網紅慢行隧道通風設計初探

福建省交通規劃設計研究院有限公司 陳必宙

0 引言

隨著生活水平的提高，人們對精神生活的需求也日益增長。而互聯網新媒體的發展，更是加速了這個進程，承載城市文化長廊和休閑長廊的網紅慢行隧道正是由此而生(如圖1所示)。而作為被賦予新內容、新使命的新生“事物”，它與普通隧道有明顯的差別，尤其是“打卡”人員密集后的通風和消防防排煙設計，更是規范的空白。鑒于目前國內外對此并無太多研究先例，本文以筆者參與的項目為依托，借鑒目前建設好的網紅慢行隧道，以人為本，綜合隧道運營特點和消防疏散作設計分析，探索構建與時俱進的通風防排煙系統。

圖1 某網紅慢行隧道內景圖

1 網紅慢行隧道特點

網紅慢行隧道和普通僅具有通行功能的城市下穿隧道具有明顯的不同，具體如下。

1.1 美觀度要求高

普通隧道一般僅考慮通行功能，基本無美觀要求。網紅慢行隧道具有城市文化長廊和休閑長廊的功能，經常要求具有吸引人眼球的網紅氣質，常規隧道通風設計中吊在隧道洞頂的通風射流風機、裸露突兀的電線線槽、燈具等(如圖2所示)，往往會破壞網紅氣質，運營方多希望將其隱藏處理。

圖2 普通隧道內景圖

1.2 人員密集度大

普通隧道一般僅考慮通行功能，穿行速度快，人員密集度小。網紅慢行隧道要讓人慢下來、停下來，甚至成為周末或雨天、夏季家庭休閑打卡地點，人員密集度大，新風要求高。

1.3 環境噪聲要求

普通隧道用于快速穿行，人員洞內停留時間短，對環境噪聲要求低。網紅慢行隧道人員停留時間長，對環境要求高，因此出口風速達到25～30 m/s的洞內射流風機，其噪聲很難滿足要求。

1.4 有裝飾和電子設備

普通隧道幾無裝飾。網紅慢行隧道經常有大面積的廣告圖畫、圖書角、電子顯示屏、投影儀、3D彩繪等物品。

2 網紅慢行隧道的消防定性

具有城市宣傳和休閑文化長廊功能的網紅慢行隧道和普通隧道有本質區別，而消防定性的關鍵點為“經常有人停留或可燃物較多”。普通非機動車穿行隧道幾乎無火災隱患，目前隧道規范也無排煙要求。網紅慢行隧道則大不相同。以南方已建成的長1.2 km、路面寬9.5 m網紅慢行隧道為例，分析如下。

2.1 人員密集場所

據該隧道管理站統計，節假日高峰期人流量約為4萬人次/d。各個設備運行時間為08:30—21:30，共計13 h。則平均小時人流量為3 076人/h，高峰小時人流量按平均小時人流量的3倍(為管理人員估計數據)估算為9 228人/h。據統計，10歲兒童、婦女步行速度約為4.0 km/h，因此通過隧道的理論時間為0.3 h。隧道管理人員來回巡視一趟約需1 h。考慮參觀、游玩、休息時間，單趟通行時間按0.5 h考慮比較合理。隧道內滯留人數高峰期為9 228人/h×0.5 h=4 614人，隧道面積為9.5 m×1 200 m=11 400 m2，則人員密度為0.4人/m2，與GB 50016—2014《建筑設計防火規范》(2018年版)[1]表5.5.21-2地上商場第4層人員密度0.30～0.42人/m2的統計區間值相仿，遠超普通辦公室人員密度。由于高峰時間多在節假日，騎行人員相對較少，此處統計不作細究。

根據GB 50016—2014《建筑設計防火規范》(2018年版)[1]第5.5.19條的條文解釋，人員密集的公共場所主要指“營業廳、觀眾廳，禮堂、電影院、劇院和體育場館的觀眾廳……等面積較大、同一時間聚集人數較多的場所”。

GB 35181—2017《重大火災隱患判定方法》[2]第3.4條給出的人員密集場所的術語為“公眾聚集場所，……公共展覽館、博物館的展示廳……等”。

網紅慢行隧道同時具有文化長廊和休閑長廊等類似展廳的功能，完全符合“經常有人停留”的人員密集場所定義。

2.2 可燃物較多

該隧道除了各種彩繪外，隧道兩側壁每隔30 m左右設置燈箱廣告牌一處，隧道中間段近50 m的視頻投影段設置20臺投影儀，同時間隔配置大量城市宣傳電子顯示屏。運營方表示后期會考慮增設圖書角、“時光隧道”、“星空隧道”等。隧道存在大量易燃的電氣設備及可燃物，隨著電氣設備的老化，火災隱患倍增，隧洞空間完全符合“可燃物較多”的特性。

2.3 小結

由以上分析可知，網紅慢行隧道完全滿足消防設計“經常有人停留或可燃物較多”2個基本特點。傳統的隧道設計規范不能滿足其火災及疏散逃生要求，應參考民用建筑的展廳、營業廳等人員密集場所，立足GB 50016—2014《建筑設計防火規范》(2018年版)[1]對網紅慢行隧道重新進行消防安全定性。合理的消防設計應包含安全疏散、火災報警系統、滅火系統、暖通防排煙設計等方面。

3 網紅運營對暖通專業的要求

3.1 保證充足的新風及良好的氣流組織

暖通專業設計應根據人流量考慮充足的新風供應。同時應考慮合理的氣流組織，保證隧道內各處空氣均勻流動，避免出現僅洞口端至洞內300 m范圍有風，而最不利的隧道中間區域無風的情況。

3.2 解決“難看”的射流風機及其平時運行噪聲問題

射流風機影響隧道美觀，同時高速射流風機產生的渦流噪聲和旋轉噪聲較大，無法滿足隧道噪聲要求。建議采用洞頂管道通風，同時設置弧形吊頂，吊頂進行3D彩繪。

3.3 風口不能布置在洞頂中央

風口影響美觀，影響洞頂彩繪效果。宜考慮隱藏風口，采用側送或側排形式。

3.4 滿足消防安全要求，隱蔽所有防排煙風機設備

慢行隧道作為相鄰機動車道的專用避難疏散通道應滿足JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通風設計細則》[3]第10.4.1條疏散通道及其橫通道(前室)的防煙要求。網紅慢行隧道人員密集同樣應滿足消防排煙要求(如圖3、4所示)。

圖3 “網紅”運營的建議

圖4 疏散橫通道防煙要求示意圖

3.5 重視環境污染及擾民問題

隧道內風機端噪聲對人員體驗感影響較大，應考慮靜音減振設計。同時設計于洞外的風機房應采用消聲器、隔音墻、高大綠植覆蓋等辦法避免對附近人員活動區，尤其是居住區造成噪聲及視覺污染。

4 與時俱進的隧道通風設計

以長1.5 km、路面寬7.0 m、吊頂凈高4.0 m、吊頂下截面積27.0 m2的網紅慢行隧道為例，通風排煙采用洞頂風道頂送頂排系統以滿足觀光運營要求(如圖5所示)。具體設計分析如下。

圖5 某網紅隧道模型截面圖

4.1 新風量的確定

新風量的確定應考慮熱舒適性要求：

1) 根據GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》[4]，商場和展廳人員密度≤0.4人/m2時，人均新風量為19 m3/(人·h)。網紅慢行隧道人員高峰密度約為0.4人/m2，計算得到隧道高峰時段需要的新風量為1 500 m×7 m×0.4人/m2×19 m3/(人·h)=79 800 m3/h。

2) 根據曾石發等人的研究成果[5]，該隧道按換氣次數3.2 h-1計算得到需要的新風量為129 600 m3/h。

新風換氣次數頻率和隧道所在城市、周邊輻射區域、是否為旅游城市等有關，應根據實際情況選擇合理的新風量。綜合各方要素，該項目新風(排風)量確定為129 600 m3/h。

4.2 通風設計

通風設計應考慮噪聲要求，管道設計風速不宜過高，也不能太低，低風速將導致風道截面積大增，影響隧洞吊頂凈高。綜合考慮，平時通風風道設計風速為8～10 m/s，采用機械排風方式，洞口兩端自然補風。消防防排煙設計風速在15 m/s以內。通風系統的風機隱蔽設置有以下3種方案：

1) 風機房設置在隧道一端。由于管路長達1 500 m，如果只是隧道一端送排風，系統阻力較大，風機壓頭及產生的噪聲也比較大；同時會出現風機端的風口風量較大，系統末端風口無風、少風的情況，風口風量不易平衡，洞內氣流組織很難滿足舒適性要求(如圖6所示)。

圖6 一端送排風剖面示意圖

2) 風機房設置在隧道中間，考慮從隧道中部挖豎井(如圖7所示)。

圖7 中部送排風剖面示意圖

由于隧道中部往往是海拔比較高的山峰，市區內山峰產權復雜，征遷比較困難，同時可能高達百米的豎井建設造價高，實際項目較難實現。本案例上方為人防軍事構建，不能采用此方案。

3) 風機房設置在隧道兩端，結合水泵房、配電房、管理房分別布置。此方案系統排風半徑、阻力、風管截面積相對于第一種方案均小一半，風口風量分配容易均衡，隧道內氣流組織更合理，舒適性大大提高。出口處則利用隧道端頭鋼結構遮光棚裝飾板隱蔽出洞口到機房之間的風管。推薦采用此方案(如圖8所示)。

圖8 兩端送排風剖面示意圖

4.3 排煙設計

1) 排煙量計算。

按商場展廳無噴淋考慮，熱釋放速率取10 000 kW，隧道凈高4 m，燃料面到煙塵底部高度4 m，按軸對稱型煙羽流模型，計算得出排煙量為148 000 m3/h。

2) 排煙系統。

采用洞頂排煙道+洞外軸流風機房形式排煙，實現洞內無風機。設計考慮排煙系統和通風系統合用，平時通風，火災時排煙。

3) 防煙分區長度確定。

JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通風設計細則》[3]第10.2.8.2條規定：采用洞頂排煙道集中排煙的系統，防煙分區長度不應大于1 000 m。GB 51251—2017《建筑防煙排煙系統技術標準》[6]表4.2.4規定：空間凈高3～6 m時，防煙分區最大允許面積為1 000 m2，長邊最大允許長度為36 m；空間凈高大于6 m時，防煙分區最大允許面積為2 000 m2，長邊最大允許長度為60 m，具有自然對流條件時不應大于75 m。

網紅慢行隧道人員密集，有別于普通機動車隧道，如采用1 000 m間距劃分防煙分區，對煙氣控制不利，而完全套用民用建筑，每36 m劃分1個防煙分區，將導致1 500 m長的隧道防煙分區多達42個，消防火災風口聯動、切換時涉及控制點多，故障點多，穩定性差，不符合消防系統應簡潔、穩定、可靠的設計宗旨。因此按公共建筑防煙分區最大的允許長度(75 m)劃分防煙分區更符合實際情況，此時每個防煙分區的面積為75 m×7 m=525 m2，小于1 000 m2，防煙分區數量降為20個，系統可靠性大大增加。防煙分區分隔處設置高0.5 m的翻板式擋煙垂壁，垂壁處可采用局部平吊頂，同時配合3D彩繪構建精美壁畫。

4.4 防煙設計

JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通風設計細則》[3]第10.4.1條規定：專用避難疏散通道、獨立避難所的前室余壓值不應小于30 Pa，專用避難疏散通道、獨立避難所的余壓值不應小于50 Pa。第10.4.2條規定：專用避難疏散通道的防煙設計應根據其長度和凈空，選擇合理適用的機械加壓送風方式；其前室加壓送風量和送風口尺寸，應按其入口門洞風速不小于1.2 m/s計算確定(GB 51251—2017《建筑防煙排煙系統技術標準》[6]規定不小于1 m/s)。網紅慢行隧道的疏散防煙一般可由鄰近機動車左主洞的兩端射流風機承擔，本文暫不細論。

左主洞火災時，左主洞和慢行隧道之間的橫通道(前室)和作為左主洞疏散通道的慢行隧道的防煙設計有2種方法。

1) 方法1：洞口兩端設置軸流風機(如圖9所示)，采用傳統對吹方式，壓迫兩端氣流流向隧道中部，保證慢行隧道及橫通道前室正壓要求。圖9a為在隧道入口處擴大截面積，軸流風機隱蔽安裝在局部夾層中，同時設置鯨魚嘴造型送風口向隧道中部送風。圖9b則是在入口山頭或附近建設風機房，設置軸流風機，通過風道送入隧道端部。防煙風機為火災時使用，平時無需考慮噪聲問題。

圖9 洞口兩端設置軸流風機剖面示意圖

2) 方法2：采用平時的通風管道和排煙管道，左主洞火災時，切換為防煙送風模式，送風系統向隧道中部送風；同時距離洞端150 m處的2個電動翻板擋煙垂壁(開啟后距地2 m，起風阻作用)聯動兩端送風機開啟，保證任意3個橫通道開啟時，門洞風速大于1.2 m/s(如圖10所示)。

圖10 洞口兩端設置軸流風機平面圖

由于通風系統復雜，建立CFD簡化模型(參數如表1所示)，用Fluent軟件進行模擬計算。

表1 簡化模型具體參數

2) 新式疏散門的寬度及疏散距離等消防定性參數涉及建筑、隧道專業，尚有爭議。本案例防火門尺寸按1.2 m×2.1 m考慮。為簡化模型，送風口由20個1 000 mm×500 mm單層百葉簡化為6個半徑0.73 m的圓形送風口，翻板式垂壁設置在端口處。

如圖11所示，6個半徑0.73 m的送風口，風速為4.5 m/s。編號4、6、8的橫通道開啟。具體計算結果如表2所示。

圖11 防煙模型風速矢量圖

表2 各自由出口風速

4、6、8出口(8為最不利出口)均滿足風速>1.2 m/s。此時兩端總送風量為162 645 m3/h，單端送風量為81 322 m3/h。

4.5 風道設計

受車輛運行振動、活塞風及腐蝕影響，隧道內部分管道有脫落風險，且維護困難，成為嚴重的安全隱患。所以公路隧道通風排煙一般都采用土建風道。但混凝土風道存在牛腿植筋不易、施工困難、風道內部無法抹平、通風阻力大等缺點，更多時候是不得已的選擇。通風管路采用混凝土風道和金屬風道阻力相差較大，截面積2.1 m2、半程750 m風道的沿程阻力比較見表3。

表3 混凝土風道和金屬風道阻力對比

網紅慢行隧道里面沒有高速行駛的機動車，洞內也無振動，可采用滿足防火、噪聲、腐蝕要求的新型材料制作風管。設計方通過多方比較和尋查，并和廠家多次交流后確定：通風排煙風管材質采用雙面復合不銹鋼夾芯一體化成品板，板材內外覆壓304不銹鋼鋼板，芯材由耐火層和防火隔熱層組成(無機耐火層材料為玻酸泥纖維板，防火隔熱層材料為酰亞胺微晶硅)，板材為不燃材料，板材耐火極限為60 min。管道耐火極限、風管耐火完整性、隔熱性應同時符合要求，并提供相關檢測報告。該風管具有輕質、減振、低阻、防火、防腐、成品、宜加工等性能，滿足設計環境弧形風道使用要求。

4.6 風口布置

風口布置應綜合考慮氣流組織和風量平衡，同時盡量減少“三合一”系統切換的復雜程度。風口平面布置如圖12所示，截面如圖5所示。

圖12 風口平面布置

1) 通風工況：為避免空氣最污濁的隧道中部空氣齡偏大，設計考慮以中部為對稱點，每隔75 m設置2個1 000 mm×500 mm的單層百葉排風口，共計20個，每個排風口帶5擋風量調節，均設置70 ℃防煙防火調節閥，平時開啟，本洞火災時關閉。

2) 排煙工況：劃分20個防煙分區，每個防煙分區長75 m，每個防煙分區均布6個280 ℃遠控多葉排煙口((1 750 mm(風口)+250 mm(控制閥執行機構))×500 mm)，排煙口平時關閉，火災時開啟著火防煙分區6個排煙口。

3) 防煙工況：左主洞火災時，切換防煙風機，平時排風口作為疏散通道防煙送風口使用。

4.7 風機選型

風機選型時考慮防煙、排煙量的安全系數為1.2，通風量的安全系數為1.1。

兩端2個風機房共4臺風機，每個風機房設置1臺雙速排風機用于平時通風和火災時排煙，設置1臺送風機用于左主洞火災時防煙。

排風機為雙速離心風機，高速排煙量88 850 m3/h、壓頭941 Pa、轉速580 r/min、功率47 kW、A聲級噪聲80 dB，低速通風量72 184 m3/h、壓頭794 Pa、轉速450 r/min、功率30 kW、A聲級噪聲77 dB。

送風機(防煙)為混流風機，風量104 856 m3/h、壓頭1 188 Pa、轉速960 r/min、功率55 kW。

4.8 系統控制

1) 通風模式：當室外溫度≥30 ℃時，開啟兩端所有排風機低速運行，特殊情況下可臨時高速運行；當室外溫度<30 ℃時，僅開啟其中一端1臺排風機低速運行。

2) 排煙模式：本洞火災時，關閉平時通風口，開啟著火防煙分區的6個排煙口及擋煙垂壁，同時兩端排煙風機均切換為高速運行，全力排煙。

3) 防煙模式：左主洞火災時，關閉所有平時排風機，開啟兩端翻板式垂壁及防煙送風機全力送風。

5 結語

網紅慢行隧道依憑新媒體、新技術的運用，賦予了隧道新的功能和使命。隧道通風應該從美觀、舒適性、噪聲、消防等角度以人為本，借鑒民用建筑設計規范，綜合隧道設計規范，大膽采用新技術、新材料，與時俱進。本文案例采用的非常規做法有以下3點需要注意：1) 同一風管滿足通風、排煙、防煙3種功能，應注意各功能切換的調試。2) 新隧道防煙技術對擋煙垂壁的創新運用，“臨時”增加進出口端的阻力，把“風”留在洞中，應注意活動擋煙垂壁和防煙系統聯動的功能。3) 隧道內使用非混凝土風道的新型管材，要注意定制復合風管采用雙面304不銹鋼面層以滿足防腐要求。

注重隧道內部設計之余，也應重視隧道外部的風機房等是否與周圍環境融合，是否有噪聲污染等情況，積極配合主專業，采用綠化竹、迷宮式隔音墻、消聲器等措施，實現人洞和諧共存。據管理站介紹，新型隧道出入口常有人群聚集，因此有條件的隧洞宜在周邊設計空曠綠化帶或廣場，疏導緩解洞口人流密集情況。