海口文明東越江通道通風系統設計分析

王亮

上海市隧道工程軌道交通設計研究院

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。遠期設計年份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。主線設計車速60 km/h，匝道40 km/h，主線最大坡度為±5%，北線設置一對出口匝道，南線設置一對入口匝道。

本隧道車輛采用單孔單向行駛，正常交通時，活塞風較大，采用縱向通風方式可有效利用活塞風[1]，相比橫向通風能節約運行費用。同時射流風機直接吊設于隧道頂部，也大大減少了通風機房的土建規模。正常運營時，活塞風即可滿足隧道通風要求，無需開啟射流風機。

考慮到本工程項目匝道多，洞口多，每個匝道出口均可承擔一定的排污能力，且隧道總長度不長，因此通風系統設計中充分利用了這一特點，采用了射流風機分段縱向通風方案，不設高排風塔，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 通風衛生標準

隨著國家節能減排政策的實施，近年來對汽車尾氣排放的的控制越來越嚴格，管理也日臻完善，車輛的車況和排放標準均有所改善[2]。早在1994～1996 年期間，我國有關單位就對G85 渝昆高速公路重慶中山隧道進行了大量現場實測。實測時，專門組成了交通量與車型組合完全符合原設計條件的車隊，進行通風實效的檢驗。在中梁山左線上坡隧道風機全部運行時，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，中梁山隧道單洞設計高峰小時交流量較大，且出現經常性的交通擁堵。有關單位再次對該隧道進行了洞內運營環境實測，上坡隧道在正常交通、并不開啟任何風機情況下，洞內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 濃度也遠低于150 ppm。另外，有科研項目組對上海市運行的隧道進行調研的情況表明：盡管多數隧道高峰時期的交通量達設計上限值，車速不足設計速度的50%，但隧道內污染物濃度并不高。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、復興中路隧道高峰期隧道內記錄的CO 最高濃度不超過15 ppm，外灘通道CO 最高濃度約35 ppm，所有市區內隧道運營中均未發生過CO或能見度超標觸發風機開啟的情況。從而證明，實際隧道運行時的通風污染物濃度與《城市地下道路工程設計規范》CJJ221-2015 規定的CO 正常150 ppm、阻滯200 ppm 均相距較大。世界道路協會（PIARC）在2004 年以及2012 年技術報告中均給出相同的CO 濃度限值[4]，如表1 所示。

表1 PIARC 2012 年技術報告通風限值

即當洞內正常交通時（50～100 km）和日常阻滯時CO 設計濃度均取70 ppm，較少阻滯和停滯狀態時CO濃度取取值為100 ppm，仍遠小于現行業標準規定的150 ppm。考慮到我國車輛排放標準滯后歐盟5～6 年左右，上海地標《道路隧道設計規范》DG/TJ 08-2033-2017 結合實際運營調研資料，并按PIARC2012 建議值對CO 污染物濃度限值已做出修正。所以，本工程經綜合考慮后，CO 濃度設計標準如表2 所示。

表2 CO 設計濃度限值

3 通風設計

文明東越江通道進出口匝道較多，正常運行時主線的活塞風與匝道的活塞風互相影響，隧道通風系統存在多個支路和多個進排風口，通風網絡復雜，常規的通風計算方法對多匝道隧道并不能完全適用，故在本工程設計中，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，南線隧道設置一對入口匝道，匝道有一個共用段和兩個合流段組成。設計采用SES 程序對南北兩線遠期正常工況和阻塞工況下活塞風量以及風機配置進行模擬計算。計算結果如下圖1～4。

圖1 北線正常工況下活塞風量圖

圖2 南線正常工況下活塞風量圖

圖3 北線阻塞工況下活塞風量圖

圖4 南線阻塞工況下活塞風量圖

從圖1～4 可以得到以下結論：1）隧道內匝道和分流點較多，通風網絡復雜，通過合理的氣流組織和風機動作，可以使各個通風區段的有效新風量均大于設計需風量，滿足隧道內衛生標準。2）通過風機的運作開啟，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）阻滯工況應按最不利交通阻滯場景配置風機，且對各個阻滯區段均應分析計算，風機配置應滿足各阻滯區段需風量要求，保證氣流有效分配至各阻滯區段。

4 臨界風速計算修正

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，火災時煙氣流動速度不小于臨界風速。火災點下游（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，火災點上游的車輛在安全環境下疏散。縱向氣流速度應高于臨界風速，但不應小于2 m/s。

對于縱向排煙臨界風速的取值目前存在兩種方法，一是參考《公路隧道通風設計細則》規定的對應火災規模下直接取值。二是上海地標《道路隧道設計規范》DG/TJ 08-2033-2017 給出的肯尼迪公式計算出臨界風速，見式（1）、式（2）、式（3）：

式中：Vc為臨界風速，m/s；Q 為火災規模，kW；H 為隧道最大凈空高度，m；Kg 為坡度修正系數；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 為火災遠區空氣溫度，K；Tf為煙氣平均溫度，K；ρ 為火場遠區空氣密度，kg/m3；K1為弗勞德數，取值0.606。

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

表3 不同火災規模下K1取值

5 排煙設計

本工程隧道內車流量大，進出口匝道多，火災場景復雜，常規的排煙計算難以適應。設計中分析多個火災場景，采用SES 模擬計算，控制火災點縱向排煙風速大于臨界風速，通過開啟不同位置的射流風機，使煙氣盡快排出隧道。

北線各火災場景排煙參考圖5～圖6。

當北線主線出口區段即2 區段發生火災時，主線與匝道分流點前方車輛駛離隧道，火災點至分流點布滿車輛，為防止匝道分流削弱火災點排煙風速，故考慮關閉匝道風機，通過開啟主線風機滿足縱向風速要求。

當主線入口區段即1 區段發生火災時，火災點至隧道入口布滿車輛，其余區段車輛駛離隧道，為減少煙氣火災范圍，關閉匝道風機，開啟主線風機，使煙氣全部從主線洞口快速排離隧道。

當北線B 匝道發生火災時，著火點至分流點布滿車輛，其余區段車輛駛離隧道，之后為空隧道狀態。此時考慮關閉2 區段風機以減小分流，反向開啟A 匝道，以最少的風機配置滿足B 匝道火災排煙風速。

圖6 北線匝道火災風機配置及風量圖

A 匝道火災時與B 匝道火災場景及風機配置，動作原則均相同故不作贅述。

當北線AB 共用段發生火災時，A、B 匝道和主線車輛均駛離隧道，只有共用段火災點至分流點布滿車輛。同樣按減少分流增大火災區段縱向風速的原則關閉2 區段風機，開啟A、B 匝道風機。

南線各火災場景排煙參考圖7～8。

圖7 南線匝道火災風機配置及風量圖

圖8 南線主線火災風機配置及風量圖

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

當南線C 匝道末端發生火災時，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機全部開啟，考慮減少風機配置，反向開啟D 匝道射流風機，SES 程序模擬結果具體見圖7。

南線D 匝道火災時，火災場景設置原則及風機動作原則均與C 匝道相同故不贅述，CD 共用段匝道末端火災時，火災點后方布滿車輛，其余路段均為空隧道，正向開啟火災點前后區段射流風機，關閉主線入口區段風機。

南線主線入口區段火災時，火災點前方路段及匝道均為空隧道，開啟火災點前方風機，同時考慮反向開啟匝道風機。

南線主線出口發生火災時，全隧道布滿車輛，為最不利火災工況，此時按照前述風機配置，開啟全隧道射流風機排煙，通過SES 程序計算最終確定的風機配置情況。

結合不同火災場景對應的車輛排隊情況，通過SES 軟件對排煙進行模擬計算，利用氣流相互作用優化配置射流風機，通過合理氣流組織和風機動作，優化風機配置數量，滿足火災點的縱向排煙風速大于臨界風速，使火災點后方處于新風保護區內，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 結語

海口文明東越江通道匝道較多，通風網絡復雜，其通風系統設計具有以下特點。

1）采用分段縱向通風方式，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，火災時就近將煙氣排出隧道。

2）通過對標分析并結合國內現有隧道運營監測資料，確定合理的隧道污染物濃度設計標準。

3）隧道內匝道和分流點較多，通風網絡復雜，利用SES 軟件通過合理的氣流組織和風機動作，可以使各個通風區段的有效新風量均大于設計需風量，滿足隧道內衛生標準。

4）通過對現有規范和NFPA502-2017 研究分析，對臨界風速取值做出修正，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，火災場景復雜，利用SES 軟件分析多個火災場景，針對不同火災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，確定合理的風機配置方案。