武漢三陽路公鐵合建越江隧道通風設計

胡清華

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司水下隧道技術湖北省工程實驗室， 湖北 武漢 430063)

武漢三陽路公鐵合建越江隧道通風設計

胡清華

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司水下隧道技術湖北省工程實驗室， 湖北 武漢 430063)

武漢三陽路隧道為穿越長江的城市公路和軌道交通合建隧道，具有環保要求高、長度長和空間受限等特點，通風排煙系統設計難度大，且影響隧道的投資、運營費用、行車安全和防災救援。為了解決洞口環保問題，對不同通風方案的氣流組織、初期投資和運營費用進行研究，確定了豎井送排式縱向通風方案； 針對公鐵合建防災要求高的特點，結合橫斷面布置，合建段公路隧道采用重點排煙，地鐵隧道采用分段設置排煙道的縱向排煙方式，并采用模擬分析的方法對典型火災工況進行了仿真計算，驗證了排煙效果。

越江隧道； 公鐵合建； 通風設計

0 引言

水底城市公路隧道和軌道交通隧道具有不侵占航道凈空、不影響航運和不受氣候變化的影響等先天優勢，近年來隨著經濟快速增長，水底隧道在沿海和沿江的一些城市得到了迅速發展，這對緩解沿海和沿江一些城市的交通發揮了重要作用，然而也隨之帶來一系列的污染和安全問題。

國內學者對公鐵分建隧道通風及排煙的研究較多。肖明清[1]以南京緯三路長江隧道為例，介紹了單管雙層隧道排煙道和排煙系統的設計，通過在隧道側部設置上下層共用煙道，間隔設置排煙口，兩端設置排煙風機，火災時采用重點排煙的方式就近將火災煙氣排出； 奚峰[2]介紹了單管雙層隧道通風設計基本情況，對上海4條雙層隧道通風設計的案例進行了分析，歸納了單管雙層隧道通風系統的設計特點； 楊軍等[3]介紹了南京緯三路過江隧道的通風系統設計，重點研究了通風、溫升等問題；張迪[4]基于既有盾構法道路隧道的設計實踐，提出盾構法隧道運營通風設計的依據和適用標準，并結合典型工程的通風設計闡述了正常運營通風和火災通風設計的原則和流程； 董永鋒等[5]針對雙洞隧道火災提出了3種排煙方案，采用FDS軟件對各方案煙氣和溫度分布情況進行計算，確定了3種排煙方案的適用條件； 吳小華等[6]運用火災動態模擬軟件對采用獨立排煙道集中排煙的隧道火災進行了模擬，通過研究12種不同排煙口開啟方案下隧道內的煙氣蔓延規律，提出了排煙口設置的優化方案； 車輪飛等[7]針對屏蔽門和閉式地鐵區間隧道通風系統，對典型區間火災工況進行了模擬計算，得到了2種制式下隧道通風系統的控制策略； 翟毅[8]介紹了地鐵隧道通風排煙系統的結構組成，對不同工況下隧道通風排煙系統的運行模式進行了總結歸納，為地鐵火災數值模擬提供了技術基礎； 高明亮等[9]針對列車中部著火且停靠在區間隧道中部的地鐵隧道火災情況，提出了采用在疏散平臺下先送風，再采用傳統的縱向通風的方式，并進行模擬計算，得到了縱向通風臨界風速。目前對于公鐵合建隧道研究較少，曹文宏等[10]以高速公路和地鐵合建的上海長江隧道為例，重點介紹了高速公路隧道通風排煙設計，未涉及地鐵隧道通風系統。

武漢三陽路公鐵合建越江隧道為國內在建的最大直徑盾構隧道，通風排煙設計難度大，且影響后期的防災救援和隧道運營安全，文章詳細介紹了公路隧道通風方案、排煙設計以及地鐵隧道運營通風和排煙設計。

1 工程概況

三陽路隧道位于武漢市，穿越長江段采用盾構法施工，為城市公路和軌道交通7號線合建隧道，越江段采用雙管雙層方式，越江段長2 590 m。線路北起漢口三陽路，南接武昌秦園路(見圖1)。隧道上層為公路行車道，下層為軌道交通7號線[11-13](見圖2)。

公路隧道長4 320 m，為雙管隧道(單向行駛)，每管隧道有3個行車道。江中段采用盾構法施工，隧道外徑15.2 m，內徑13.9 m，工作井之外公路隧道均采用明挖法施工，漢口和武昌明挖段長度分別為680 m和1 050 m。在漢口解放大道、中山大道以及武昌和平大道、友誼大道側各設置一對匝道。設計速度60 km/h，隧道內僅限客車通行。

軌道交通7號線在長江兩岸設三陽路車站和徐家棚車站，區間長3 211 m，越江段與公路隧道合建，工作井至車站區間與公路隧道分建，采用內徑5.5 m盾構施工。車輛為A型車6節編組，接觸網供電，最高行駛速度為80 km/h，列車追蹤間隔為2 min。

公路隧道和地鐵隧道后期運營單位為獨立的部門，為了方便后期運營管理，公路和地鐵隧道通風系統分開設置，不考慮設備合用。

2 公路隧道通風系統設計

2.1 隧道內通風衛生標準

隧道為城市主干道，交通量大，長度長，參照國際道路學會PIARC和國內既有隧道的有關資料，考慮到城市隧道與山嶺隧道的區別，適當提高隧道內通風設計的衛生標準，鑒于城市隧道阻滯情況發生較多，阻滯標準參考了DG/T J08-2033—2008《道路隧道設計規范》[14]的規定，平均車速10 km/h的計算長度為2 km，并按全程20 km/h阻滯進行校核。采用標準如表1所示。

(a)

(b)

圖2 合建段隧道橫斷面圖

交通工況車速/(km/h)CO體積分數/(cm3/m3)煙塵濃度/m-1正常60～401000．0065～0．007全程阻滯20200(15min)0．009局部阻滯(2km)10200(15min)0．009

2.2 尾氣排放標準

隨著國Ⅲ、國Ⅳ標準的執行，汽車尾氣排放的污染物逐漸減少。環評報告對武漢機動車生產情況和車輛現有情況進行了調查和分析，尾氣排放標準按該報告中的研究結論取值，初期汽車尾氣排放標準按國Ⅲ計算，近期按50%國Ⅲ、50%國Ⅳ計算，遠期按國Ⅳ標準選取。其中，國Ⅲ、國Ⅳ標準車CO排放量分別為2.3、1.0 g/km，顆粒物排放量分別為0.05、0.025 g/km。

2.3 設計交通量

根據交通量預測報告可知，初期(2017年)、近期(2020年)和遠期(2030年)預測交通量分別為2 225、2 564、2 924輛/h，其中大型客車比例為10%。

2.4 需風量計算

根據衛生標準、尾氣排放標準、交通量和交通組成對不同年限的需風量進行計算，稀釋CO所需風量大于稀釋煙塵所需風量，計算結果見表2。

表2 需風量計算結果

根據需風量計算結果可知，行車速度越低，需風量越大，平均車速10 km/h時需風量最大，左、右線設計需風量分別取427、401 m3/s。

2.5 運營通風系統設計

2.5.1 運營通風方案

三陽路越江隧道長度為4 320 m，兩岸隧道洞口均為辦公住宅密集區，且均為高層建筑，屬于空氣環境控制的敏感區域，對洞口空氣質量及噪聲要求較高。根據環評報告，不允許將污染空氣超標排至該區域，因此，全射流縱向通風方式不適用。對豎井排出式縱向通風和豎井送排式縱向通風進行對比分析。

2.5.1.1 豎井排出式縱向通風

以右線為例，在武昌工作井內設軸流風機和排風塔，當交通阻滯時，污染物采用合流排放的方式。由于風塔至隧道出口長度為990 m，該段氣流方向與行車方向相反，活塞風作為阻力考慮，為了克服該段通風阻力，排風機所需壓頭高達1 500 Pa，需設3臺隧道風機，單臺風機風量135 m3/s，風機功率300 kW。

2.5.1.2 豎井送排式縱向通風

同樣以右線為例，在武昌工作井設置排風塔和送風機，將入口—武昌工作井段廢氣通過風塔排放，通過送風機送入新鮮空氣，以滿足出口段新風需求，并對出口段污染物進行稀釋。由于進出口段氣流方向與行車方向相同，活塞風可作為動力，風機所需壓頭較低，為800 Pa。

2.5.1.3 方案比選

方案比選如表3所示。豎井送排式在土建投資上高于豎井排出式，在氣流組織、設備投資和后期運行費用方面均優于豎井排出式，投資回收期約半年，因此推薦采用豎井送排式方案。

表3 方案綜合比選表

注： 運營費用按全天滿負荷運行6 h計，一年365 d，電費按1元/(kW·h)，土建投資按0.8萬元/m2計。

2.5.2 運營通風設計

在兩岸工作井內分別設置排風塔、排風機房和送風機房，排風機房內各設3臺排風機，送風機房內設1臺送風機，風機參數和布置見表4和圖3。

表4 風機數量表

為了防止送排風口短道出現回流，送排風口間距為50 m，送風道設于明挖段隧道頂部，送風口設計風速30 m/s。

風塔有2種設置方式： 單建或與周邊建筑合建。根據環評報告可知，單建時風塔高度為110 m，風塔面積25 m2，瘦高型的風塔造型對周邊景觀影響較大，較難與周圍建筑協調，故不采用單建方式。考慮到風塔周圍有一規劃180 m的高層建筑，且與隧道建成年限基本一致，為了減少風塔設置對周圍景觀的視覺沖擊，設計中將風塔與周邊高層建筑合建，風塔隱藏于建筑中，風塔高度185 m。

2.6 火災防排煙系統設計

2.6.1 公路隧道排煙系統設計

2.6.1.1 火災排煙方案

隧道等級為城市主干道，長度長，車流量大，并且洞口兩側分別設有紅綠燈。根據武漢青島路長江隧道運營經驗可知，早晚高峰發生阻滯的情況較多，結合疏散方式和隧道實際情況，對不同地段采用不同的排煙方式。

1)盾構段。長2 590 m，人員采用縱向疏散方式，一旦在交通阻滯的情況下發生火災，車輛和人員疏散距離長、難度大。為了提高人員疏散安全性，該段采用重點排煙方式，利用頂部富裕空間設置排煙道，排煙道兩端分別與漢口和武昌工作井排風塔相連，風塔內軸流風機兼作火災工況下排煙風機。

2)明挖段。明挖段采用橫通道進行疏散，且設有2條匝道以及車行橫通道可用于事故工況下的人員疏散，疏散口多，疏散距離短，采用縱向排煙方式，將煙氣通過就近的工作井或隧道出口排出。

2.6.1.2 重點排煙模擬研究

1)火源設置。盾構段大客車火災，火災熱釋放率為20 MW，火災增長速率為快速平方火。

2)幾何參數。隧道最大縱坡2.8%，隧道斷面尺寸64.1 m2，隧道高度為5.5 m，根據計算重點排煙時火災產煙量為80 m3/s，火災排煙量取1.5倍產煙量，即120 m3/s； 頂部排煙道面積14.1 m2，排煙口尺寸4 m(長)×1.5 m(寬)，排煙口間距60 m。

3)模擬工況設定。雙向排煙，開啟火源附近6個風口，模擬時間1 200 s。

采用FDS軟件對能見度、溫度和煙氣蔓延范圍進行模擬計算(見圖4—6)。

圖4 隧道縱向2 m高處能見度分布圖

Fig. 4 Visibility distribution along longitudinal direction of tunnel higher than 2 m

圖5 隧道縱向溫度分布云圖(℃)

Fig. 5 Nephogram of temperature along longitudinal direction of tunnel (℃)

圖6 隧道縱向煙氣蔓延云圖

Fig. 6 Nephogram of smoke spread along longitudinal direction of tunnel

除火源附近10 m范圍內能見度低于10 m、溫度高于60 ℃之外，其余區段溫度和能見度均能滿足人員疏散安全要求，且煙氣被控制在排煙口開啟的300 m范圍內，煙控效果較好。

2.6.2 疏散通道防煙系統設計

盾構段底部設置疏散通道，公路隧道間隔一定距離設一處疏散樓梯，火災時人員通過疏散樓梯進入疏散通道，由就近的工作井疏散至地面。為了確保疏散通道的安全性，設計中采用了如下措施： 在疏散通道對應每個疏散樓梯處將其隔成封閉的空間，疏散通道兩端設置加壓風機，樓梯間與疏散通道隔墻上設置余壓閥，火災時通過加壓風機與余壓閥的聯合作用滿足疏散通道和樓梯間的余壓以及疏散口處的風速要求，保證樓梯間和疏散通道余壓值分別為30 Pa和50 Pa，依次形成不同的壓力梯度，確保火災煙氣不進入樓梯間和疏散通道； 為了避免疏散通道超壓，在通道兩端設置余壓閥。

3 地鐵隧道通風系統設計

3.1 運營通風系統設計

區間兩側分別為三陽路站和徐家棚站，通過公鐵合建工作井將地鐵區間分為3段，長度分別為344、2 590、277 m，2個車站均采用雙活塞通風模式。正常行車工況采用活塞通風，通過三陽路站和徐家棚站的活塞風井以及車站排熱風機對區間通風換氣，保證區間隧道溫度和乘客新風量的要求。

采用SES4.1[15-16]模擬軟件對隧道正常運營時溫度和新風量進行了計算，結果見表5。

表5 區間溫度、新風量計算結果

Table 5 Calculation results of temperature and fresh air volume for tunnel section

區間最高溫度/℃換氣次數/(次/h)初期近期遠期人均新風量/(m3/h/人)初期近期遠期左線34．23．03．13．3205189230右線34．43．03．33．9223223262

由表5可以看出，區間隧道最高溫度低于40 ℃，換氣次數大于3次/h，新風量大于30 m3/h/人，均滿足規范要求。

3.2 火災排煙系統設計

3.2.1 地鐵隧道排煙方案

合建越江區間長度為2 590 m，遠期高峰小時列車行車間隔為2 min，根據行車計算結果可知，該區段存在兩列車同向追蹤運行的工況。在行車方向右側區域有富裕空間，利用此空間作為排煙道，排煙道面積6.4 m2，在越江區間最低點設置公路隧道廢水泵房，由于泵房需利用排煙道的空間布置，排煙道無法全長貫通，故采用了分段設置排煙道的縱向排煙方式。

根據行車核算結果可知，漢口、武昌側排煙道需設置的長度分別為850、812 m，江中段928 m不設煙道，將區間分為3個通風區段，該區段劃分可以保證相鄰的2個通風區段內只有一列車運行。

在兩岸工作井處各設一個機械風井，風井內設2臺隧道風機，工作井內對應左右線各設一個電動風閥，漢口側和武昌側煙道端部各設一處電動風閥，風閥面積10 m2。越江區間隧道通風系統如圖7所示。

3.2.2 典型工況模擬計算

1)火源設置。地鐵A型車火災，熱釋放率10.5 MW，火災增長速率為快速平方火。

2)幾何參數。隧道最大縱坡2.8%，隧道斷面尺寸22.9 m2，隧道高度為4.65 m，排煙道面積6.4 m2。

3)風機風量。根據計算縱向排煙臨界風速2.3 m/s，排煙量取為60 m3/s，考慮風道漏風后風機風量為70 m3/s。

圖7 越江區間通風系統原理圖(單位： m)

Fig. 7 Sketch diagram of mechanism of ventilation system of Yangtze River-crossing section (m)

以越江段左線最不利火災工況為例，列車在區段a車尾發生火災，后方車輛已進入區段c，采用SES4.1模擬軟件對該工況進行模擬計算。開啟漢口和武昌側排煙道端部風閥，兩側工作井各開啟1臺隧道風機進行排煙，火災區段縱向風速2.68 m/s，大于臨界風速，大部分煙氣通過漢口風道排出，少部分進入區段b由武昌側風道通過武昌風井排出，煙氣不會進入區段c，不會影響該區段內人員的安全疏散，滿足火災排煙要求(見圖8)。

圖8 越江段左線a段車尾火災通風示意圖(單位： m)

Fig. 8 Sketch diagram of car tail fire ventilation at section a of Yangtze River-crossing section (m)

在地鐵車行道左側設置疏散平臺，該平臺間隔一定距離設一處疏散門通往疏散通道，區段a內列車人員可通過車頭緊急逃生門疏散至軌面，或由車廂側門至疏散平臺，迎著新風方向往漢口井疏散，也可通過疏散平臺進入疏散通道逃生。

4 結論與討論

1)武漢三陽路隧道為國內目前在建的最大直徑公鐵合建越江隧道，公路與地鐵隧道通風排煙設計為今后類似工程的設計提供借鑒。

2)對于地鐵隧道，利用行車區側部空間分段設置排煙道，將越江段分為3個排煙區段，解決了超長區間多輛列車追蹤運行時的通風排煙難題。

3)目前按兩管隧道(含公路和地鐵)同一時間僅一處火災進行設計，下一步將針對隧道特點、交通量和運營管理方式等方面對隧道火災概率進行研究，探討公鐵同時發生火災的概率和應對措施。

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Design of Ventilation of Yangtze River-crossing Highway-Metro Integrated Tunnel on Sanyang Road in Wuhan

HU Qinghua

(HubeiProvincialEngineeringLaboratoryforUnderwaterTunneling,ChinaRailwaySiyuanSurveyandDesignGroupCo.,Ltd.,Wuhan430063,Hubei,China)

The Yangtze River-crossing highway-Metro integrated tunnel on Sanyang Road in Wuhan has many difficulties, i.e. high environmental protection, large length, limit space and hard ventilation system design. The ventilation system of the tunnel directly affects the construction investment, operation cost, traffic safety and fire rescue. For environmental protection of tunnel portal, the airflow, initial investment and operation cost of different ventilation schemes are studied; and the ventilation scheme of air-blow and air-exhaust through vertical shaft is adopted; for high fire rescue requirement, the attention should be paid to smoke exhausting of highway tunnel and the sectional longitudinal smoke exhausting method is adopted for Metro tunnel. Finally, a typical fire case is simulated and calculated.

Yangtze River-crossing tunnel; highway and Metro integration; ventilation design

2015-09-18;

2015-10-10

胡清華(1980—)，男，湖北潛江人，2005年畢業于蘭州交通大學，暖通專業，碩士，高級工程師，從事地鐵和市政隧道通風系統的設計與研究工作。E-mail： 15217599@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.01.010

U 455.46

A

1672-741X(2017)01-0062-06