合肥少荃湖隧道通風系統(tǒng)設計探討

蔡昊

合肥市市政設計研究總院有限公司

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1090 m，設計為雙向8車道的城市主干道，是安徽省目前已建成的斷面最大的水下隧道。隧道遠期預測交通量為2698 pcu/h，設計行車速度為60 km/h，不通行危險化學用品車輛。

圖1 少荃湖路隧道實景圖

2 通風方案選擇

目前國內(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高，運營控制復雜，該方式適用于隧道內(nèi)車流量較大、暗埋段較長并且經(jīng)常發(fā)生阻滯的隧道。縱向通風排煙方式適用于單向交通的隧道，可以控制射流風機產(chǎn)生的縱向風速不小于臨界風速，將火災煙氣全部吹往下游，火源上游人員下車后在無煙環(huán)境中進行疏散，火源下游人員可以乘車在無煙環(huán)境中進行疏散。

少荃湖隧道為雙管單層單向交通隧道，不通行行人和非機動車，結(jié)合隧道單向交通的特點，采用射流風機全縱向通風方式。正常運營時可利用車輛在隧道內(nèi)行使時產(chǎn)生的活塞風稀釋隧道內(nèi)的污染空氣。當隧道內(nèi)發(fā)生阻塞或停滯時，根據(jù)隧道內(nèi)的環(huán)境空氣質(zhì)量情況，開啟進行誘導縱向通風。隧道內(nèi)發(fā)生火災時，開啟全部風機，沿車行方向進行縱向排煙，將煙氣排至隧道洞口外。

3 通風系統(tǒng)設計

3.1 隧道環(huán)境設計標準

對于隧道內(nèi)的環(huán)境設計參數(shù)通常分為三類：安全標準，衛(wèi)生標準和舒適性標準，其中安全性標準主要考慮稀釋機動車排放的煙塵為主。衛(wèi)生標準應以控制隧道內(nèi)部的二氧化碳濃度為首要任務。而舒適性標準主要是考慮行車過程中輪胎摩擦等帶來的異味及隧道內(nèi)的富余熱量，這部分通常難以量化，可以通過保證一定標準的換氣次數(shù)來保證。本隧道環(huán)境設計標準如表1：

表1 隧道環(huán)境設計標準

3.2 需風量計算

確定隧道的需風量需分別計算稀釋煙塵，CO 的需風量以及保證換氣次數(shù)的所需風量，并取三者的最大值確定。對于射流風機兼做縱向排煙的隧道還應校核火災時的排煙量。

3.2.1 通風需風量

設計小時交通量以及對應的機動車有害氣體排放量是計算稀釋煙塵、CO 的需風量的主要依據(jù)。機動車尾氣排放中的有害氣體排放量是影響通風系統(tǒng)規(guī)模的一個主要因素。機動車有害氣體排放量以各設計目標年份對應的交通量及有害氣體基準排放量為主要參數(shù)，隨著我國汽車工業(yè)的進步、國家汽車污染物排放法規(guī)的不斷完善和嚴格、油料品質(zhì)的不斷提高，機動車有害氣體基準排放量會逐年遞減，因此有害氣體排放量的確定，應與設計目標相匹配[1]。

本工程遠期設計目標年為2035 年，機動車有害氣體基準排放量以2000 年為起點，按每年2.0%的遞減率計算至設計目標年份，最大折減年限取30 年。

經(jīng)計算，本工程設計污染物排放量如表2：

表2 設計污染物排放量

計算稀釋污染物的需風量需要考慮多種因素，如道路等級越低，出現(xiàn)低速老舊車型的機率越高，污染物排放量也較多。沿行車方向上坡發(fā)動機負載大，污染物排放量增多。海拔越高發(fā)動機運行工況差造成污染物排放增多等[2]。綜合考慮縱坡系數(shù)，車型車況系數(shù)以及海拔高度等系數(shù)，本隧道通風需風量見表3：

表3 隧道通風量計算表

3.2.2 火災排煙的需風量

少荃湖隧道為雙洞單向隧道，不通行集裝箱車和?；闷奋囕v，選取最大火災熱釋放功率為20 MW，參考《公路隧道通風設計細則》確定火災臨界風速為3 m/s,火災排煙需風量計算公式如下：

式中：Qreq(f)為隧道火災排煙需風量，m3/s；Ar為隧道凈空斷面積，m2；v 為隧道火災臨界風速，m2。

少荃湖隧道隧道凈空斷面為82 m2，計算確定火災排煙需風量為246 m3/s。

4 設備選型與配置

少荃湖隧道采用射流風機進行全縱向通風兼排煙，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 射流風機。隧道射流風機群的總升壓力根據(jù)隧道內(nèi)壓力平衡方程計算：

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

圖2 少荃湖路隧道通風系統(tǒng)原理圖

經(jīng)計算，隧道射流風機群的總升壓力為38 N/m2，選用單臺推力為5.6 N/m2的射流風機共18 臺（圖2），每3 臺為一組，左右線各3 組，風機前后均配置2D 長度的消聲器。值得注意的是射流風機兼顧排煙，火災時射流風機可能直接位于火源處，為保證排煙能力，需校核并滿足設備配置的冗余量。射流風機直接懸掛在隧道頂部，安裝射流風機處隧道頂局部抬高，不影響行車限界。

5 設計中若干問題的思考

5.1 防災救援組織

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)生事故或火災危險性極大，隧道通風排煙系統(tǒng)的首要任務是及時排出煙氣為人員疏散提供時間和空間上的保證，本隧道為雙洞單向交通隧道，在只考慮一起火災的情況下，當某向隧道發(fā)生火災時可由對向隧道作為救援通道，射流風機負責誘導排除煙氣，同時提供清晰的指示風向，引導人員迎著氣流方向從最近的疏散橫通道進入對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 火災釋熱量的選取

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

5.3 光過渡對通風氣流組織的優(yōu)化作用

光過渡是隧道洞口常見的裝飾手法，其可形成光環(huán)境過渡區(qū)，緩解亮度差異造成的視覺沖擊，提高行車安全。目前常用的光過渡設計中通常將光過渡當作裝飾雨棚設計，左右線進出洞口均設置，且光過渡范圍內(nèi)中隔墻采用通透方式，如圖4 所示：

圖4 普通光過度實景圖

筆者認為在縱向通風工況下，隧道中車輛產(chǎn)生的廢氣均經(jīng)過射流風機誘導組織，通過洞口直接排放。在雙洞發(fā)生交通阻塞開啟風機通風時，上述光過渡方案極易將某側(cè)洞口排出的廢氣再次卷吸進入對向隧道洞中，從而造成隧道內(nèi)污染物超標，排煙工況下亦是如此。因此筆者認為應對進出洞光過渡進行區(qū)別設計，將出入洞見天位置交錯設置或采用電控通風型光過渡方案，防止氣流卷吸回流，如圖5 所示。

圖5 電控通風型型光過渡示意圖

少荃湖隧道在方案設計階段考慮了此種交錯型光過渡方案但在后期，出于整體景觀和洞口效果的考慮取消了光過渡設置，從設計角度留下了一個遺憾。

6 結(jié)語

對于暗埋段長度小于2000 m 的隧道，射流風機全縱向通風方式是一項經(jīng)濟合理的選擇。在通風系統(tǒng)設計時需合理確定火災規(guī)模，根據(jù)工程條件優(yōu)化風機配置，同時建議充分利用洞口光過渡的設置強化通風的效果。