基于多竖井送排模式的隧道通风系统设计与创新

2012-05-29郑国平

浙江交通职业技术学院学报 2012年2期

高翔,郑国平

(浙江省交通规划设计研究院,杭州 310006)

0 引言

随着我国公路建设的飞速发展,隧道设计和施工技术已经取得了巨大的进步,并出现了一批长度大于5 km的特长隧道。在特长公路隧道的设计中,通风方式的选择与防灾系统的设计是极为关键的技术问题,也一直是各国隧道专业人员十分关注的研究课题,它不仅直接影响隧道的建设投资,而且在很大程度上影响着隧道内的环境和隧道的运营安全[1]。在特长公路隧道中设置通风竖井或斜井以增加纵向通风的适用长度已经成为一种共识。比如,陕西省18.2 km长的秦岭终南山隧道设置3处地下风机房和通风竖井[2];甘肃省12.3 km长的大坪里隧道左线设置了2处通风竖井、右线设置了3处竖井[3];台湾省12.9 km的雪山隧道采用了3竖井送排式纵向通风模式[4];湖南省7.0 km长的雪峰山隧道采用了2座斜井的送排式纵向通风模式[5]。

隧道在浙江省公路网络中同样发挥着至关重要的作用。浙江是多山的省份,素有 “七山二水一分田”之说,山地和丘陵占70.4%,因此,浙江的隧道建设起步早、发展快,其数量、总里程、建设水平均处于全国各省之首。如1999年建成通车的甬台温高速公路上的大溪岭—湖雾岭隧道(4.1km)在国内首次采用了先进节能的单竖井吹吸式射流组合纵向通风方式[6]。

随着浙江省高速公路向山区延伸,公路隧道趋于长大化,先后出现了4座长度超过6 km的特长隧道,分别是台州—金华高速公路上的苍岭隧道(7.6 km)、诸暨—永嘉高速公路上的双峰隧道(6.2 km)、括苍山隧道 (7.9 km)、龙泉—丽水—温州高速公路上的西周岭隧道 (6.8 km),特长隧道建设规模之大在华东地区居首。

本文拟以作者参与设计的4座特长隧道为依据,介绍汽车尾气排放标准、通风卫生标准、隧道内风速标准、洞外有害物质背景浓度、火灾释热量如何取值,需风量计算需要考虑的工况、通风区段的划分、机电设备布置、土建构筑物设计等,以期对同类隧道的通风系统方案比选、设计提供参考。最后介绍设计过程中开展的有关多竖井送排式通风的算法、双洞共用的排烟联络风道布置、顶隔板集中排烟模式研究和创新。

1 工程概况及通风设计标准

1.1 工程概况 (见表1)

4座特长隧道均为双车道隧道,设计行车速度为80 km/h,通风净空断面积约64 m2,湿周长约31 m,水力直径约8.3 m,长度、纵坡、建设时间的概况信息如下表所示。其中苍岭隧道的纵断面基本上为单向坡,其中右洞为长上坡隧道、左洞为长下坡隧道。汽车尾气排放量与隧道纵坡大小密切相关,尤其是烟雾颗粒的排放量对纵坡非常敏感。从正常营运需风量而言,长上坡隧道以稀释烟雾浓度控制的需风量将起控制作用。从隧道防灾的角度来讲,长上坡路段由于发动机持续加热和长下坡路段长时间的刹车引起温度升高,增加了发生火灾的可能性[7],单向长大纵坡导致火灾时烟雾扩散的 “烟囱效应”,也增大了烟雾控制的难度。其余3座隧道以人字坡为主,对通风系统的设计有利。

表1 4座特长公路隧道一览表

1.2 汽车尾气排放标准

《公路隧道通风照明设计规范》 (JTJ 026.1-1999)(以下简称规范)推荐的CO基准排放量取值为0.01m3/辆*km,烟雾的基准排放量取值为2.5m3/辆*km[8]。考虑到汽车制造水平的发展,计算需风量时对基准排放量进行折减,即从1995年开始折减,年折减率为1.5%。

1.3 隧道内通风卫生标准

4座特长隧道设计采用的通风卫生标准统一采用如表2所示值。

表2 通风卫生标准

另外,隧道内风速应满足稀释空气中异味的需风量要求风速,按每小时换气次数3次,隧道内换气风速不低于2.5m/s。

1.4 隧道内风速标准

隧道内风速标准关系到行车安全及通风设备节能的问题。从行车安全的角度来讲,风速高将影响驾驶员对行车方向的控制,从而诱发交通事故;从通风设备节能的角度来讲,根据流体力学原理,通风动力消耗与风速的三次方成正比。因此,在我省特长公路隧道设计过程中严格控制最高风速不大于10m/s,且尽量介于6～8 m/s的经济风速区间内。

1.5 洞外有害物背景浓度

以往在计算需风量过程中,往往不考虑洞外有害物质的背景浓度,实际上在被吸入隧道的外界空气中,CO和烟尘都有一定的背景浓度,尤其是在隧道群中当一个洞口的空气有可能作为新风进入另一相邻隧道时应考虑一定的背景浓度,并在通风设计标准中相应扣除该背景浓度。

背景浓度的取值根据《环境空气质量标准》(GB3095-1996)。一般隧道位于山岭地区,洞外有害物浓度按照环境空气二级标准执行,即在规定范围内把有害物稀释到:CO日平均浓度限值4.0 mg/m3,一小时平均浓度限值10.0 mg/m3。对于隧道群,洞外有害物背景浓度予以适当提高。

1.6 火灾释热量

规范对于火灾释热量并无明确要求,只是在对火灾时排烟风速2～3m/s的条文说明中,解释了这个控制风速要求是相当于20MW的火灾规模,而随着货运汽车日益大型化,规范参考的火灾释热量值已经明显偏小。因此,在我省特长公路隧道设计过程中,参考国际道路协会PIARC研究报告取为30MW[7],并按同时只发生一处火灾考虑。

2 需风量计算

需风量是通风系统设计的基础,需风量的大小直接决定了通风模式的选择。4座特长隧道在需风量计算过程中主要考虑了以下通风工况:

2.1 隧道内正常交通工况 (40～80 km/h车速)

规范中建议:确定需风量时,应对计算行车速度以下各工况车速按20 km/h为一档分别进行计算[8],取最大值。而根据实际计算情况,50 km/h、70 km/h车速也可能出现需风量较大的情况,因此,建议应对计算行车速度以下各工况车速按10 km/h为一档分别进行计算,取最大值。4座隧道的正常营运需风量汇总见表3。

表3 4座隧道的需风量汇总表

从需风量计算过程和结果中发现,在设计交通量比较大的3座隧道 (苍岭隧道、双峰隧道、括苍山隧道)中,上坡隧道的需风量以稀释烟雾浓度的需风量控制;而下坡隧道的需风量以换气次数要求的需风量控制。

2.2 交通阻滞工况

由于维修或突发事故导致双车道局部阻塞的情况,其中局部阻塞阻滞段长度取1000m,阻滞段位置采用搜索法对隧道内不同位置进行试算。但根据4座特长隧道的分析结果来看,该工况并非控制性工况。

2.3 火灾工况

火灾通风的基本要求是使烟气不发生回流,其最小通风速度就是所谓的临界风速vcr(Critical Velocity)。规范中并无明确的临界风速计算公式,只是建议火灾时排烟风速可按2～3 m/s。而实际上临界风速受多种因素的影响,例如火灾释热量、隧道坡度、火源大小、火灾在隧道内发生的位置、隧道内的通风情况、隧道结构特征等。目前常用的临界风速计算方法主要有三种,即Heselden,Danziger和Kennedy提出的方法、Oka和Atkinson提出的方法、Wu和 Bakar提出的方法[7][9]。其中Heselden,Danziger和Kennedy提出的方法已经被广泛应用于火灾规模不大于50MW的公路、铁路、地铁隧道的防灾设计中,因此,在上述隧道设计过程中均采用了该方法。求得临界风速Vcr后,即可根据各隧道净空断面积求得火灾排烟风量在160～200 m3/s之间。

2.4 火风压因素

所谓火风压是在具有坡度的隧道中由于火灾前后风流密度与烟流密度的差异而引起的自然风压增量。对上坡隧道火风压对烟流起推动作用;对下坡隧道火风压对烟流起阻碍作用[10]。

3 通风系统设计与创新

3.1 通风分段数量的确定

特长隧道通风分段的目的有两个,首先,从营运通风的角度,利用斜井或竖井交换隧道内外的空气,使每段的设计风速不超过规范要求的纵向通风最大限制风速10m/s,并尽量保持在纵向通风经济风速区间6～8 m/s内。其次,从火灾应急通风的角度,通过设置斜井或竖井将隧道分为数段,将有效的缩短排烟距离,从而提高隧道的防灾救援能力。

早在1986年,瑞士通风专家委员会便在调研全世界1000多座道路隧道通风运营效果统计资料的基础上推荐 “对特长隧道必须考虑每隔3～5 km,设置具有通风机组的通风井一座”。从国内外已经建成或在建的10 km以上的隧道的纵向通风分段情况来看,日本的关越隧道分段长度3.5～3.7 km,中国台湾的雪山隧道分段长度约3.2 km,秦岭终南山隧道分段长度3.8～4.9km,甘肃的大坪里隧道分段长度3.0～6.1 km,一般分段长度3～5 km。

根据上述工程类比及需风量计算结果,结合隧道沿线地形情况,4座特长隧道的通风分段方案见表4。

表4 4座隧道的通风分段方案

3.2 多竖井送排式通风计算方法的创新

规范对于双竖井或更多竖井的送排式通风方式是没有述及的。相对于单竖井送排通风方式而言,多竖井送排通风方式的流量守恒和压力平衡方程更加复杂,很难求得其解析。

多竖井的送排式通风方式的计算方法有基于斯考德—恒斯雷法迭代算法的网络模型对复杂风网进行求解[11],该方法的迭代计算工作量大,而且对于各支路中的射流风机升压力动态调整始终是个难题。为此,作者研究了一种基于二分法数值分析方法的流量平衡方程数值求解方法,并编制程序,据此求得各个区段的设计风量和机械通风压力缺口,进而确定隧道通风系统的动力配置[12]。

3.3 通风机电系统布置

限于篇幅,以苍岭隧道为例介绍通风机电系统配置 (见图1)。根据需风量计算及通风计算结果,苍岭隧道通风的重点是在右洞,因此右洞采用了竖井送排结合射流风机的分段纵向通风模式,其中1号竖井只送风不排风以降低洞口段的设计风量,减少射流风机数量;2号竖井既排风又送风,起到了空气交换的目的。左洞采用纯射流风机纵向通风模式,控制系统相对简单。对于火灾排烟,两座竖井均设置了排烟风道,并按照每座竖井均兼顾左右洞排烟考虑,即在左右洞的拱顶各设置了排烟口,并在地下风机房设置专用的排烟轴流风机,其中2号竖井在右洞按照排风兼顾排烟考虑,共用排烟风道及轴流风机。

图1 苍岭隧道通风系统简图

其余3座隧道的通风机电系统布置情况列表介绍见表5。

表5 3座隧道的通风设备配置表

3.4 通风系统土建构造物设计

通风系统的土建构造物包括通风竖井、通风机房、联络风道、地面风塔等。

4座特长隧道均采用了通风竖井方案,竖井中心距离主隧道中心的距离分别取90 m(设置地下风机房)和35 m(设置地面风机房),竖井的深度见表6。

表6 4座隧道的竖井深度(单位:m)

关于通风机房,因为双峰隧道竖井口正好处于地方道路附近,维护管理和工作人员的进出比较方便,因此采用了地面风机房以节省造价,通风塔与地面风机房结合考虑。其余三座特长隧道均采用在竖井底部、主隧道外侧设置地下风机房。地下风机房采用直墙拱形,净宽为10 m,净高为11.16 m,在两侧墙上设置牛腿,用于安装行车轨道;侧墙开洞设置了设备运输通道,用于搬运通风设备、供配电设备,便于检修人员进出;从消防逃生考虑,还设置了一条逃生通道连接主洞。通风塔设置于竖井顶部,风塔的设计主要考虑了排风对周围大气环境的影响,通过风向玫瑰图掌握风塔位置常年风向变化特征,使进风口朝向常年风向的上游,排风口朝向下游。排风口应比进风口高出10 m,或风口错开方向布置,且进、排风口最小间距应大于10 m。

图2 地下风机房及竖井平面布置图

3.5 双洞共用通风竖井和地下风机房的创新设计

在西周岭隧道通风系统的设计过程中,作者研究并应用了一种双洞共用的通风竖井和地下风机房布置方式 (见图2)。通风竖井分隔为送风道和排风道,送风道在竖井底部分叉成两条送风联络道,分别对左右洞输送新风,排风联络道设置成左右洞共用。这种布置方式的地下风机房非常紧凑,长度仅80 m左右,在国内尚未有先例,降低了通风系统土建结构的工程量和工程造价。

同时,竖井的排风联络风道同时连通左洞和右洞。对于设置了两座竖井的隧道,可以将左、右洞各划分成三个排烟区段,缩短了火灾时的排烟路径,提高了防灾能力。

4 结语

竖井送排式纵向通风模式在浙江省特长公路隧道中的应用实践是一个认识不断提高和设计持续改进的过程。从最早设计的苍岭隧道到最晚设计的西周岭隧道,对这种通风模式的应用日趋成熟。

隧道通风系统是营运期间的耗电大户,占营运电耗的一半以上。从浙江省特长隧道通风系统的应用来看,对于一定长度、一定交通量的隧道而言,纵坡对通风系统的配置规模影响最大。国内相关研究资料也表明,随着道路坡度的增加,柴油车烟雾排放量急剧增加。隧道内坡度每增加1%,烟雾排放量约增加40%～125%[13]。因此,应在路线设计阶段就予以重视,尤其对于长度超过6 km的特长隧道,纵坡不应大于2%,尽量小于1.5%,并不宜采用单向坡。其中西周岭隧道就是通过纵坡优化取得了良好的效果。

通风系统的机电设备通常按照近、远期分期实施考虑,建议可进一步细化为初期 (通车3年内)、近期 (通车 4～10年内)、远期 (通车11～25年)分期考虑。这有利于节省初期投资,也有利于克服交通量预测、车型组成比例变化、基准排放量降低等不确定因素。尤其是对于基准排放量,现行的通风设计规范还基于1995年的排放检测数据,实际上随着汽车排放标准的日趋严厉,基准排放量已明显下降。根据有关研究,从2000—2025年,柴油车的CO排放将累计下降至少81.62%,年平均6.31%;汽油车的CO排放将累计下降至少63.24%,年平均3.78%;柴油车的烟雾排放将累计下降至少76%,年平均3.45%[14]。因此,亟待从规范的层面加以修订完善。

目前,除西周岭隧道尚在施工外,苍岭隧道、括苍山隧道、双峰隧道都已建成通车,通风设施也已投入运营。从目前运营的效果来看,基本达到了设计的目标。

[1]宋国森,胡斌.特长公路隧道平导通风方案研究及优化[J].公路交通科技,2011,28(4):84-90,95.

[2]王明年,杨其新,曾艳华.秦岭终南山特长公路隧道网络通风研究[J].公路交通科技,2002,19(4):65-68.

[3]张鸿明,何伟志.雪山隧道通风系统之基本三维气流场[C]∥中国机械工程学会第二十四届全国学术研讨会论文集.台湾:中原大学出版社,2006:735-740.

[4]乔春江,柯小华.大坪里隧道通风方案设计[J].中南公路工程,2006,31(1):83-87.

[5]王晓雯,屈志豪.雪峰山隧道通风方案计算分析[J].重庆建筑大学学报,2004,26(3):40-45.

[7]PIARC Committee on Road Tunnels(C5).Fire and Smoke Control in Road Tunnels[M].La Defense Cedex:Jean-Fran Sois CORTÉ,1999:63-64.

[8]JTJ 026.1-1999,公路隧道通风照明设计规范[S].

[9]洪丽娟,刘传聚.隧道火灾研究现状综述[J].地下空间与工程学报,2005,1(1):149-155.

[10]闫治国,朱合华,杨其新.火灾时隧道火风压及其对通风影响的试验研究[J].同济大学学报:自然科学版,2006,34(12):1592-1596.

[11]金文良,李品利.公路隧道通风网络理论的研究及应用[J].隧道建设,2008,28(2):158-160.

[12]郑国平.双竖井送排式通风方式的数值解析及运营经济性研究[J].隧道建设,2007,27(1):3-7,25.