海口文明東越江通道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計分析

王亮

上海市隧道工程軌道交通設(shè)計研究院

1 工程概況

文明東越江通道位于海南省海口市，為城市主干路機(jī)動車專用隧道，單孔單向行駛，通行各類客車。主線封閉段全長：北線隧道2360 m，南線隧道1740 m。遠(yuǎn)期設(shè)計年份2035 年。隧道采用明挖法施工，采用兩孔一管廊形式，中間管廊上部為電纜通道，下部為安全通道。主線設(shè)計車速60 km/h，匝道40 km/h，主線最大坡度為±5%，北線設(shè)置一對出口匝道，南線設(shè)置一對入口匝道。

本隧道車輛采用單孔單向行駛，正常交通時，活塞風(fēng)較大，采用縱向通風(fēng)方式可有效利用活塞風(fēng)[1]，相比橫向通風(fēng)能節(jié)約運行費用。同時射流風(fēng)機(jī)直接吊設(shè)于隧道頂部，也大大減少了通風(fēng)機(jī)房的土建規(guī)模。正常運營時，活塞風(fēng)即可滿足隧道通風(fēng)要求，無需開啟射流風(fēng)機(jī)。

考慮到本工程項目匝道多，洞口多，每個匝道出口均可承擔(dān)一定的排污能力，且隧道總長度不長，因此通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計中充分利用了這一特點，采用了射流風(fēng)機(jī)分段縱向通風(fēng)方案，不設(shè)高排風(fēng)塔，將廢氣分別從主線洞口和匝道洞口排出隧道，以減少洞口集中排放的污染物。

2 通風(fēng)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)

隨著國家節(jié)能減排政策的實施，近年來對汽車尾氣排放的的控制越來越嚴(yán)格，管理也日臻完善，車輛的車況和排放標(biāo)準(zhǔn)均有所改善[2]。早在1994～1996 年期間，我國有關(guān)單位就對G85 渝昆高速公路重慶中山隧道進(jìn)行了大量現(xiàn)場實測。實測時，專門組成了交通量與車型組合完全符合原設(shè)計條件的車隊，進(jìn)行通風(fēng)實效的檢驗。在中梁山左線上坡隧道風(fēng)機(jī)全部運行時，所測CO 濃度平均值僅為42 ppm（單向交通）與68 ppm（雙向交通）。2010 年，中梁山隧道單洞設(shè)計高峰小時交流量較大，且出現(xiàn)經(jīng)常性的交通擁堵。有關(guān)單位再次對該隧道進(jìn)行了洞內(nèi)運營環(huán)境實測，上坡隧道在正常交通、并不開啟任何風(fēng)機(jī)情況下，洞內(nèi)CO 濃度僅為11.3～40 ppm[3]。可見即便車輛尾排控制一般的山嶺隧道CO 濃度也遠(yuǎn)低于150 ppm。另外，有科研項目組對上海市運行的隧道進(jìn)行調(diào)研的情況表明：盡管多數(shù)隧道高峰時期的交通量達(dá)設(shè)計上限值，車速不足設(shè)計速度的50%，但隧道內(nèi)污染物濃度并不高。2006年延安東路隧道高峰期實測CO 濃度不超過30 ppm，2013 年上中路隧道、復(fù)興中路隧道高峰期隧道內(nèi)記錄的CO 最高濃度不超過15 ppm，外灘通道CO 最高濃度約35 ppm，所有市區(qū)內(nèi)隧道運營中均未發(fā)生過CO或能見度超標(biāo)觸發(fā)風(fēng)機(jī)開啟的情況。從而證明，實際隧道運行時的通風(fēng)污染物濃度與《城市地下道路工程設(shè)計規(guī)范》CJJ221-2015 規(guī)定的CO 正常150 ppm、阻滯200 ppm 均相距較大。世界道路協(xié)會（PIARC）在2004 年以及2012 年技術(shù)報告中均給出相同的CO 濃度限值[4]，如表1 所示。

表1 PIARC 2012 年技術(shù)報告通風(fēng)限值

即當(dāng)洞內(nèi)正常交通時（50～100 km）和日常阻滯時CO 設(shè)計濃度均取70 ppm，較少阻滯和停滯狀態(tài)時CO濃度取取值為100 ppm，仍遠(yuǎn)小于現(xiàn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的150 ppm。考慮到我國車輛排放標(biāo)準(zhǔn)滯后歐盟5～6 年左右，上海地標(biāo)《道路隧道設(shè)計規(guī)范》DG/TJ 08-2033-2017 結(jié)合實際運營調(diào)研資料，并按PIARC2012 建議值對CO 污染物濃度限值已做出修正。所以，本工程經(jīng)綜合考慮后，CO 濃度設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)如表2 所示。

表2 CO 設(shè)計濃度限值

3 通風(fēng)設(shè)計

文明東越江通道進(jìn)出口匝道較多，正常運行時主線的活塞風(fēng)與匝道的活塞風(fēng)互相影響，隧道通風(fēng)系統(tǒng)存在多個支路和多個進(jìn)排風(fēng)口，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，常規(guī)的通風(fēng)計算方法對多匝道隧道并不能完全適用，故在本工程設(shè)計中，運用了SES 程序計算各工況下氣流分布情況。

北線隧道設(shè)置一對出口匝道，匝道由一個共用段和兩個分流段組成，南線隧道設(shè)置一對入口匝道，匝道有一個共用段和兩個合流段組成。設(shè)計采用SES 程序?qū)δ媳眱删€遠(yuǎn)期正常工況和阻塞工況下活塞風(fēng)量以及風(fēng)機(jī)配置進(jìn)行模擬計算。計算結(jié)果如下圖1～4。

圖1 北線正常工況下活塞風(fēng)量圖

圖2 南線正常工況下活塞風(fēng)量圖

圖3 北線阻塞工況下活塞風(fēng)量圖

圖4 南線阻塞工況下活塞風(fēng)量圖

從圖1～4 可以得到以下結(jié)論：1）隧道內(nèi)匝道和分流點較多，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，通過合理的氣流組織和風(fēng)機(jī)動作，可以使各個通風(fēng)區(qū)段的有效新風(fēng)量均大于設(shè)計需風(fēng)量，滿足隧道內(nèi)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。2）通過風(fēng)機(jī)的運作開啟，可以使出口匝道起到分散排污作用，減少主線出口的污染物排放量。3）阻滯工況應(yīng)按最不利交通阻滯場景配置風(fēng)機(jī)，且對各個阻滯區(qū)段均應(yīng)分析計算，風(fēng)機(jī)配置應(yīng)滿足各阻滯區(qū)段需風(fēng)量要求，保證氣流有效分配至各阻滯區(qū)段。

4 臨界風(fēng)速計算修正

本隧道采用縱向分段排煙方式，煙氣流動方與行車方向一致，火災(zāi)時煙氣流動速度不小于臨界風(fēng)速。火災(zāi)點下游（行車方向前方為下游，反之為上游）的車輛以高于煙氣流速的車速駛出隧道，火災(zāi)點上游的車輛在安全環(huán)境下疏散。縱向氣流速度應(yīng)高于臨界風(fēng)速，但不應(yīng)小于2 m/s。

對于縱向排煙臨界風(fēng)速的取值目前存在兩種方法，一是參考《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細(xì)則》規(guī)定的對應(yīng)火災(zāi)規(guī)模下直接取值。二是上海地標(biāo)《道路隧道設(shè)計規(guī)范》DG/TJ 08-2033-2017 給出的肯尼迪公式計算出臨界風(fēng)速，見式（1）、式（2）、式（3）：

式中：Vc為臨界風(fēng)速，m/s；Q 為火災(zāi)規(guī)模，kW；H 為隧道最大凈空高度，m；Kg 為坡度修正系數(shù)；i 為隧道坡度，%；Cp為空氣比熱，kJ/(kg·K)；g 為重力加速度，m/s2；T 為火災(zāi)遠(yuǎn)區(qū)空氣溫度，K；Tf為煙氣平均溫度，K；ρ 為火場遠(yuǎn)區(qū)空氣密度，kg/m3；K1為弗勞德數(shù)，取值0.606。

上海地標(biāo)中K1直接取值，對于不同火災(zāi)規(guī)模的變化未對K1取值進(jìn)行修正。而NFPA502-2017《Standard for Road Tunnels,Bridges,and Other Limited Access Highways》中給出相應(yīng)值如表3 所示，可以看出K1在火災(zāi)規(guī)模較大時取值變化不大，而在50 MW 以下時數(shù)值增大，由式（1）（2）（3）可修正臨界風(fēng)速，本工程火災(zāi)規(guī)模為30 MW，考慮地標(biāo)公式源于NFPA502，K1取值0.74 計算臨界風(fēng)速。

表3 不同火災(zāi)規(guī)模下K1取值

5 排煙設(shè)計

本工程隧道內(nèi)車流量大，進(jìn)出口匝道多，火災(zāi)場景復(fù)雜，常規(guī)的排煙計算難以適應(yīng)。設(shè)計中分析多個火災(zāi)場景，采用SES 模擬計算，控制火災(zāi)點縱向排煙風(fēng)速大于臨界風(fēng)速，通過開啟不同位置的射流風(fēng)機(jī)，使煙氣盡快排出隧道。

北線各火災(zāi)場景排煙參考圖5～圖6。

當(dāng)北線主線出口區(qū)段即2 區(qū)段發(fā)生火災(zāi)時，主線與匝道分流點前方車輛駛離隧道，火災(zāi)點至分流點布滿車輛，為防止匝道分流削弱火災(zāi)點排煙風(fēng)速，故考慮關(guān)閉匝道風(fēng)機(jī)，通過開啟主線風(fēng)機(jī)滿足縱向風(fēng)速要求。

當(dāng)主線入口區(qū)段即1 區(qū)段發(fā)生火災(zāi)時，火災(zāi)點至隧道入口布滿車輛，其余區(qū)段車輛駛離隧道，為減少煙氣火災(zāi)范圍，關(guān)閉匝道風(fēng)機(jī)，開啟主線風(fēng)機(jī)，使煙氣全部從主線洞口快速排離隧道。

當(dāng)北線B 匝道發(fā)生火災(zāi)時，著火點至分流點布滿車輛，其余區(qū)段車輛駛離隧道，之后為空隧道狀態(tài)。此時考慮關(guān)閉2 區(qū)段風(fēng)機(jī)以減小分流，反向開啟A 匝道，以最少的風(fēng)機(jī)配置滿足B 匝道火災(zāi)排煙風(fēng)速。

圖6 北線匝道火災(zāi)風(fēng)機(jī)配置及風(fēng)量圖

A 匝道火災(zāi)時與B 匝道火災(zāi)場景及風(fēng)機(jī)配置，動作原則均相同故不作贅述。

當(dāng)北線AB 共用段發(fā)生火災(zāi)時，A、B 匝道和主線車輛均駛離隧道，只有共用段火災(zāi)點至分流點布滿車輛。同樣按減少分流增大火災(zāi)區(qū)段縱向風(fēng)速的原則關(guān)閉2 區(qū)段風(fēng)機(jī)，開啟A、B 匝道風(fēng)機(jī)。

南線各火災(zāi)場景排煙參考圖7～8。

圖7 南線匝道火災(zāi)風(fēng)機(jī)配置及風(fēng)量圖

圖8 南線主線火災(zāi)風(fēng)機(jī)配置及風(fēng)量圖

由南線隧道節(jié)點圖7～8 可知，南線隧道存在5 種不利火災(zāi)場景，即C、D 匝道末端火災(zāi)，CD 共用段匝道末端火災(zāi)，主線入口末端火災(zāi)，主線出口火災(zāi)，需采用SES 程序?qū)? 種不同火災(zāi)場景一一計算分析，分析結(jié)果如下：

當(dāng)南線C 匝道末端發(fā)生火災(zāi)時，車輛布滿C 匝道，其余路段車輛駛離隧道，均考慮為空隧道，匝道至隧道出口沿線射流風(fēng)機(jī)全部開啟，考慮減少風(fēng)機(jī)配置，反向開啟D 匝道射流風(fēng)機(jī)，SES 程序模擬結(jié)果具體見圖7。

南線D 匝道火災(zāi)時，火災(zāi)場景設(shè)置原則及風(fēng)機(jī)動作原則均與C 匝道相同故不贅述，CD 共用段匝道末端火災(zāi)時，火災(zāi)點后方布滿車輛，其余路段均為空隧道，正向開啟火災(zāi)點前后區(qū)段射流風(fēng)機(jī)，關(guān)閉主線入口區(qū)段風(fēng)機(jī)。

南線主線入口區(qū)段火災(zāi)時，火災(zāi)點前方路段及匝道均為空隧道，開啟火災(zāi)點前方風(fēng)機(jī)，同時考慮反向開啟匝道風(fēng)機(jī)。

南線主線出口發(fā)生火災(zāi)時，全隧道布滿車輛，為最不利火災(zāi)工況，此時按照前述風(fēng)機(jī)配置，開啟全隧道射流風(fēng)機(jī)排煙，通過SES 程序計算最終確定的風(fēng)機(jī)配置情況。

結(jié)合不同火災(zāi)場景對應(yīng)的車輛排隊情況，通過SES 軟件對排煙進(jìn)行模擬計算，利用氣流相互作用優(yōu)化配置射流風(fēng)機(jī)，通過合理氣流組織和風(fēng)機(jī)動作，優(yōu)化風(fēng)機(jī)配置數(shù)量，滿足火災(zāi)點的縱向排煙風(fēng)速大于臨界風(fēng)速，使火災(zāi)點后方處于新風(fēng)保護(hù)區(qū)內(nèi)，后方人員疏散至安全通道或鄰孔隧道，縱向煙氣通過最短的行程快速排出隧道，以減少對隧道造成的影響。

6 結(jié)語

海口文明東越江通道匝道較多，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，其通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計具有以下特點。

1）采用分段縱向通風(fēng)方式，充分利用本工程多匝道特點，采用主線洞口和匝道分散排污，火災(zāi)時就近將煙氣排出隧道。

2）通過對標(biāo)分析并結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)有隧道運營監(jiān)測資料，確定合理的隧道污染物濃度設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

3）隧道內(nèi)匝道和分流點較多，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，利用SES 軟件通過合理的氣流組織和風(fēng)機(jī)動作，可以使各個通風(fēng)區(qū)段的有效新風(fēng)量均大于設(shè)計需風(fēng)量，滿足隧道內(nèi)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

4）通過對現(xiàn)有規(guī)范和NFPA502-2017 研究分析，對臨界風(fēng)速取值做出修正，以使本工程的縱向排煙更加可靠安全。

5）考慮本工程匝道較多，火災(zāi)場景復(fù)雜，利用SES 軟件分析多個火災(zāi)場景，針對不同火災(zāi)場景得出最合理最高效的排煙控制模式，同時考慮氣流相互干擾，確定合理的風(fēng)機(jī)配置方案。