綜合管廊燃氣艙通風設計與探討

高彪

北京市市政工程設計研究總院有限公司

城市地下綜合管廊由于能夠容納各類市政管線，有效解決“拉鏈馬路”、“空中蜘蛛網(wǎng)”、管線事故等問題，近年來得到了較快的發(fā)展。綜合管廊是地下空間相對密閉的構筑物，容納的各類市政管線在自然狀態(tài)下隨著時間的推移會產(chǎn)生大量的余熱，余濕及有害氣體，對綜合管廊的安全運維存在較大的危害，為保證綜合管廊的運維環(huán)境，應保障其通風系統(tǒng)安全有效。其中，燃氣艙存在可燃氣體泄露的風險，風險等級較高，其通風、安全問題受到了建設、設計、管理等相關單位的高度重視。

1 工程概況

北京市通州文化旅游區(qū)位于北京市東南部，總占地面積約12 km2。為配合北京環(huán)球主題公園開園，需加快通州文化旅游區(qū)交通市政配套工程建設。工程范圍內(nèi)城市道路共包括主干路9 條、次干路12 條、支路37 條，總長度約70 km。其中綜合管廊工程涉及的道路共20 條，綜合管廊總長度約22.5 km。

圖1 綜合管廊布局圖

本工程綜合管廊大部分平行于道路中線布置，位于道路一側，沿線設置風井、吊裝口、人員出入口、出線節(jié)點等管廊附屬設施，出地面的附屬構筑物位于道路邊隔帶或周邊綠地內(nèi)。綜合管廊多數(shù)為并排布置的2～4 艙結構，包含電力艙、水信艙、電力艙、燃氣艙等艙室類型。本工程綜合管廊均為單層管廊，燃氣艙與其他艙室并排布置，考慮當燃氣艙發(fā)生爆炸事故的極端狀態(tài)下，為使造成的次生災害損失降到最低，將燃氣艙布置在綜合管廊各艙室的最外側。

2 通風系統(tǒng)設計

2.1 通風分區(qū)劃分

天然氣具有易擴散、易爆炸的特點，綜合管廊在設計時考慮將危險控制在一定區(qū)間內(nèi)，減小危險發(fā)生時波及的范圍。根據(jù)《城市綜合管廊工程技術規(guī)范GB50838-2015》的要求，本工程綜合管廊燃氣艙室每隔200 m 采用耐火極限不低于3 h 的防火墻劃分防火分隔，防火分隔處設置甲級防火門及監(jiān)控系統(tǒng)，管線穿過防火分隔處采用防火封堵措施進行嚴密封堵。通風分區(qū)原則上不可跨越防火分隔，本工程將通風分區(qū)與防火分隔統(tǒng)一設置，在每個通風分區(qū)的起點和終點分別設一座進風井、一座排風井，在綜合管廊燃氣艙全線形成進風井、排風井間隔布置的縱向通風系統(tǒng)。

圖2 綜合管廊通風分區(qū)示意圖

2.2 通風方式選擇

根據(jù)《城市綜合管廊工程技術規(guī)范GB50838-2015》的要求，綜合管廊的通風系統(tǒng)可采用自然通風和機械通風結合的方式，但燃氣艙、污水艙由于存在可燃氣體、有毒有害氣體，應及時有效地將其排出管廊艙室，應采用機械進風、機械排風的強制通風方式。本工程均按照此要求對每個通風分區(qū)設置獨立的機械進排風系統(tǒng)，保證燃氣艙各個通風分區(qū)能夠在正常工程和事故工況下獨立有效的通風。

2.3 通風量計算

綜合管廊燃氣艙排風量根據(jù)通風區(qū)間、管廊艙室斷面尺寸計算確定，為保證通風換氣的時效性，采用通風換氣次數(shù)法[1]。

換氣次數(shù)法計算排風量的計算公式為：

式中：L 為燃氣艙排風量，m3/h；N 為換氣次數(shù)，次/h；V為燃氣艙通風分區(qū)體積，m3；φ 為安全系數(shù)，不小于1，本工程取1.05。

燃氣艙正常排風量、事故排風量按照通風換氣次數(shù)分別不小于6 次/h、12 次/h 進行設計計算。

本工程燃氣艙的幾種典型計算結果如表1 所示：

表1 燃氣艙通風量

考慮綜合管廊燃氣艙的環(huán)境要求，應使燃氣艙內(nèi)部保持微負壓狀態(tài)，將進風量設置略小于排風量，本工程燃氣艙設計進風量取排風量的90%[3]。

2.4 風機配置

本工程綜合管廊燃氣艙在每個通風分區(qū)的起終點分別設置進風井、排風井。通風機房以機房下方的主管廊防火分隔為界，兩側分別設置兩臺風機，分別負責各自所在通風分區(qū)的通風。

由于燃氣艙風機有正常工況和事故工況兩種運行狀態(tài)，相應的通風量按照兩種工況分別進行設計，考慮燃氣艙后期通風主要是平時正常通風工況，為節(jié)約運營期間的風機能耗，本工程設置兩臺風機，平時一用一備，每臺風機均能滿足不低于6 次/h 的通風量。事故工況時兩臺風機同啟，可以滿足事故工況下不低于12 次/h 的通風量。

風機在滿足功能性要求的前提下，選擇高效節(jié)能的通風設備，同時風機選用防爆風機并設置導除靜電的接地裝置。另外，為防止各風機運行時相互之間的影響及室外空氣對管廊內(nèi)環(huán)境的影響，在風機出口處均設置通風止回閥。

2.5 通風百葉設置

本工程綜合管廊出地面的通風口綜合考慮噪聲、道路景觀、防雨、防淹等方面的要求，避開道路交叉口，設置于道路綠化帶或道路外的綠地內(nèi)。通風口采用消聲防雨百葉，防雨率不低于98%，百葉底部高出所在地面不小于300 mm，以降低汛期雨水倒灌的風險；風亭整體高度均不超過1 m，避免對道路交通安全的影響。為防止小動物入侵及雜物等通過通風口進入綜合管廊，通風口百葉處設置網(wǎng)孔凈尺寸不大于10 mm×10 mm 的金屬防護網(wǎng)。由于天然氣具有易燃易爆性，危險性高于其他類型艙室，應避免燃氣艙在平時及事故通風時影響其他艙室，為此，本工程燃氣艙排風口嚴格控制與其他各類孔口的安全距離，保證與其他艙室的排風口、進風口及周邊建(構)筑物的口部等有不小于10 m 的安全距離，并在燃氣艙通風口部設置明顯的安全警示標識。同時，為使綜合管廊風亭與道路景觀相協(xié)調(diào)，對風亭進行了適當?shù)拿阑b飾。

圖3 綜合管廊風亭效果圖

3 設計難點及建議

3.1 通風機房位置

本工程綜合管廊隨道路線位敷設于道路下方，通風機房沿管廊每隔不超過200 m 設置一座，數(shù)量較多，通風機房設置于管廊主廊結構上方，是敷設于地面下的結構夾層空間。風機及風口設置于通風機房內(nèi)，燃氣艙排除的天然氣直接排至通風機房并利用風壓通過土建風道排至室外大氣。由于天然氣易燃易爆，危險性較大，這種將排除的天然氣直接排至通風機房的做法存在一定的安全隱患。《建筑設計防火規(guī)范GB50016-2014》相關條文規(guī)定，排除有燃燒或爆炸危險氣體的排風系統(tǒng)，其排風設施不允許布置在地下或半地下建筑內(nèi)[2]。由于綜合管廊是一特殊的地下構筑物，不同于常規(guī)的建筑物，參照但未完全執(zhí)行《建筑設計防火規(guī)范GB50016-2014》的規(guī)定。

鑒于此，筆者建議：

1）在有條件時將燃氣艙通風機房設置于地面以上，將風口直接接至室外大氣空間。

2）由于通風機房占地較大，數(shù)量較多，對地面景觀、安全影響較大，往往很難有足夠空間用于設置通風機房，可考慮采用類似于屋頂風機的形式對燃氣艙進行通風，如此既解決了通風機房的占地問題，又可將泄露的危險氣體直接排至室外安全空間。

3.2 易集氣節(jié)點通風

同溫同壓下，天然氣與空氣密度比約為16:29，即天然氣密度較空氣的密度低，燃氣艙內(nèi)天然氣泄漏時會在管廊內(nèi)部高處聚集，當燃氣艙內(nèi)泄露的天然氣濃度達到爆炸下限值（體積分數(shù)）的20%時，應啟動燃氣艙事故段分區(qū)及相鄰分區(qū)的通風設備[1]。同時為保證天然氣泄漏時的及時排除，需在燃氣艙室內(nèi)設置可燃氣體檢測報警裝置，并聯(lián)動相關通風設施。

燃氣艙主廊內(nèi)的天然氣可由通風區(qū)間兩側的進排風機進行排除，但綜合管廊沿線設置有人員出入口、吊裝口、燃氣出線等局部節(jié)點，這些節(jié)點往往是在主管廊上方設置局部較高的結構空間，該結構為埋設在土層以下的夾層，這些部位容易聚集天然氣且無法隨主廊的通風系統(tǒng)有效排除，需要單獨設置通風設施。

本工程由于管廊上方道路交通安全及景觀效果等因素的限制，這些易聚集天然氣的節(jié)點上方?jīng)]有設置單獨地面風亭的條件。為解決這些局部節(jié)點的通風問題，本工程在這些部位高處均設置了排風口，通過局部風機、風管將可燃氣體引到主管廊內(nèi)，通過主管廊的通風系統(tǒng)排除到室外空間。此方式雖然能夠排除節(jié)點部位的可燃氣體，但將密度較低的可燃氣體由高處往低處排，存在一定的安全隱患。因此，在地面空間有條件時，建議在管廊上方地面單獨設置風亭，將可燃氣體直接排至室外大氣，將能更有效的解決局部聚集可燃氣體的問題。

3.3 通風百葉設置

燃氣艙由于危險性較大，其通風口必須和其他艙室通風口分開獨立設置，且要保持有不低于10 m 的結構安全凈距，這就導致每個風井出地面的通風口較為分散，對道路景觀有不利影響。由于最小安全凈距的限制，風井設計尺寸跨度變大，對風井上方地面景觀影響加大，且增大工程投資。風井風亭設置于道路邊隔帶時，為減少對道路交通安全的影響，應嚴格控制風亭尺寸，盡量壓縮其高度及寬度。因此，在風井設計時應綜合考慮安全、經(jīng)濟、環(huán)境等各方面因素，與建筑、綠化、交通等各相關專業(yè)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，在保證安全的情況下盡量集約布置，精細化設計。

4 結語

天然氣易擴散、易爆炸，發(fā)生安全事故后會對社會造成極大損失，綜合管廊燃氣艙通風系統(tǒng)設計應本著安全第一的原則，綜合考慮經(jīng)濟、環(huán)境等因素，從通風分區(qū)、通風方式、風量計算、機房設置、風機配置、風口設置等各環(huán)節(jié)進行分析研究，確定設計方案。針對不同工程、不同段落的管廊應分析其特殊性、疑難點，因地制宜，加強創(chuàng)新，提升精細化設計水平。

另外，綜合管廊的后期運維管理是一項復雜的系統(tǒng)性工作，其中燃氣艙的安全管理是重中之重，因此，在綜合管廊科學合理設計的基礎上，尚應在嚴防燃氣泄露，防范火源，規(guī)范巡檢制度，制定應急預案等方面增強管理運營能力。