汕頭蘇埃隧道運營通風系統設計

中鐵第六勘察設計院集團有限公司 梁 艷 魏志華深圳市市政設計研究院 唐春華

0 引言

世界第一條水下盾構隧道——法國泰晤士河隧道于1843年建成通車，開啟了水下隧道盾構建設的歷史；中國第一條水下盾構隧道上海黃浦江打浦路隧道于1971年建成通車[1]，開啟了我國水下盾構隧道建設歷史。我國水下隧道采用盾構法建設僅有幾十年時間，進入21世紀以來，我國水下隧道建設進入了迅速發展期，尤以水下大直徑盾構隧道最為矚目。肖明清對我國水下盾構隧道代表性工程及發展趨勢進行了總結[2]；張迪提出了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[3]。上海長江隧道[4]、武漢長江隧道[5]、南京緯三路過江通道[6]、錢江通道[7]、武漢三陽路隧道[8]、武漢東湖隧道[9]等大直徑盾構隧道已建成通車。大直徑盾構水下隧道的通風系統設計受暗埋段隧道長度、盾構段長度、盾構斷面直徑、內部結構及設備管線布置和逃生救援通道形式等諸多因素制約，結合項目特點對隧道運營通風系統設計標準的選取、需風量計算、通風方案進行了大量研究，取得了一定的設計經驗，但不同行車條件下的隧道運營通風工況的研究還不夠深入。隧道通風方案及運營通風模式會直接影響隧道的工程造價、運營環境及安全、防災救災功能及運營效益。

隧道通風分運營通風和火災通風，本文僅就隧道通風系統方案對比分析、方案選擇及運營通風方案進行分析，火災通風相關問題另撰文描述。結合工程案例對特長、雙管大直徑盾構隧道通風方案選擇及運營通風設計關鍵技術進行總結，以期為類似工程設計提供借鑒和參考。

1 工程概況

汕頭市蘇埃隧道工程位于廣東省汕頭市海灣大橋與礐石大橋之間，跨越汕頭市蘇埃內海灣，海域長約3.5 km，線路全長6.68 km[10]。蘇埃隧道是汕頭市第一條穿海通道，第三條過海通道，是連通汕頭灣南北兩岸、暢通城市發展“大動脈”的全天候過海新通道，能解決過海交通瓶頸，改善汕頭市“一市兩城”的格局，實現城市空間向南擴展，對城市建設發展具有重要意義。廣東省發展改革委于2012年5月正式批復該工程可行性研究報告，2017年3月正式土建開工，采用公私合營模式(PPP)，投資概算約57億元。隧道地理位置如圖1所示。

圖1 汕頭市蘇埃隧道工程地理位置圖

2 工程特點

該項目土建施工工法經過方案比選、論證后采用對碼頭、航道、環境影響均較小的盾構法施工，過海段采用內/外徑為13.3 m/14.5 m的大直徑盾構。盾構法是暗挖法中的一種全機械化施工方法，盾構機的主體部分是可移動的高強度鋼套殼。在隧道掘進時，通過盾構外殼和管片支承四周圍巖，防止發生往隧道內的坍塌，切削裝置開挖的土體通過出土機械運出洞外，并拼裝預制混凝土管片，形成隧道結構，如圖2所示。

圖2 盾構橫斷面施工示意圖

隧道過海段采用盾構法施工，具有以下特點：

1) 盾構段長度比較長，超過3 km，屬于特長隧道。

2) 盾構段為圓形結構，需要同時滿足行車、疏散、管線安裝等各類條件。

3) 作為一個機械施工的整體結構，管片最好連續，不宜破壞；中間風井、風塔、橫向疏散通道等通常不設置在盾構段。

3 隧道通風系統設計

3.1 隧道通風設計標準

3.1.1通風標準

隧道通風設計需同時滿足安全標準、衛生標準、舒適性標準：安全標準以控制煙霧濃度和隧道最大風速為主；衛生標準以稀釋CO為主；舒適性標準要滿足換氣次數和最小風速。通風設計標準是影響通風系統規模的一個重要因素，基于此，設計過程中對通風標準取值進行了多次研究及審查，也開展了大量的類似工程及國際規范的調研工作，結合隧道的實際情況、現場條件、營運經濟性及已建城市道路隧道通風的實際營運效果等進行綜合分析，最終采用了JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通風設計細則》[13](以下簡稱《細則》)推薦的數據。

3.1.2尾氣排放標準

汽車尾氣排放量是影響通風系統規模的另一個重要因素，同時應與目標年實際通過隧道的車輛相匹配。很多學者均對此提出了質疑并進行了大量的研究，隨著隧道建設的蓬勃發展，相應的行業標準也在逐步修訂。《細則》于2014年正式頒布實施，對尾氣排放標準給出了新的規定。該項目2014年啟動初步設計時即采用了《細則》的推薦值。

3.2 設計交通量

該隧道交通組成中76%為小客車，且不通行貨車，嚴禁通行油罐車或液態天然氣等危險品運載車輛，對于必須經過該隧道的軍事車輛，通行時由消防車開道。初期(2023年)、近期(2028年)、遠期(2038年)預測高峰小時交通量分別為3 112、3 612、4 673 輛/h。大型車比例為15.5%，方向分布系數按55%取值。

3.3 需風量計算

根據預測交通量、尾氣排放標準及隧道長度、坡度等參數計算東西線隧道各期需風量，見表1。

表1 東、西線隧道計算需風量 m3/s

從隧道的計算需風量結果中能看出需風量最大值由通風標準中的CO決定，煙霧并不起決定性作用。遠期正常行車工況30、40、50、60 km/h對應的需風量分別為353、303、243、202 m3/s，遠期阻塞工況需風量為413 m3/s，換氣工況需風量為282 m3/s。

4 隧道通風方案

蘇埃隧道為跨城區水下隧道，土建方案采用兩管盾構隧道結構形式，路線總長6 680 m，地下隧道封閉段全長4 230 m，兩端采用明挖法施工，過海段采用盾構法施工，東/西線盾構段長3 047.5 m/3 045.5 m，為一級公路兼城市道路，設計時速60 km/h。以東線為例，縱斷面如圖3所示。

圖3 隧道縱斷面圖

全橫向通風、半橫向通風均需配置風道，結合隧道控制需風量，需要配置的新排風道面積較大，會加大盾構直徑，增加土建投資。該項目受盾構直徑的限制，能設置風道的斷面空間較小，故不對全橫向通風、半橫向通風方案進行比選。

結合盾構井設置位置、盾構直徑、線路走向、洞口周邊環評要求，研究比選4種縱向式組合通風方式：射流風機(全段設置)+豎井分段排出式方案(方案1)、射流風機(全段設置)+豎井分段排出式+土建排煙風道方案(方案2)、射流風機(明挖段設置)+豎井分段排出式+土建排煙風道方案(方案3)、東線采用射流風機(明挖段設置)+豎井分段送排出式+土建排煙風道/西線采用射流風機(明挖段設置)+豎井分段排出式+土建排煙風道方案(方案4)。

4.1 方案1

以東線隧道為例，在北岸盾構井位置設置排風塔及排風機房，軸流風機設置在排風機房內，將隧道全長分為2個縱向通風區段，長度分別為720、3 510 m，通風方式為分段縱向式排風。射流風機分組設置在盾構段、明挖段隧道，以不影響盾構段直徑為前提，射流風機安裝在圓形盾構的上層空間。火災工況采用分段縱向排煙，根據火災點不同分別從排風塔或者洞口排除煙氣。在非阻塞工況，能較好地控制煙氣流動和擴散；但阻塞工況，車輛聚集在隧道內不能迅速開出，縱向排煙會導致煙氣蔓延到車輛聚集位置，不能完全保證火災點下游段人員和車輛的安全。運營通風總體剖面示意圖見圖4。

圖4 方案1運營通風總體剖面示意圖

4.2 方案2

和方案1相比，在兩圓形盾構隧道行車上層空間增設專用排煙風道，射流風機依然分組設置在盾構段、明挖段隧道。通風運營工況同方案1，火災發生在盾構段采用重點排煙，其他段采用分段縱向排煙。火災規模小于30 MW，盾構隧道內徑13.3 m滿足同時設置土建排煙風道和射流風機的安裝空間；火災規模大于50 MW，盾構隧道內徑13.3 m不能滿足土建排煙風道的過風面積及射流風機的安裝空間，需加大隧道內徑。射流風機分組設置在隧道內各處，配電方案造價較高。運營通風總體剖面示意圖見圖5。

圖5 運營通風方案2總體示意圖

4.3 方案3

利用兩管盾構隧道上層空間設置專用排煙道，盾構段不設置射流風機，射流風機集中設置在明挖暗埋段，兩管盾構內徑為13.3 m，土建排煙風道面積設計范圍為11～16 m2。該方案土建排煙風道的面積基本不受限制。運營通風總體剖面示意圖見圖6。

圖6 運營通風方案3總體示意圖

4.4 方案4

利用兩管盾構隧道上層空間設置專用排煙道，盾構段不設置射流風機，射流風機集中設置在明挖暗埋段，兩管盾構內徑為13.3 m，土建排煙風道面積設計范圍為11～16 m2。此方案土建排煙風道的面積基本不受限制。方案4與方案3區別在于方案4在東線隧道北岸風井至洞口的720 m范圍內設置了隧道送風系統。運營通風總體剖面示意圖見圖7。

圖7 運營通風方案4總體示意圖

4.5 方案比選

4種通風方案比選結果見表2。

表2 通風方案比選

蘇埃隧道盾構內徑為13.3 m，火災規模為50 MW。方案2不具備土建方案成立的條件。

蘇埃隧道連接汕頭灣南北兩岸，為海底城市主干道，具有交通流量大、易發生交通堵塞等特點。從設計發展角度看，尊重生命、保障安全是工程設計的重要內容，而且在國際上越來越受到重視。因此，該項目考慮隧道阻塞火災工況，方案1不滿足要求。

方案3為通風井排出式(下文詳細介紹了運營工況)，北岸風塔至洞口段部分工況存在交通力與排風氣流逆向，不能充分利用交通風、不節能，需要設置較多的射流風機以實現設計的氣流組織，較難控制。通過合理的設計分析計算，在低車速工況采用合流型排風，高車速工況充分利用交通風，采用分流型排風。可滿足東線隧道北岸洞口污染物濃度不超標的要求。

方案4在東線隧道北岸風塔至洞口的720 m設置送風豎井，東線隧道通風方式為通風井送排式，北岸風塔至洞口段利用明挖段有利條件設置送風短道，可很好地滿足東線隧道北岸洞口污染物濃度不超標的要求。但需要設置土建送風短道及少量射流風機，土建造價高。

通過上述分析，方案3和方案4均滿足隧道的功能需求，方案3造價低于方案4。結合上述方案分析，為保證行車安全、滿足其功能定位及土建投資等各方面因素，該工程隧道通風方案選擇方案3。

5 通風系統設計

蘇埃隧道為兩管隧道，采用盾構+兩端明挖暗埋結構形式。盾構內徑為13.3 m，盾構空間分為3層，上部為土建排煙風道層，中部為行車層，下部為安全通道/電纜廊道層。

方案3利用兩管盾構隧道上層空間設置專用排煙道，面積為15.6 m2，盾構段不設置射流風機，射流風機集中設置在明挖暗埋段。盾構橫斷面布置見圖8。

圖8 盾構橫斷面布置圖

5.1 洞口環境敏感點分布

隧道北岸洞口500 m范圍內有1棟別墅、3棟住宅和1所小學，環境空氣質量執行GB 3095—2012《環境空氣質量標準》二級標準[14]。隧道南岸洞口位于礐石風景名勝區及汕頭市濕地自然保護區范圍內，環境空氣質量執行GB 3095—2012《環境空氣質量標準》一級標準。兩岸洞口均不能直接作為全部污染空氣排放點，需要設置高風塔高空集中排放。經測算，隧道的大部分污染空氣(約80%)通過風塔高空集中排放，洞口排放約20%。

北岸風塔結合盾構井設置，中心里程距離隧道洞口720 m；南盾構井位于海中央沒有兼排風塔，南岸風塔向岸邊推移，設置在明挖暗埋段，中心里程距離隧道洞口170 m，兩岸風塔高度大約在55 m。隧道風塔位置見圖9。

圖9 隧道風塔位置

5.2 通風運營方案

隧道的控制需風量是按對應年的預測交通量及汽車尾氣排放量計算的，能滿足隧道設計標準的理論計算值。在某些工況，即便不啟動射流風機，隧道車輛行駛過程中產生的交通風量也會遠大于隧道的控制需風量，此時就需要按照實際車輛行駛帶動的交通風量對隧道CO、煙霧濃度進行核算，同時要結合洞口允許污染物排放指標，控制大部分污風從風塔排放，保證洞口污染物濃度不超標；而有些工況，隧道車輛行駛過程中產生的交通風會遠小于隧道的控制需風量，此時就需要啟動射流風機輔助通風，加大隧道洞口進入的總風量(需風量有上限，隧道斷面風速不大于10 m/s)，核算風塔和洞口排放比例、洞口污染物濃度，該過程需要反復迭代計算。

迭代計算控制關鍵點如下：

1) 兩端明挖暗埋段長度為720 m+463 m，射流風機設置組數有限。

2) 隧道斷面控制風速不大于10 m/s，隧道入口進入總風量有上限。

3) 隧道通風氣流組織分流形式為風塔和隧道出口同時排放污染空氣。

4) 隧道通風采用分流氣流組織形式，隧道進入總風量按照上限值計算，出風塔位置對應隧道斷面的CO、煙霧濃度，此濃度為下一通風段的設計濃度基點，可以計算出洞口污染物濃度，再判斷該值是否滿足環評要求，若不滿足，就需要采用合流氣流組織形式。

按照上述迭代計算關鍵點，計算出遠期東西線隧道出口端、排風豎井、匝道各段的排風量及洞口污染物排放比例，計算結果如表3所示。這些數值為隧道在不同行車工況下各段實際運營風量，其值與3.3節給出的隧道計算需風量仍有較大差別。

表3 遠期東線隧道實際運行風量分配

根據表3的計算結果及所選設備的參數，東線隧道行車速度為50～60 km/h時，采用分流排風工況，70%～80%污染空氣從風塔排放，20%～30%污染空氣從洞口及匝道排放；車速≤40 km/h及交通阻塞工況時，采用合流排風工況，全部污染空氣均需從風塔排放。以東線隧道為例，各類設備的啟停運營模式如表4所示。

6 通風設備布置

表4 東線隧道通風系統運行模式

南北岸風機機房內各設置4臺大型軸流風機，單臺風量為100～150 m3/s，風壓為1 000～2 000 Pa，電動機功率為400 kW，電壓為10 kV；2臺排風/排煙風機，單臺風量為150 m3/s，風壓為1 000 Pa，電動機功率為250 kW，電壓為10 kV。

東線通風區段1(長3 510 m)設置3組12臺射流風機，區段2(長720 m)存在為克服分流型運營工況的逆向交通風需要配置多臺射流風機的情況，設置3組12臺射流風機，共6組24臺射流風機；西線通風區段1(長4 056 m)設置5組20臺射流風機，區段2(長170 m)設置1組4臺射流風機，共6組24臺射流風機。射流風機直徑為1 120 mm，流量為39.1 m3/s，出口風速為38 m/s，推力為1 519 Pa，功率為55 kW。隧道通風設備布置見圖10。

7 結論及展望

圖10 通風設備布置示意圖

1) 對于特長隧道，單一通風方式已無法滿足項目建設需求。縱向式組合通風方案在大直徑盾構隧道領域具有較好應用前景。組合通風方案的實際運營效果有待檢驗，不同運營工況、運營速度下設備啟停模式、運營時間等均需要深入研究。

2) 隧道控制需風量是理論計算值，需要結合交通工況、洞口污染物等進行二次風量分配計算。風塔至出口一段距離較長時，低速及阻塞工況可能會出現出口污染物超標，此段通風需要特殊設計，沒有條件開設自然通風口或采取凈化措施時，采取合流型排風工況，全部或者部分污染空氣從風塔排放，避免了洞口污染物超標。這種設計思路在同類項目中均未見相關描述，本文也僅是作了初步的探討，后續仍有深入研究的必要。

3) 通風三大設計標準(安全、衛生、舒適性)、機動車尾氣排放量是影響通風系統規模的兩大因素，文中所述相關取值具有時代背景。《細則》是針對全國范圍各類隧道給出的相關取值，對發達地區的大型隧道項目未作其他規定，這些取值若直接用到發達地區的大型隧道項目，設計則過于保守，設備配置必然冗余，造成大量資源浪費。所以這兩大因素需要結合項目所處地區開展專項研究，進行合理取值。