某過湖沉管法公路隧道通風排煙方案研究★

王 威，梁 園，張 宇

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司,北京 102600)

1 概述

水下公路隧道在功能定位、地理環境等方面有別于山嶺隧道，具有運營舒適性高、環保要求高、建設條件受限、火災后修復難度大的特點。1910年，美國在底特律河用沉管法修建第1座用于交通運輸的水下隧道起，目前全世界已建成的沉管法隧道數量已超過100座；20世紀90年代初，中國大陸建成了第1條公鐵兩用通行的沉管法隧道——廣州珠江隧道。截至2017年底，已建成18座沉管法隧道，隨著城市交通的日漸繁榮及城市規劃的提升，沉管法隧道在國內呈現出爆發式的發展[1]。楊秀軍等[2]采用性能化的手段對港珠澳大橋沉管隧道正常運營通風和火災工況下緊急通風進行了定量的分析，以提高隧道運營安全性和運營節能效果；姜同虎等[3]依托某特長隧道，通過對該隧道通風方式、通風井類型進行比選研究，確定了此特長公路隧道全射流縱向通風+斜井排煙的通風方案；李志鵬[4]結合某特長公路隧道工程特點，提出合流型通風井排出式+射流風機縱向通風、平導壓入式網絡通風以及射流風機縱向通風+斜井分段排煙3種通風方案，對各通風方案進行比選，通過比較各個方案的優缺點，最終給出推薦方案:射流風機縱向通風+斜井分段排煙方案。

以某過湖沉管法公路隧道為例，根據隧道內污染物濃度設計標準，計算隧道通風需風量，進而依據隧道工程線路設置及環評要求，提出3種可行性高的隧道通風排煙方案，從技術可行性、環境保護、經濟性等多方面比選合理確定推薦方案，并給出推薦方案的設備配置，為工程后續實施提供理論依據。

2 工程概況

某過湖公路隧道穿越太湖，隧道長約9 km，采用雙向六車道高速公路標準，隧道設計速度120 km/h。斷面采用雙孔一管廊的形式，單孔凈寬17.45 m，內部根據高度不同，分為淺段、中段、深段三個斷面，其中深段隧道的行車道路面到隧道頂板底面的高度最高，為8.10 m。中間管廊寬度為5.0 m，上部為排煙風道(見圖1)。本工程湖底隧道段長7.70 km，故風塔間排煙區段最長7 700 m，而在建及已建類似工程最長5 600 m，本項目建成將是全國水下隧道排煙風塔間距最長隧道工程，并且下穿位置位于國家5A級風景區，對環境空氣質量、景觀要求高，因此，設置通風排煙井的位置及占地也極其嚴苛，隧道通風排煙系統的設計是工程設計中的關鍵環節。

3 需風量計算

3.1 隧道內污染物濃度設計標準

隧道內污染物濃度設計標準參考JTG/T D70/2—02—2014公路隧道通風設計細則及PIARC的推薦值[5]基礎上，稀釋污染物的設計標準的取值如表1所示。

表1 通風衛生標準

1)在阻塞工況，當CO濃度達到150×10-6的時間超過15 min或阻塞長度接近1 km，以及煙霧濃度接近0.012 m-1時，應采取禁止洞口車輛進入等交通管制措施。考慮隧道交通流量情況以及齊備的監控設施，設計考慮由于出口不暢導致全隧道車輛以10 km/h時速緩慢行駛以及由于維修或突發事故導致局部阻塞，其中局部阻塞阻滯段長度取1 000 m，阻滯段位置取隧道出口和湖底中間段進行計算。

2)隧道內風速應滿足稀釋空氣異味的需風量要求風速，每小時換氣次數不少于3次。

3)隧道內火災規模按50 MW設計，根據隧道內縱坡情況，采用集中排煙時，火災煙霧生成率80 m3/s～100 m3/s[6]。

3.2 隧道需風量計算

1)交通量預測及其車型組成。

本隧道內交通量和車型比例如表2所示，方向不均勻系數0.55，高峰小時系數為0.091。

表2 各特征年隧道車輛構成比例預測表 %

a.車種比例(禁止危化品車輛通行)。

b.各特征年年均隧道日交通量預測，如表3所示。

表3 各特征年年均隧道日交通量預測表 pcu/d

2)隧道需風量計算結果。

經對現有資料的詳細分析，結合隧道的內空斷面積、縱坡、海拔高度、車輛構成以及行車速度，分別計算各設計年限隧道單洞在正常運營時，稀釋洞內CO、煙塵、除異味及交通阻滯等工況的隧道需風量，綜合確定隧道的設計風量，計算結果如表4所示。

表4 單洞隧道需風量表

4 隧道通風方案

隧道通風方式的選用涉及到隧道長度、交通流量、行車方式、峒口環境保護要求和隧道施工方法等多種因素。本隧道通風方案結合總體設計及環評要求，湖西岸1號風塔設置樁號BK8+450，東岸3號風塔設置樁號BK16+110，提出方案一。考慮到本項目受后期交通量影響，且隧道暗埋段長度為8 000 m，排煙區段長度約7 700 m，故在湖中人工島增設2號高送風井和排風塔(樁號BK12+800)，正常工況時分段通風，火災時分段+重點排煙，提出方案二。與太湖流域管理局初步對接，方案二因湖中設島規模過大，建議優化人工島面積，故在方案二基礎上優化湖中人工島規模，在島中僅設2號低矮排煙風井(樁號BK12+800)，正常工況時出洞端高風塔分流排風，火災時分段+重點排煙，提出方案三。即：

1)不設島。湖岸設2座風塔，“風井分流排出+射流式”分段通風+重點排煙方案(湖西1號排風塔BK8+450、湖東3號排風塔BK16+110)。

2)設島(規模1.53 ha)。湖岸設2座風塔，湖中設人工島用于排風和排煙，“風井送排+射流式”分段通風+重點排煙方案(湖西1號排風塔BK8+450、湖東3號排風塔BK16+110，湖中2號排風塔BK12+800)。

3)設島(規模0.53 ha)。湖岸設2座風塔，湖中設人工島僅用于排煙，“風井送排+射流式”分段通風+重點排煙方案(湖西1號排風塔BK8+450、湖東3號排風塔BK16+110，湖中2號排風塔BK12+800)。

4.1 不設島，“風井分流排出+射流式”分段通風+重點排煙方案

正常工況，左、右線隧道采用“風井分流排出式+射流”分段通風方式，左線隧道需風由主道進口進入，由湖西岸1號高風塔排出，部分氣流由出口排出，風塔排污比例占左線隧道的70%。右線隧道需風由主道進口進入，由湖東岸3號高風塔排出，部分氣流由出口排出，風塔排污比例占右線隧道的70%。

火災時，采用重點排煙，利用隧道之間電纜通道上部空間作為排煙風道，排煙風道面積為23 m2，每隔60 m設置專用排煙風閥，排煙風井最長間距為7 700 m。

方案一左、右線隧道通風剖面示意圖如圖2，圖3所示。隧道排煙剖面示意圖如圖4所示。

4.2 設島(規模1.53 ha)，“風井送排+射流式”分段通風+重點排煙方案

正常工況，左、右線隧道采用“風井送排式+射流”分段通風方式，左線隧道進洞段需風由主道進口進入，由湖中2號高排風塔排出；出洞段需風由湖中2號送風塔送入，湖岸1號高風塔排出，部分氣流由出口排出，風塔排污比例占左線隧道的70%。右線隧道進洞段需風由主道進口進入，由湖中2號高排風塔排出；出洞段需風由湖中2號送風塔送入，湖岸3號高風塔排出，部分氣流由出口排出，風塔排污比例占左線隧道的70%。

火災時，兩線隧道排煙方案一致，正常通行工況采用分段縱向通風排煙，開啟火災點下游近端風塔排風機排煙，射流風機調壓，形成縱向排煙的控制風速。阻滯工況采用重點排煙，利用隧道之間電纜通道上部空間作為排煙風道，排煙風道面積為15 m2，開啟火災點區域300 m范圍內5組重點排煙口，啟動重點排煙風機，將煙氣就近排出。在湖中人工島增設2號低矮排煙風井(樁號BK12+800)，設置2臺重點排煙專用風機，排煙風井最長間距為4 500 m。

方案二左、右線隧道通風剖面示意圖如圖5，圖6所示，隧道正常交通排煙及隧道阻塞交通排煙示意圖如圖7，圖8所示。

4.3 設島(規模0.53 ha)，“風井分流排出式+射流式”分段通風+重點排煙方案

正常工況，左、右線隧道通風原理與方案一相同，不再贅述。

火災時，兩線隧道排煙方案一致，正常通行工況采用分段縱向通風排煙，開啟火災點下游近端風塔排風機排煙，射流風機調壓，形成縱向排煙的控制風速。阻滯工況采用重點排煙，利用隧道之間電纜通道上部空間作為排煙風道，排煙風道面積為15 m2，開啟火災點區域300 m范圍內5組重點排煙口，啟動重點排煙風機，將煙氣就近排除。在湖中人工島增設2號低矮排煙風井(樁號BK12+800)，設置2臺重點排煙專用風機，排煙風井最長間距4 500 m。方案三左線隧道正常行車排煙示意圖如圖9，圖10所示，隧道阻塞交通排煙示意圖如圖11所示。

4.4 隧道通風方案比選

根據上述3種隧道通風方案描述進行多方面技術性、經濟性分析，具體詳見表5。

表5 隧道通風方案比選表

綜上所述，方案二與方案一相比，方案二增加了2號高送排風塔及隧道風機房，需在湖中設置人工島，造島規模達1.53 ha，極大增加了土建工程量，湖中風井對太湖景觀影響有極大風險，隧道風機功率容量較方案一大50%。但方案一排煙區段長度超過5 km，大于規范要求，對整個消防系統等提出了嚴峻挑戰。方案三隧道最大需風量斷面風速7.23 m/s，在保證隧道內空氣質量可靠性的基礎上，增加了2號排煙風井及隧道風機房，排煙路徑最長4 350 m，保證煙氣及時排除，人員安全疏散，同時降低后期受交通量、環評要求的影響，造島規模在方案二基礎上進行極大優化，機電投資增加小，故推薦選擇方案三(設島規模0.53 ha)：右、左線隧道采用“風井分流排出式+射流”分段通風方式，湖中設人工島，火災時有縱向、重點排煙措施：

1)隧道采用高風塔排風和射流風機調壓相組合的縱向通風方式。

火災時，正常通行工況采用分段縱向通風排煙，開啟火災點下游近端風塔排風機排煙，射流風機調壓，形成縱向排煙的控制風速。阻滯工況采用重點排煙方式。

2)隧道風塔處通風設備設置情況。

湖西1號風塔設軸流排風機4臺(風量：140 m3/s，風壓：1 200 Pa)，專用軸流排煙風機2臺(風量：110 m3/s，風壓：1 600 Pa)；湖中2號低矮排煙風井設專用軸流排煙風機2臺(風量：110 m3/s，風壓：1 600 Pa)；湖東3號風塔設軸流排風機4臺(風量：140 m3/s，風壓：1 200 Pa)，專用軸流排煙風機2臺(風量：110 m3/s，風壓：1 600 Pa)。

3)隧道內射流風機設置情況。

隧道射流風機分4個集中段設置，每段設置12組，每組3臺。其中，每臺射流風機流量：33.8 m3/s，風機直徑：1 120 mm。

5 結語

本隧道屬于特長水底隧道，作為穿越太湖地區的工程項目，首要考慮的是工程項目對周邊生態環境的影響以及運營需求。本文在確保洞內污染物濃度和排放量滿足環評要求的基礎上，為乘用人員、維修人員提供合理的通風衛生標準，提出三種隧道通風及火災排煙方案。為確保隧道正常運營情況下的安全、舒適，火災情況下為司乘人員疏散、救援人員的滅火撲救提供安全的環境，從水利影響、土建影響、風塔位置受限情況、隧道通風排煙效果、設備配置及配電容量等多方面綜合分析對比多種可行性高的隧道通風方案，最終確定合理的推薦方案，可為同類工程提供參考。