分叉式公路隧道通風設計實例及問題研究

林欣欣

北京市市政工程設計研究總院有限公司

0 引言

隨著我國城市化建設的不斷推進，整個國家公路網在逐步完善升級，公路隧道的建設速度越來越快，公路隧道已經從單管隧道發展為有多出入口的分叉隧道，隧道出入口滿足不同區域的車流量要求，分叉隧道的出現對隧道通風系統提出了新的要求，通風系統的設計需要滿足各區間新風量的需求同時又要保證火災情況下排煙的要求，本文以東部過境高速公路蓮塘隧道通風系統設計為實例，對分叉隧道設計中遇見的問題進行深入探討。

1 工程概況

東部過境高速公路位于深圳市羅湖區，龍崗區及坪山新區內，路線基本為西南—東北走向，路線全長32.5 公里，公路等級為高速公路。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，主線設計時速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。隧道設計縱坡：-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 通風系統設計

2.1 通風系統設計原則

隧道通風主要滿足以下要求：稀釋隧道內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，保證合理的隧道衛生標準。火災事故中，隧道通風系統可排出火災產生的煙霧，并防止火災產生熱量的擴散，提供一定數量的新風，保證人員的疏散和消防撲救。控制排放和噪聲，滿足環保要求。本項目采用縱向通風+豎井排煙方式。

2.2 通風系統設計技術標準

各設計參數根據文獻[1-2]確定：

1）一氧化碳（CO）允許濃度

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

交通阻滯時：短時間（20 min）以內為150 cm3/m3，計算長度1km。

2）煙塵允許濃度

隧道內采用LED 燈光源，煙塵設計濃度具體如表1 所示：

表1 煙塵設計濃度

3）隧道內縱向風速：<10 m/s。

4）隧道換氣次數：n≥3 次/h。

5）隧道內換氣風速：v≥1.5 m/s。

6）自然風速（設計取值）：vn=±2.5 m/s。

7）火災工況設計控制風速

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系下的位置。結合初始條件v(0) = V0，式(8)可以給出：

8）車輛火災熱釋放功率按20 MW 計算。

2.3 需風量計算

設計需風量取各車速工況稀釋一氧化碳（CO）和煙塵（VI），除異味（換氣），火災通風需風量中的最大值。針對分叉隧道合流、分流處，設計按照假定風壓恒定原則，隧道分叉口風量分配與各洞口斷面積成正比，并且結合通風網絡法核算，最終得出各段風量。如圖2、3 所示：

圖2 北線隧道需風量（m3/s）

圖3 南線隧道需風量（m3/s）

2.4 設備選型

結合隧道凈空斷面尺寸，按盡量選擇推力效率高、制造技術成熟風機的原則，射流風機升壓力按照《公路隧道通風設計細則》（JTG/T D70/2-02-2014）進行計算，因此本設計選用100# 雙向射流風機，單臺功率30 kW，射流風機出口風速26.3 m/s，推力1057N，各段設備臺數見圖4 及表2。

圖4 隧道分區域網絡圖

表2 射流風機配置表

2.5 系統運行設計

隧道通風控制按一氧化碳濃度、煙霧濃度指標，分近、遠期，正常工況，交通阻塞及火災幾種工況。

車輛按較高速度正常行駛，車輛帶進隧道的新鮮空氣滿足隧道內換氣要求，所以隧道換氣不作為風機控制因素。

1）正常工況：經計算，隧道內車輛保持40 km/h 以上工況車速行駛時，隧道交通通風力可以滿足隧道設計環境要求，所有射流風機皆無需開啟。

2）阻滯工況：該工況下，交通通風力幾乎接近于零，開啟全部射流風機以保持隧道設計環境衛生條件。當阻滯時間超過20 min 時，應暫時關閉隧道入口，限制車輛進入隧道。

3）火災工況：對于大型立交隧道，火災工況通風工況復雜，作為關鍵的問題在第三節進行了詳細分析研究。

3 關鍵問題研究

3.1 排煙控制風速研究

圖5 蓮塘隧道主線火災臨界風速模型

圖6 北線分叉口控制風速模型

1）由于斷面和坡率的不同，互通立交不同位置發生火災，控制火災煙流流動的臨界風速不同。通過數值模擬及理論計算，大型互通立交控制火災煙流縱向流動的臨界風速可按表3 取值（火災功率為20 MW）。

表3 不同隧道段火災的臨界風速表

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

3）若火災下游橫通道在火災情況下未關閉，必須有大于1.5 m/s 的風速才能保證火災煙流不流入未火災隧道。

3.2 通風網絡研究

深圳東部過境蓮塘隧道大型地下立交的風流組織已經完全不同于普通的單管隧道，存在多風流出入口及多風流交匯點，已經形成通風網絡，《細則》中的通風計算理論已經不能解決該地下立交的通風計算，需采用通風網絡計算理論進行設計[3]。

風流理論研究風流在隧道中的流動特征，討論的是風流的微觀現象。風流在網絡中需要遵守以下三個定律：

①質量守恒定律：在單位時間內，任一節點流入和流出空氣質量的代數和為零。

②能量守恒定律（風壓平衡定律）：在任何閉合回路（或網孔）上所發生的風流能量轉換的代數和為零。

③通風阻力定律：對于處于完全紊流狀態的風流，其阻力遵守平方關系。

以上三定律是進行通風網絡解算的基本依據，本工程通風風量的最后核算與高校合作進行通風網絡分析，對設計理論計算進行驗證，保證隧道通風系統設計的合理性。

3.3 防災救援通風研究

疏散救援原則：火災時，所有進出口實行交通管制，啟動應急救援預案。著火隧道內著火點上游人員棄車通過人行橫通道疏散至相鄰隧道。著火隧道內著火點下游車輛迅速駛離隧道（隧道擁堵時，火災隧道人員均棄車逃生），同時關閉車行橫通道的防火卷簾。火情較小時，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。或騰出內側車道，并加速駛離隧道。火情需要外部消防救援時，隧道監控中心應根據交通情況引導消防車輛通過著火隧道下游或非著火隧道到達火災位置。

排煙原則：著火隧道開啟適當位置、適當數量射流風機，控制煙流沿行車方向下游流動，煙流不逆流。煙氣自豎井或洞口排出。相關非著火隧道射流風機需根據著火點不同，開啟射流風機正轉或逆轉，以阻止煙氣進入。

全線隧道根據著火點位置不同共設計12 種通風設備運行工況，位置見圖4。表4、5 為北線隧道、南線隧道防災救援通風策略。

表4 北線隧道防災救援通風策略

表5 南線隧道防災救援通風策略

4 結語

綜上所述，針對不同形式的大型“Y”型分岔隧道，臨界風速需要在理論計算的基礎上結合模擬分析軟件進行核算，互通立交隧道的風流互通模式需要采用通風網絡的計算方法進行設計驗算，大型分叉隧道防災救援關系重大，防災救援的具體通風形式需要進行詳細的分析研究，本文通過對具體工程案例的分析，希望對未來隧道通風系統設計提供一定參考。