济南市顺河高架南延玉函路隧道火灾通风设计

郑 枫，卞姗姗

（1.山东职业学院，山东 济南 250104；2.济南市市政工程设计研究院（集团）有限责任公司，山东 济南 250101）

0 引言

城市地下隧道是城市立体交通的一种重要形式，能够充分利用城市地下空间解决城市交通拥堵，并且对城市环境和居民出行、生活的影响很小。随着环保意识的增强，在城市快速路建设中得到不断应用。随着建造长度、交通量的不断增加，对城市隧道火灾通风等防灾救灾的要求越来越高。隧道通风包括纵向通风、半横向通风、全横向等多种形式，如何选择合理的通风方案，以期达到理想的设计效果，本文结合顺河高架南延玉函路隧道的实际工程经验，对较长城市隧道的平时通风、火灾时的通风和防排烟系统设计进行探讨。

1 玉函路隧道工程概况

顺河高架路是济南市快速路网中贯穿主城区的南北向快速通道，玉函路隧道北端与现状顺河高架桥衔接，南端接英雄山路南段高架桥（见图1、图2）。玉函路隧道内为双向四车道，设计时速50km/h，采用双洞设计，单洞断面面积为31.6 m2，隧道最大纵坡2.6%，隧道暗埋段通风设计里程2 755 m。隧道位于中心城区城市主干路玉函路下方，如何有效组织气流，控制烟气流动，将烟气及时排出，利于人员疏散和灭火是本工程火灾通风设计的重点。

2 隧道内火灾特点[1]

图1 玉函路隧道北洞口鸟瞰图

图2 玉函路隧道南洞口鸟瞰图

隧道火灾大多是缺氧燃烧，会产生高毒性的一氧化碳气体；受隧道净空限制，火焰向水平方向延伸，炽热气流可顺风传播很远；相关研究表明，10 s后火灾已充分发展，2～10 min后顶板即升温到1 200℃；炽热气流可顺风传播，遇到易燃物即快速燃烧；隧道内火场引起的局部热气流可逆风移动，从而导致消防人员难以从上风方向到达火灾现场；火灾时隧道内的阻力增加，阻碍了烟气在隧道中的流动。

3 隧道火灾通风设计

3.1 通风设计要点

隧道火灾通风设计重点在于合理组织气流，控制烟雾和热量的扩散，为滞留在隧道内的人员提供一定的新风量，以利于安全疏散和灭火扑救。

3.2 通风方式

隧道通风方式一般有纵向、半横向和全横向三种方式。相比于横向、半横向通风方式，纵向通风方式有以下优点：

利用整个隧道空间作为通风风道，隧道断面不必因通风而加大，可减少土建工程量；

当汽车单向行驶时，能有效利用汽车本身产生的活塞风，减少设备初投资和营运动力费，有较好的节能效果。

基于以上优点，结合玉函路隧道的特点，设计选用了射流风机（见图3）加高风塔排风（见图4）的纵向通风方式。利用射流风机的调节作用，实现大范围内不同幅度的调节作用（增大或减小），并且可以按照要求控制纵向气流的方向。另外，通过风机调节可以改变火灾气流的流态，烟雾的扩散特性也随之改变。设计中射流风机按提供阻止烟雾逆向流动的临界风速所需的推力来配置，射流风机形成大于临界风速的纵向断面风速，此时隧道上游人员始终安全，下游人员可驾车驶离隧道。临界风速为隧道火灾时控制烟气回流的最小断面平均风速。因此，隧道火灾通风的关键是确定合理的隧道火灾临界风速[2]。临界风速由式（1）、式（2）确定[3]。

图3 玉函路隧道内射流风机图

图4 玉函路隧道东线高风塔图

式中：V为临界风速，m/s；kg为坡度因数；k为换算常数，K=0.61，为自由落体加速度，m/s2；H为从地面到拱顶的高度，m；Q为火灾热量释放功率，W；ρ为空气密度，kg/m3；为空气比定压热容，J/（kg·k）；A为隧道面积，m2；Tf为平均热空气温度，K。

3.3 气流组织

对于单向行驶隧道而言，无论火灾发生在何处，前方的行车速度一般大于风速，相对安全。而后方的车辆及人员相对较危险，必须及时的将烟气排出行车隧道，保证着火车辆后方的车辆及人员的安全。因此应该根据火灾的发生地点采取相应的气流组织形式[4-5]，具体如下：当着火点在入口段和中间段，开启一定数量的射流风机，同时打开着火点前方风机房内的排烟风机进行排烟；当着火点在出口段时，关闭风机房内的所有风机，开启射流风机，直接将烟气从出口排出。

3.4 风机选型和布置[1]

排烟轴流风机按隧道排烟量选择，风压由隧道和通风井阻力确定。其中热源产烟量按式（3）计算：

式中：V为排烟量，m3/s；Mρ为烟缕质量流量，kg/s；T'为烟气的热力学温度，K；ρ0为环境温度下气体的密度，kg/m3；T0为环境的热力学温度，K。

玉函路隧道设计为小客车专用隧道，最大火灾可能是由公交汽车引起，火灾强度采用20MW。

通风系统包括东线和西线两套系统，附属设施集约化布置，变配电室与通风机房设置在地下，地上建筑为管理用房。图5、图6为地下风机房布置图。

图5 玉函路隧道西线风机房布置图（单位：cm）

图6 玉函路隧道东线风机房布置图（单位：cm）

3.5 隧道污染空气排放方式

城市隧道建设时，尤其是采用纵向通风的隧道，必须考虑隧道内废气的排放问题。隧道污染空气的排除方式需要综合考虑洞口环境保护要求、周围现状及规划等因素的基础上，根据工程具体情况和环评部门的意见，因地制宜，合理选择。

隧道内污染空气一般可以选择洞口直接排放、风塔高空集中排放等方式（国外也有采用排风净化技术，但由于其造价及运营成本高昂，国内目前尚无采用的实例）。玉函路隧道东、西线洞口均处于城市中心居住区，若采用洞口直接排放，洞口污染物浓度较高，对周围环境会造成一定程度的影响。因此，根据本工程隧道的长度、车流量和沿线地面环境情况的分析，并参照国内类似工程案例，本隧道内污染物考虑采用风塔高空集中排放的形式。

高风塔位置受工程周围现状条件的制约非常大，并且风塔位置必须保证离洞口距离不能太远。由于本隧道沿线均为居民聚居区，可供利用的场地十分有限，在选定排风塔位置时充分利用了隧道沿线的资源。根据本隧道的条件，西线隧道在距离洞口400 m左右，有一处山坡，该处地势较高，可减少对附近敏感建筑和景观的影响，且距离洞口的位置也适合放置高风塔，因此我们把西线隧道的高风塔设置在了此处，充分利用了山坡地势高的优势；东线隧道在距离洞口750 m处为一处公园用地，公园东侧为城市泄洪沟，泄洪沟东岸有一处绿化用地，我们利用公园的地下空间设置了大型风道，风道跨过泄洪沟，将风塔设置在泄洪沟东岸的林地处。隧道内风塔至洞口段采用了洞口直接排放的形式，设计满足了相关区域环境质量的要求。本隧道高风塔设置高度为25 m。

4 结语

城市地下公路（隧道）有效利用了地下空间，避免了高架桥对城市景观及居民生活的影响。因此预测隧道内的烟气分布，有效控制火灾隧道内的温度场、速度场以及压力场，掌握城市隧道火灾烟气控制的规律就显得十分重要，另外通风、变配电及管理用房要尽量统筹利用地下空间，风塔的布置要结合隧道周边城市环境，并注重景观协调。

顺河高架南延玉函路隧道作为济南主城区第一条城市隧道，可为后续城市隧道的设计和建设提供参考依据。