合肥少荃湖隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

蔡昊

合肥市市政設(shè)計(jì)研究總院有限公司

1 工程概況

少荃湖隧道位于合肥市新站區(qū)，是文忠路下穿少荃湖段隧道，隧道暗埋段全長(zhǎng)1090 m，設(shè)計(jì)為雙向8車(chē)道的城市主干道，是安徽省目前已建成的斷面最大的水下隧道。隧道遠(yuǎn)期預(yù)測(cè)交通量為2698 pcu/h，設(shè)計(jì)行車(chē)速度為60 km/h，不通行危險(xiǎn)化學(xué)用品車(chē)輛。

圖1 少荃湖路隧道實(shí)景圖

2 通風(fēng)方案選擇

目前國(guó)內(nèi)外隧道采用的排煙方式主要有縱向式，橫向和半橫向式三種。橫向和半橫向式排煙方式由于造價(jià)高，運(yùn)營(yíng)控制復(fù)雜，該方式適用于隧道內(nèi)車(chē)流量較大、暗埋段較長(zhǎng)并且經(jīng)常發(fā)生阻滯的隧道?？v向通風(fēng)排煙方式適用于單向交通的隧道，可以控制射流風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的縱向風(fēng)速不小于臨界風(fēng)速，將火災(zāi)煙氣全部吹往下游，火源上游人員下車(chē)后在無(wú)煙環(huán)境中進(jìn)行疏散，火源下游人員可以乘車(chē)在無(wú)煙環(huán)境中進(jìn)行疏散。

少荃湖隧道為雙管單層單向交通隧道，不通行行人和非機(jī)動(dòng)車(chē)，結(jié)合隧道單向交通的特點(diǎn)，采用射流風(fēng)機(jī)全縱向通風(fēng)方式。正常運(yùn)營(yíng)時(shí)可利用車(chē)輛在隧道內(nèi)行使時(shí)產(chǎn)生的活塞風(fēng)稀釋隧道內(nèi)的污染空氣。當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生阻塞或停滯時(shí)，根據(jù)隧道內(nèi)的環(huán)境空氣質(zhì)量情況，開(kāi)啟進(jìn)行誘導(dǎo)縱向通風(fēng)。隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，開(kāi)啟全部風(fēng)機(jī)，沿車(chē)行方向進(jìn)行縱向排煙，將煙氣排至隧道洞口外。

3 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 隧道環(huán)境設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于隧道內(nèi)的環(huán)境設(shè)計(jì)參數(shù)通常分為三類(lèi)：安全標(biāo)準(zhǔn)，衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)和舒適性標(biāo)準(zhǔn)，其中安全性標(biāo)準(zhǔn)主要考慮稀釋機(jī)動(dòng)車(chē)排放的煙塵為主。衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)以控制隧道內(nèi)部的二氧化碳濃度為首要任務(wù)。而舒適性標(biāo)準(zhǔn)主要是考慮行車(chē)過(guò)程中輪胎摩擦等帶來(lái)的異味及隧道內(nèi)的富余熱量，這部分通常難以量化，可以通過(guò)保證一定標(biāo)準(zhǔn)的換氣次數(shù)來(lái)保證。本隧道環(huán)境設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)如表1：

表1 隧道環(huán)境設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

3.2 需風(fēng)量計(jì)算

確定隧道的需風(fēng)量需分別計(jì)算稀釋煙塵，CO 的需風(fēng)量以及保證換氣次數(shù)的所需風(fēng)量，并取三者的最大值確定。對(duì)于射流風(fēng)機(jī)兼做縱向排煙的隧道還應(yīng)校核火災(zāi)時(shí)的排煙量。

3.2.1 通風(fēng)需風(fēng)量

設(shè)計(jì)小時(shí)交通量以及對(duì)應(yīng)的機(jī)動(dòng)車(chē)有害氣體排放量是計(jì)算稀釋煙塵、CO 的需風(fēng)量的主要依據(jù)。機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放中的有害氣體排放量是影響通風(fēng)系統(tǒng)規(guī)模的一個(gè)主要因素。機(jī)動(dòng)車(chē)有害氣體排放量以各設(shè)計(jì)目標(biāo)年份對(duì)應(yīng)的交通量及有害氣體基準(zhǔn)排放量為主要參數(shù)，隨著我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的進(jìn)步、國(guó)家汽車(chē)污染物排放法規(guī)的不斷完善和嚴(yán)格、油料品質(zhì)的不斷提高，機(jī)動(dòng)車(chē)有害氣體基準(zhǔn)排放量會(huì)逐年遞減，因此有害氣體排放量的確定，應(yīng)與設(shè)計(jì)目標(biāo)相匹配[1]。

本工程遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)目標(biāo)年為2035 年，機(jī)動(dòng)車(chē)有害氣體基準(zhǔn)排放量以2000 年為起點(diǎn)，按每年2.0%的遞減率計(jì)算至設(shè)計(jì)目標(biāo)年份，最大折減年限取30 年。

經(jīng)計(jì)算，本工程設(shè)計(jì)污染物排放量如表2：

表2 設(shè)計(jì)污染物排放量

計(jì)算稀釋污染物的需風(fēng)量需要考慮多種因素，如道路等級(jí)越低，出現(xiàn)低速老舊車(chē)型的機(jī)率越高，污染物排放量也較多。沿行車(chē)方向上坡發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載大，污染物排放量增多。海拔越高發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況差造成污染物排放增多等[2]。綜合考慮縱坡系數(shù)，車(chē)型車(chē)況系數(shù)以及海拔高度等系數(shù)，本隧道通風(fēng)需風(fēng)量見(jiàn)表3：

表3 隧道通風(fēng)量計(jì)算表

3.2.2 火災(zāi)排煙的需風(fēng)量

少荃湖隧道為雙洞單向隧道，不通行集裝箱車(chē)和?；闷奋?chē)輛，選取最大火災(zāi)熱釋放功率為20 MW，參考《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》確定火災(zāi)臨界風(fēng)速為3 m/s,火災(zāi)排煙需風(fēng)量計(jì)算公式如下：

式中：Qreq(f)為隧道火災(zāi)排煙需風(fēng)量，m3/s；Ar為隧道凈空斷面積，m2；v 為隧道火災(zāi)臨界風(fēng)速，m2。

少荃湖隧道隧道凈空斷面為82 m2，計(jì)算確定火災(zāi)排煙需風(fēng)量為246 m3/s。

4 設(shè)備選型與配置

少荃湖隧道采用射流風(fēng)機(jī)進(jìn)行全縱向通風(fēng)兼排煙，考慮到隧道穿越少荃湖的覆土要求，為減少隧道埋深，采用φ710 射流風(fēng)機(jī)。隧道射流風(fēng)機(jī)群的總升壓力根據(jù)隧道內(nèi)壓力平衡方程計(jì)算：

式中：∑Δpj為射流風(fēng)機(jī)群總升壓力，N/m2；Δpr為隧道內(nèi)通風(fēng)阻力，N/m2；Δpm為隧道自然通風(fēng)力，N/m2；Δpt為隧道內(nèi)交通風(fēng)力，N/m2。

圖2 少荃湖路隧道通風(fēng)系統(tǒng)原理圖

經(jīng)計(jì)算，隧道射流風(fēng)機(jī)群的總升壓力為38 N/m2，選用單臺(tái)推力為5.6 N/m2的射流風(fēng)機(jī)共18 臺(tái)（圖2），每3 臺(tái)為一組，左右線(xiàn)各3 組，風(fēng)機(jī)前后均配置2D 長(zhǎng)度的消聲器。值得注意的是射流風(fēng)機(jī)兼顧排煙，火災(zāi)時(shí)射流風(fēng)機(jī)可能直接位于火源處，為保證排煙能力，需校核并滿(mǎn)足設(shè)備配置的冗余量。射流風(fēng)機(jī)直接懸掛在隧道頂部，安裝射流風(fēng)機(jī)處隧道頂局部抬高，不影響行車(chē)限界。

5 設(shè)計(jì)中若干問(wèn)題的思考

5.1 防災(zāi)救援組織

市政隧道通行交通量大，且通常位于城市中心或人流密集區(qū)，如發(fā)生事故或火災(zāi)危險(xiǎn)性極大，隧道通風(fēng)排煙系統(tǒng)的首要任務(wù)是及時(shí)排出煙氣為人員疏散提供時(shí)間和空間上的保證，本隧道為雙洞單向交通隧道，在只考慮一起火災(zāi)的情況下，當(dāng)某向隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)可由對(duì)向隧道作為救援通道，射流風(fēng)機(jī)負(fù)責(zé)誘導(dǎo)排除煙氣，同時(shí)提供清晰的指示風(fēng)向，引導(dǎo)人員迎著氣流方向從最近的疏散橫通道進(jìn)入對(duì)向救援通道安全疏散。本工程疏散救援路徑如圖3 所示：

圖3 隧道疏散救援示意圖

5.2 火災(zāi)釋熱量的選取

相關(guān)研究表明對(duì)于火災(zāi)釋熱量來(lái)說(shuō)，縱向通風(fēng)是一把雙刃劍。一方面它為火焰的燃燒帶來(lái)更多的氧氣，使釋熱量增加。另一方面它帶來(lái)的空氣又可以對(duì)火災(zāi)環(huán)境起到一個(gè)降溫的作用[3]。筆者認(rèn)為縱向排煙不同于橫向排煙方式，其最重要的作用是營(yíng)造一個(gè)穩(wěn)定的斷面風(fēng)速，保證火源點(diǎn)后方的安全環(huán)境，使人員可以安全撤離，因此沒(méi)有必要追求過(guò)高火災(zāi)釋熱量的縱向風(fēng)速。本工程不通行集裝箱貨車(chē)，參考上海地方標(biāo)準(zhǔn)及美國(guó)《公路隧道/橋梁和其他封閉式高速公路防火標(biāo)準(zhǔn)》NEPA520（2004 版），選取火災(zāi)釋熱量為20 MW，此外綜合考慮人能清晰感受風(fēng)速基本在1.5～2 m/s 左右，本工程選取了3 m/s 作為火災(zāi)排煙的臨界風(fēng)速。

5.3 光過(guò)渡對(duì)通風(fēng)氣流組織的優(yōu)化作用

光過(guò)渡是隧道洞口常見(jiàn)的裝飾手法，其可形成光環(huán)境過(guò)渡區(qū)，緩解亮度差異造成的視覺(jué)沖擊，提高行車(chē)安全。目前常用的光過(guò)渡設(shè)計(jì)中通常將光過(guò)渡當(dāng)作裝飾雨棚設(shè)計(jì)，左右線(xiàn)進(jìn)出洞口均設(shè)置，且光過(guò)渡范圍內(nèi)中隔墻采用通透方式，如圖4 所示：

圖4 普通光過(guò)度實(shí)景圖

筆者認(rèn)為在縱向通風(fēng)工況下，隧道中車(chē)輛產(chǎn)生的廢氣均經(jīng)過(guò)射流風(fēng)機(jī)誘導(dǎo)組織，通過(guò)洞口直接排放。在雙洞發(fā)生交通阻塞開(kāi)啟風(fēng)機(jī)通風(fēng)時(shí)，上述光過(guò)渡方案極易將某側(cè)洞口排出的廢氣再次卷吸進(jìn)入對(duì)向隧道洞中，從而造成隧道內(nèi)污染物超標(biāo)，排煙工況下亦是如此。因此筆者認(rèn)為應(yīng)對(duì)進(jìn)出洞光過(guò)渡進(jìn)行區(qū)別設(shè)計(jì)，將出入洞見(jiàn)天位置交錯(cuò)設(shè)置或采用電控通風(fēng)型光過(guò)渡方案，防止氣流卷吸回流，如圖5 所示。

圖5 電控通風(fēng)型型光過(guò)渡示意圖

少荃湖隧道在方案設(shè)計(jì)階段考慮了此種交錯(cuò)型光過(guò)渡方案但在后期，出于整體景觀和洞口效果的考慮取消了光過(guò)渡設(shè)置，從設(shè)計(jì)角度留下了一個(gè)遺憾。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于暗埋段長(zhǎng)度小于2000 m 的隧道，射流風(fēng)機(jī)全縱向通風(fēng)方式是一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)合理的選擇。在通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需合理確定火災(zāi)規(guī)模，根據(jù)工程條件優(yōu)化風(fēng)機(jī)配置，同時(shí)建議充分利用洞口光過(guò)渡的設(shè)置強(qiáng)化通風(fēng)的效果。