盾構法道路隧道運營通風設計關鍵技術

張 迪

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

盾構法道路隧道運營通風設計關鍵技術

張 迪

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

為了規范與提高盾構法道路隧道通風運營關鍵技術，基于既有盾構法道路隧道的設計實踐，采用調查、歸納、總結及技術驗證的方法，提出盾構法道路隧道運營通風設計的主要依據和適用標準，總結出常用運營通風方式的優缺點及適用范圍，并結合典型工程的通風設計闡述了正常運營通風和火災通風設計的主要原則與關鍵流程，以及逃生通道和設備廊道的通風設計要點。得出通風設計應結合監控、消防等系統協調設計來保證盾構法道路隧道的整體功能，同時，指明了盾構法道路隧道運營通風實施過程中進一步降低通風機能耗及廢氣處理設備占地面積的發展方向。

盾構法；道路隧道；運營通風；火災通風

0 引言

因隧道的封閉性極強，故汽車行駛時在隧道內散發出的有害氣體(煤煙、CO、SO2等)難以及時疏散，當其集聚到一定體積分數時，便會影響人們的健康和行車安全[1];特別是隧道火災情況下會產生大量的高溫煙霧，對隧道內車輛疏散和人員逃生極具威脅，極易造成災難性后果[2]。因此，隧道運營通風關系到隧道的使用功能、防災與救援功能的發揮[3]，是決定隧道運營安全的關鍵因素之一。通過對近15年來國內外重大隧道火災傷亡事故進行統計(如表1所示)，可知隧道通風在極端情況下(如特大火災)并不能及時有效地疏散隧道內集聚的有害氣體，對隧道內的行人安全構成了極大的潛在威脅。

盾構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中得到了廣泛應用[4-6]。不同于其他類型隧道的通風設計，盾構法道路隧道通風設計受隧道斷面形式、內部設備布置和逃生救援通道設置等多重因素的制約，影響因素多，且通風工況復雜。徐永等[7]依據風險管理規范，對錢江隧道火災通風進行了研究；楊軍等[8]結合南京緯三路過江通道的工程特點，對其通風設計技術進行了分析；HU L H等[9]根據全尺寸火災試驗和數值模擬試驗，分析了火災工況下煙霧溫度的消散規律。值得注意的是，當前對盾構法道路隧道通風技術的研究主要針對火災工況下的通風工況，而對正常運營工況下的隧道通風、逃生通道和設備廊道通風等關注較少，導致盾構法道路隧道運營通風設計缺少系統性和完整性。

近年來，筆者主持了杭州慶春路隧道、杭州錢江隧道、揚州瘦西湖隧道和杭州環城北路隧道等國內多條盾構法道路隧道運營通風的設計與研究工作。在上述工作的基礎上，結合盾構法道路隧道運營通風設計經驗，對運營通風設計的主要依據和通風類型進行了系統總結。通過工程實踐，對正常運營通風設計、火災通風設計、逃生通道及設備廊道通風設計流程進行了分析，提出盾構法道路隧道運營通風設計關鍵技術，以期為類似工程設計提供借鑒和參考。

表1 隧道火災傷亡統計(1999—2013年)Table 1 Statistics of tunnel fire casualty accidents (1999—2013)

1 運營隧道通風設計依據

盾構法道路隧道運營通風設計一般在參考《公路隧道通風照明設計規范》和借鑒世界道路協會(PIARC)的推薦值的基礎上，結合隧道的具體條件及國內既有道路隧道通風的實際效果綜合確定。

盾構法道路隧道運營通風設計主要包括以下工況：1)隧道內正常交通(設計車速)；2)隧道內全程堵塞，車輛慢行(20 km/h)；3)隧道內局部交通堵塞(考慮不同阻塞區段，堵塞長度按1 000 m)；4)隧道因檢修臨時關閉一個車道，局部地段單道行駛；5)火災通風；6)逃生通道及設備廊道的通風。

1.1 道路隧道通風照明設計規范[10]

道路隧道通風主要對CO、煙霧和異味進行稀釋。

采用全橫向通風方式與半橫向通風方式時，CO設計體積分數如表2所示；采用縱向通風方式時，CO設計體積分數參照表2各值提高50×10-6；當交通阻滯時，阻滯段的平均CO設計體積分數可取300×10-6，經歷時間不宜超過20 min，阻滯段長度不宜超過1 km。

表2 CO設計體積分數Table 2 Design concentration for CO

注：隧道長度介于中間段時，可按插入法取值。

采用鈉燈光源時，煙霧設計濃度如表3所示；采用熒光燈光源時，煙霧設計濃度應提高一級。當煙霧濃度達到0.012 m-1時，應采取交通管制。當隧道內進行養護維修時，現場實際煙霧濃度不大于0.003 5 m-1。

表3 煙霧設計濃度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施的設計與施工、道路設施的運行、安全和維護等方面的信息交流，是世界道路領域最權威、最有影響的國際性組織，該組織通過研究報告的形式對CO體積分數和煙霧濃度設計值進行了規定，如表4所示。

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

1.3 國內既有道路隧道通風標準

近幾十年來，我國交通事業迅猛發展，隧道工程建設項目日益增多，已積累了很多成功經驗。我國已建成的、典型的道路隧道通風方式及CO設計體積分數如表5所示。

表5 典型道路隧道的CO體積分數設計標準Table 5 Design values for CO of typical road tunnels

1.4 其他依據

盾構法道路隧道運營通風設計應在上述依據的基礎上，兼顧尾氣排放標準、洞外有害物控制體積分數和噪聲標準等綜合確定各設計值[12]。

2 盾構法道路隧道運營通風類型

2.1 運營通風模式

隧道通風模式主要包括自然通風、縱向通風、橫向通風和半橫向通風等，通風方式的選擇與隧道長度、交通流量、行車方式、洞口環保要求和氣象環境等因素有關。

2.1.1 自然通風

當隧道長度較短時，可不安設通風機而進行自然通風。單向交通隧道的自然通風動力為汽車行駛產生的交通風。在正常通車情況下，絕大多數洞內車輛都以接近設計速度行駛，所以，交通風的風力較大且風向穩定，可作為自然通風的動力源。雙向交通隧道由于交通風相互抵消，通風只能靠自然風，但由于自然風的發生依賴于洞內外熱壓差、洞口水平氣壓差和自然風壓3個因素，因此，雙向交通隧道自然通風不穩定[13-14]。

2.1.2 縱向通風方式

縱向通風包括全射流通風和射流誘導+軸流排放組合式分段通風方式。根據隧道長度和需風量，結合隧道輔助坑道設置送排風井，可靈活掌握其組合方式，做到經濟、合理。縱向通風方式的優點有：充分利用隧道拱部凈空，對土建工程影響極小；有害物體積分數呈三角形分布，空氣清新程度較好；通風設備功率較省，運營控制簡便；單向行車時可充分利用交通風，節省運營費用。縱向通風方式以其簡單、實用的優點在隧道通風中起到越來越大的作用，成為隧道通風方式的首選。

2.1.3 橫向通風

橫向通風系統安全可靠、性能穩定、不受通風長度的限制，可同時設置送風道和排風道，隧道內基本不產生沿縱向流動的氣流，只有橫向氣流。污染物體積分數沿全隧道大體上均勻分布，全橫向通風如圖1所示。相比縱向通風方式，橫向通風方式能相對有效地控制空氣衛生品質及火災時有效排煙，因此，無論是行車的安全性還是舒適性，橫向通風都是一種較好的通風方式；但其龐大的通風管道使隧道所需的斷面積也隨之變得很大，同時，全橫向風道內送排風風速過高，這就要求風機全壓很高，導致運行費用過高。

圖1 全橫向通風Fig.1 Transverse ventilation

2.1.4 半橫向通風

利用隧道作為進風道或排風道，只需設排風道或進風道，隧道斷面介于全橫向通風和縱向通風之間，可以利用部分活塞風作用。半橫向通風可使隧道內的污染物體積分數大體上接近一致，如圖2所示。

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

排風型半橫向式通風可以解決隧道洞口環境污染問題，其洞內環境條件的改善和隧道防災排煙均較縱向式通風有利，但該方式在隧道內會出現風速為零的中性點，導致通風換氣不暢，有害物體積分數無限上升。因此，排風型半橫向式通風目前在盾構法道路隧道正常運營通風中很少采用，大多用作火災時的半橫向排煙。送風型半橫向式通風將新鮮空氣經送風管直接吹向車道，對排氣直接稀釋，對后續車很有利，污染空氣在隧道上部擴散，經過兩端洞口排出洞外；但由洞口沿隧道縱向排風，會造成進出洞口區域廢氣污染。所以，半橫向式通風雖然投資費用約為全橫向式通風的一半左右，但風道面積小，風速高，導致運營成本上升，在目前的盾構法道路隧道正常運營通風中也較少采用。

2.2 通風方式適用范圍

各種通風方式的適用范圍目前尚沒有統一的規定。近年來，國內外專家和學者從通風技術可行性及工程經濟等方面總結出各種通風方式的適用長度，如表6所示[15]。針對盾構法道路隧道一般為單向行駛的特點，依據盾構段的長度、洞口污染物環保控制標準、盾構斷面大小導致的排煙道面積大小以及煙道板施工難度、風塔設置難度、工程經濟合理性等方面，正常運營通風情況下多采用全長射流通風洞口排污或分段射流風機誘導縱向通風+風塔集中排污通風方式；火災工況下多采用全長射流洞口排煙方式、分段射流誘導風塔集中排煙通風方式或排煙道火災點附近集中排煙風塔排放方式，如表7所示[16]。

表6 各種通風方式的適用長度Table 6 Application lengths of different ventilation modes

表7 道路盾構法隧道運營通風方式Table 7 Operation ventilation modes of road tunnels

3 正常運營通風設計

3.1 正常運營通風設計原則

1)正常交通情況下，通風系統應能稀釋隧道內汽車行駛時排出的廢氣，達到衛生標準，為司乘人員、維修人員提供合適的洞內條件，為安全行車提供新鮮的空氣和清晰的能見度。

2)通風空調設備按遠期配置，土建一次到位，設備安裝需考慮近期與遠期分期實施的經濟價值及工程實施的可能與需要。

3)通風空調系統應綜合考慮節能措施，設備選型應符合安全可靠、工藝成熟、技術先進、高效節能、運行成本低及國產化的原則和條件。

4)在確保通風效果可靠性及節能運行、節約工程投資的前提下，優選適當的隧道通風方式。

5)通風空調系統各運轉設備對外、對內的噪聲以及振動必須符合國家標準及環境影響報告書的要求。

3.2 正常運營通風設計實踐

盾構法道路隧道運營通風設計流程為：預測的各年度交通量—確定通風模式—需風量計算—通風方式設計。以錢江隧道的運營通風設計為例，對正常運營通風設計流程進行總結分析。

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，建筑長度4 450 m，過江段采用盾構法施工，盾構外徑15.0 m，內徑13.7 m，是目前世界上已建成的、最大直徑的盾構法隧道之一。隧道為高速公路隧道，設計車速80 km/h，為雙向6車道[17]。隧道斷面布置如圖3所示。

3.2.2 預測交通量

根據交通量預測報告，錢江隧道過江交通量如表8所示，隧道內車型構成比例如表9所示。

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

表8 錢江隧道預測交通量Table 8 Traffic forecast of Qianjiang tunnel

3.2.3 通風模式選擇

根據《錢江通道及接線工程環境影響報告書》，隧道內廢氣在洞口直接排放會造成部分敏感點NOx超標，因此，在兩端洞口附近設置排風塔。隧道內大部分廢氣通過風塔高空排放，少量廢氣通過洞口直接排放。

表9 隧道內車型比例Table 9 Traffic flow vehicle ratio

3.2.4 需風量計算

需風量計算主要包含4步，即：按規范及預測交通量計算需風量—按適應交通量校核需風量—按稀釋空氣中異味計算需風量—設計取用新風量。參照上述步驟，最大需風量為遠景2030年、設計車速為40 km/h時的工況，計算所得的最大需風量如表10所示。

表10 計算需風量Table 10 Calculated airflow for ventilation

3.2.5 正常通風設計

隧道江南和江北分別設置排風塔，風塔內設置大型軸流風機，風機通過風口、風道與主隧道相連。正常及進口阻滯時，通風采用分流型縱向通風方式，隧道內大部分廢氣通過風塔高空排放；出口阻滯時，通風采用合流型縱向通風方式，隧道內廢氣全部通過風塔高空排放。以東線為例，正常運營的通風氣流組織如圖4和圖5所示，隧道實際運行風量如表11所示。

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

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

表11 隧道實際風量表Table 11 Required airflow for ventilation

4 火災通風設計

4.1 火災通風設計原則

盾構隧道一旦發生火災，正常通風應立即改變為火災通風，此時的通風應達到以下目的。

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

2)通風應避免和盡量減少火場高溫氣體的擴散，防止熾熱氣流引燃火場以外的車輛，造成火場擴大；應有利于消防隊員救火，使消防隊員能從上風方向接近火場，開展滅火工作。

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

4)隧道通風按同一時間發生一次火災進行設計，市政通行非貨車的隧道火災規模為20 MW，公路允許通行貨車的隧道火災規模取50 MW。

5)根據隧道斷面大小、隧道長短和通行車種類等考慮是否設置專用排煙道。

4.2 火災通風設計實踐

目前，煙道板集中排煙模式在國內應用較少，對排煙道集中排煙系統設置方案尚無相關規范指導[19]。對于盾構段較長的隧道，設置排煙道后的疏散救援效果優于無排煙道。單管兩車道盾構隧道由于斷面相對較小，頂部設置排煙道施工難度大，運營期間煙道板結構維護困難，目前一般較少采用排煙道集中排煙方式。無論盾構段是否設置排煙道，都應能滿足防災疏散要求，提供必要的火災安全疏散時間。

4.2.1 有排煙道隧道火災通風設計

錢江隧道工程設置了專用排煙道(見圖3)，火災發熱量按50 MW、煙霧產生量按200 m3/s進行火災通風設計。隧道盾構段利用頂部富余的拱形空間作為排煙風道，每隔60 m設置專用排煙風閥，風閥斷面5 000 mm×2 000 mm，用于火災時的集中排煙。在隧道兩端明挖段車行道頂部懸掛射流風機，輔助正常及交通阻塞時的誘導通風。此外，設計中對于火災通風采用CFD軟件進行了煙氣排放模擬，并在施工前進行了全尺寸實驗以確定煙道口大小，施工完成后結合逃生疏散實驗進行了火災時排煙道集中排煙和消防滅火的檢驗，效果均符合設計要求。

最終方案確定為：1)當火災發生在入口段時，開啟工作井處及盾構段始端6個排煙口，利用排煙道將煙氣排出隧道，如圖6所示；2)當火災發生在盾構段時，開啟火災點及前方共6個排煙口，同樣利用排煙道將煙氣排出隧道，如圖7所示；3)當火災發生在出口段時，開啟射流風機，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通風Fig.6 Ventilation for fire in entrance section of tunnel with extinction ventilation gallery

圖7 有排煙道隧道盾構段火災通風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通風Fig.8 Ventilation for fire in exit section of tunnel with extinction ventilation gallery

4.2.2 無排煙道隧道火災通風設計

慶春路過江隧道是錢塘江第1座盾構法水底道路隧道，全長3 765 m(以東線計)，主線設計速度60 km/h，隧道內徑10.3 m，外徑11.3 m，雙向4車道，隧道斷面布置如圖9所示。該隧道火災規模按20 MW設計。當隧道入口段發生火災時，入口段射流風機正轉形成正風、盾構段及出口段射流風機反轉形成逆風，使煙氣順盾構段流動，同時開啟入口段處工作井排風塔軸流風機，將煙氣集中排放，如圖10所示。當盾構段發生火災時，開啟盾構段6臺射流風機正轉，出口段處2臺工作井排煙風機同時運行，出口段2臺射流風機逆轉運行，在著火點形成大于2.4 m/s的風速，將煙氣從出口段工作井排出，如圖11所示。當隧道出口段發生火災時，開啟隧道內射流風機正轉，直接將煙氣由出口排出，如圖12所示。

5 逃生通道及設備廊道通風設計

1)正常情況下，逃生通道與電纜廊道共用一套通風系統，在廊道靠兩側工作井洞口處設置軸流風機，風口設置電動風閥控制氣流流動。一側工作井送風,另一側工作井排風，通過盾構段與工作井連接處的風閥控制，保證通道內的通風換氣次數不小于5次，以滿足檢修人員的安全和電纜散熱的要求。

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

2)盾構段發生火災后，關閉電纜廊道送風口風閥，開啟安全通道送風口，兩側工作井內送風機同時向逃生通道加壓送風，保證火災情況下的疏散口風速≥0.7m/s，正壓值30～50 Pa。當盾構段較長、經計算打開蓋板后疏散口風壓值不滿足要求時，在逃生通道及疏散口附近設置小型加壓風機，直接對疏散口輔助加壓，見圖13。

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

圖11 無排煙道隧道盾構段火災通風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通風Fig.12 Ventilation for fire in exit section of tunnel without extinction ventilation gallery

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

6 結論與展望

本文總結了當前常用的盾構法道路隧道運營通風類型和設計依據，介紹了正常運營通風與火災通風的主要設計流程，闡述了逃生通道及設備廊道通風設計要點，主要結論與展望如下。

1)盾構法道路隧道運營通風設計不是一個獨立的系統，應與隧道監控和消防等系統綜合協調工作，從而保證隧道的正常運營與防災功能的有效合理實現。

2)通風對于確保隧道的正常運營及防災至關重要，通風設計前應充分調研，隧道運營后應加強監管和維護。

3)隧道的能耗有很大一部分來自于隧道的通風機，應進一步開發出經濟、節能、環保的通風機械。

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量符合環保要求，但僅僅依靠風塔高空排放，也難以滿足城市用地、景觀及其他環境保護方面的要求。在城市道路中開發出占地少、能進行廢氣處理、經濟節能的通風技術與設備，將具有良好的工程應用前景。

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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年畢業于西南交通大學，土建結構工程專業，本科，高級工程師，現從事隧道及地下工程勘察設計研究與技術管理工作。

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

U 453.5

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