濟南市順河高架南延玉函路隧道火災通風設計

鄭 楓，卞姍姍

（1.山東職業(yè)學院，山東 濟南 250104；2.濟南市市政工程設計研究院（集團）有限責任公司，山東 濟南 250101）

0 引言

城市地下隧道是城市立體交通的一種重要形式，能夠充分利用城市地下空間解決城市交通擁堵，并且對城市環(huán)境和居民出行、生活的影響很小。隨著環(huán)保意識的增強，在城市快速路建設中得到不斷應用。隨著建造長度、交通量的不斷增加，對城市隧道火災通風等防災救災的要求越來越高。隧道通風包括縱向通風、半橫向通風、全橫向等多種形式，如何選擇合理的通風方案，以期達到理想的設計效果，本文結(jié)合順河高架南延玉函路隧道的實際工程經(jīng)驗，對較長城市隧道的平時通風、火災時的通風和防排煙系統(tǒng)設計進行探討。

1 玉函路隧道工程概況

順河高架路是濟南市快速路網(wǎng)中貫穿主城區(qū)的南北向快速通道，玉函路隧道北端與現(xiàn)狀順河高架橋銜接，南端接英雄山路南段高架橋（見圖1、圖2）。玉函路隧道內(nèi)為雙向四車道，設計時速50km/h，采用雙洞設計，單洞斷面面積為31.6 m2，隧道最大縱坡2.6%，隧道暗埋段通風設計里程2 755 m。隧道位于中心城區(qū)城市主干路玉函路下方，如何有效組織氣流，控制煙氣流動，將煙氣及時排出，利于人員疏散和滅火是本工程火災通風設計的重點。

2 隧道內(nèi)火災特點[1]

圖1 玉函路隧道北洞口鳥瞰圖

圖2 玉函路隧道南洞口鳥瞰圖

隧道火災大多是缺氧燃燒，會產(chǎn)生高毒性的一氧化碳氣體；受隧道凈空限制，火焰向水平方向延伸，熾熱氣流可順風傳播很遠；相關研究表明，10 s后火災已充分發(fā)展，2～10 min后頂板即升溫到1 200℃；熾熱氣流可順風傳播，遇到易燃物即快速燃燒；隧道內(nèi)火場引起的局部熱氣流可逆風移動，從而導致消防人員難以從上風方向到達火災現(xiàn)場；火災時隧道內(nèi)的阻力增加，阻礙了煙氣在隧道中的流動。

3 隧道火災通風設計

3.1 通風設計要點

隧道火災通風設計重點在于合理組織氣流，控制煙霧和熱量的擴散，為滯留在隧道內(nèi)的人員提供一定的新風量，以利于安全疏散和滅火撲救。

3.2 通風方式

隧道通風方式一般有縱向、半橫向和全橫向三種方式。相比于橫向、半橫向通風方式，縱向通風方式有以下優(yōu)點：

利用整個隧道空間作為通風風道，隧道斷面不必因通風而加大，可減少土建工程量；

當汽車單向行駛時，能有效利用汽車本身產(chǎn)生的活塞風，減少設備初投資和營運動力費，有較好的節(jié)能效果。

基于以上優(yōu)點，結(jié)合玉函路隧道的特點，設計選用了射流風機（見圖3）加高風塔排風（見圖4）的縱向通風方式。利用射流風機的調(diào)節(jié)作用，實現(xiàn)大范圍內(nèi)不同幅度的調(diào)節(jié)作用（增大或減?。?，并且可以按照要求控制縱向氣流的方向。另外，通過風機調(diào)節(jié)可以改變火災氣流的流態(tài)，煙霧的擴散特性也隨之改變。設計中射流風機按提供阻止煙霧逆向流動的臨界風速所需的推力來配置，射流風機形成大于臨界風速的縱向斷面風速，此時隧道上游人員始終安全，下游人員可駕車駛離隧道。臨界風速為隧道火災時控制煙氣回流的最小斷面平均風速。因此，隧道火災通風的關鍵是確定合理的隧道火災臨界風速[2]。臨界風速由式（1）、式（2）確定[3]。

圖3 玉函路隧道內(nèi)射流風機圖

圖4 玉函路隧道東線高風塔圖

式中：V為臨界風速，m/s；kg為坡度因數(shù)；k為換算常數(shù)，K=0.61，為自由落體加速度，m/s2；H為從地面到拱頂?shù)母叨龋琺；Q為火災熱量釋放功率，W；ρ為空氣密度，kg/m3；為空氣比定壓熱容，J/（kg·k）；A為隧道面積，m2；Tf為平均熱空氣溫度，K。

3.3 氣流組織

對于單向行駛隧道而言，無論火災發(fā)生在何處，前方的行車速度一般大于風速，相對安全。而后方的車輛及人員相對較危險，必須及時的將煙氣排出行車隧道，保證著火車輛后方的車輛及人員的安全。因此應該根據(jù)火災的發(fā)生地點采取相應的氣流組織形式[4-5]，具體如下：當著火點在入口段和中間段，開啟一定數(shù)量的射流風機，同時打開著火點前方風機房內(nèi)的排煙風機進行排煙；當著火點在出口段時，關閉風機房內(nèi)的所有風機，開啟射流風機，直接將煙氣從出口排出。

3.4 風機選型和布置[1]

排煙軸流風機按隧道排煙量選擇，風壓由隧道和通風井阻力確定。其中熱源產(chǎn)煙量按式（3）計算：

式中：V為排煙量，m3/s；Mρ為煙縷質(zhì)量流量，kg/s；T'為煙氣的熱力學溫度，K；ρ0為環(huán)境溫度下氣體的密度，kg/m3；T0為環(huán)境的熱力學溫度，K。

玉函路隧道設計為小客車專用隧道，最大火災可能是由公交汽車引起，火災強度采用20MW。

通風系統(tǒng)包括東線和西線兩套系統(tǒng)，附屬設施集約化布置，變配電室與通風機房設置在地下，地上建筑為管理用房。圖5、圖6為地下風機房布置圖。

圖5 玉函路隧道西線風機房布置圖（單位：cm）

圖6 玉函路隧道東線風機房布置圖（單位：cm）

3.5 隧道污染空氣排放方式

城市隧道建設時，尤其是采用縱向通風的隧道，必須考慮隧道內(nèi)廢氣的排放問題。隧道污染空氣的排除方式需要綜合考慮洞口環(huán)境保護要求、周圍現(xiàn)狀及規(guī)劃等因素的基礎上，根據(jù)工程具體情況和環(huán)評部門的意見，因地制宜，合理選擇。

隧道內(nèi)污染空氣一般可以選擇洞口直接排放、風塔高空集中排放等方式（國外也有采用排風凈化技術，但由于其造價及運營成本高昂，國內(nèi)目前尚無采用的實例）。玉函路隧道東、西線洞口均處于城市中心居住區(qū)，若采用洞口直接排放，洞口污染物濃度較高，對周圍環(huán)境會造成一定程度的影響。因此，根據(jù)本工程隧道的長度、車流量和沿線地面環(huán)境情況的分析，并參照國內(nèi)類似工程案例，本隧道內(nèi)污染物考慮采用風塔高空集中排放的形式。

高風塔位置受工程周圍現(xiàn)狀條件的制約非常大，并且風塔位置必須保證離洞口距離不能太遠。由于本隧道沿線均為居民聚居區(qū)，可供利用的場地十分有限，在選定排風塔位置時充分利用了隧道沿線的資源。根據(jù)本隧道的條件，西線隧道在距離洞口400 m左右，有一處山坡，該處地勢較高，可減少對附近敏感建筑和景觀的影響，且距離洞口的位置也適合放置高風塔，因此我們把西線隧道的高風塔設置在了此處，充分利用了山坡地勢高的優(yōu)勢；東線隧道在距離洞口750 m處為一處公園用地，公園東側(cè)為城市泄洪溝，泄洪溝東岸有一處綠化用地，我們利用公園的地下空間設置了大型風道，風道跨過泄洪溝，將風塔設置在泄洪溝東岸的林地處。隧道內(nèi)風塔至洞口段采用了洞口直接排放的形式，設計滿足了相關區(qū)域環(huán)境質(zhì)量的要求。本隧道高風塔設置高度為25 m。

4 結(jié)語

城市地下公路（隧道）有效利用了地下空間，避免了高架橋?qū)Τ鞘芯坝^及居民生活的影響。因此預測隧道內(nèi)的煙氣分布，有效控制火災隧道內(nèi)的溫度場、速度場以及壓力場，掌握城市隧道火災煙氣控制的規(guī)律就顯得十分重要，另外通風、變配電及管理用房要盡量統(tǒng)籌利用地下空間，風塔的布置要結(jié)合隧道周邊城市環(huán)境，并注重景觀協(xié)調(diào)。

順河高架南延玉函路隧道作為濟南主城區(qū)第一條城市隧道，可為后續(xù)城市隧道的設計和建設提供參考依據(jù)。