過20 min 時(shí)，應(yīng)暫時(shí)關(guān)閉隧道入口，限制車輛進(jìn)入隧道。

3）火災(zāi)工況：對(duì)于大型立交隧道，火災(zāi)工況通風(fēng)工況復(fù)雜，作為關(guān)鍵的問題在第三節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)分析研究。

3 關(guān)鍵問題研究

3.1 排煙控制風(fēng)速研究

圖5 蓮塘隧道主線火災(zāi)臨界風(fēng)速模型

圖6 北線分叉口控制風(fēng)速模型

1）由于斷面和坡率的不同，互通立交不同位置發(fā)生火災(zāi)，控制火災(zāi)煙流流動(dòng)的臨界風(fēng)速不同。通過數(shù)值模擬及理論計(jì)算，大型互通立交控制火災(zāi)煙流縱向流動(dòng)的臨界風(fēng)速可按表3 取值（火災(zāi)功率為20 MW）。

表3 不同隧道段火災(zāi)的臨界風(fēng)速表

2）為保證火災(zāi)煙流按照規(guī)定路線排走，不流入另一分岔口，在大型互通分岔處應(yīng)保證有一定的控制風(fēng)速。通過模擬，北線蓮塘分岔口連接線主線的控制風(fēng)速為1.5 m/s。南線分岔處口的控制風(fēng)速為1.0 m/s。

3）若火災(zāi)下游橫通道在火災(zāi)情況下未關(guān)閉，必須有大于1.5 m/s 的風(fēng)速才能保證火災(zāi)煙流不流入未火災(zāi)隧道。

3.2 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)研究

深圳東部過境蓮塘隧道大型地下立交的風(fēng)流組織已經(jīng)完全不同于普通的單管隧道，存在多風(fēng)流出入口及多風(fēng)流交匯點(diǎn)，已經(jīng)形成通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，《細(xì)則》中的通風(fēng)計(jì)算理論已經(jīng)不能解決該地下立交的通風(fēng)計(jì)算，需采用通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算理論進(jìn)行設(shè)計(jì)[3]。

風(fēng)流理論研究風(fēng)流在隧道中的流動(dòng)特征，討論的是風(fēng)流的微觀現(xiàn)象。風(fēng)流在網(wǎng)絡(luò)中需要遵守以下三個(gè)定律：

①質(zhì)量守恒定律：在單位時(shí)間內(nèi)，任一節(jié)點(diǎn)流入和流出空氣質(zhì)量的代數(shù)和為零。

②能量守恒定律（風(fēng)壓平衡定律）：在任何閉合回路（或網(wǎng)孔）上所發(fā)生的風(fēng)流能量轉(zhuǎn)換的代數(shù)和為零。

③通風(fēng)阻力定律：對(duì)于處于完全紊流狀態(tài)的風(fēng)流，其阻力遵守平方關(guān)系。

以上三定律是進(jìn)行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算的基本依據(jù)，本工程通風(fēng)風(fēng)量的最后核算與高校合作進(jìn)行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)分析，對(duì)設(shè)計(jì)理論計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證，保證隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。

3.3 防災(zāi)救援通風(fēng)研究

疏散救援原則：火災(zāi)時(shí)，所有進(jìn)出口實(shí)行交通管制，啟動(dòng)應(yīng)急救援預(yù)案。著火隧道內(nèi)著火點(diǎn)上游人員棄車通過人行橫通道疏散至相鄰隧道。著火隧道內(nèi)著火點(diǎn)下游車輛迅速駛離隧道（隧道擁堵時(shí)，火災(zāi)隧道人員均棄車逃生），同時(shí)關(guān)閉車行橫通道的防火卷簾?；鹎檩^小時(shí)，非著火隧道車輛停駛，等待著火隧道人員疏散完畢后，再駛離隧道?；蝌v出內(nèi)側(cè)車道，并加速駛離隧道。火情需要外部消防救援時(shí)，隧道監(jiān)控中心應(yīng)根據(jù)交通情況引導(dǎo)消防車輛通過著火隧道下游或非著火隧道到達(dá)火災(zāi)位置。

排煙原則：著火隧道開啟適當(dāng)位置、適當(dāng)數(shù)量射流風(fēng)機(jī)，控制煙流沿行車方向下游流動(dòng)，煙流不逆流。煙氣自豎井或洞口排出。相關(guān)非著火隧道射流風(fēng)機(jī)需根據(jù)著火點(diǎn)不同，開啟射流風(fēng)機(jī)正轉(zhuǎn)或逆轉(zhuǎn)，以阻止煙氣進(jìn)入。

全線隧道根據(jù)著火點(diǎn)位置不同共設(shè)計(jì)12 種通風(fēng)設(shè)備運(yùn)行工況，位置見圖4。表4、5 為北線隧道、南線隧道防災(zāi)救援通風(fēng)策略。

表4 北線隧道防災(zāi)救援通風(fēng)策略

表5 南線隧道防災(zāi)救援通風(fēng)策略

4 結(jié)語

綜上所述，針對(duì)不同形式的大型“Y”型分岔隧道，臨界風(fēng)速需要在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上結(jié)合模擬分析軟件進(jìn)行核算，互通立交隧道的風(fēng)流互通模式需要采用通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算方法進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算，大型分叉隧道防災(zāi)救援關(guān)系重大，防災(zāi)救援的具體通風(fēng)形式需要進(jìn)行詳細(xì)的分析研究，本文通過對(duì)具體工程案例的分析，希望對(duì)未來隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一定參考。