某过湖沉管法公路隧道通风排烟方案研究★

王 威，梁 园，张 宇

(中铁第五勘察设计院集团有限公司,北京 102600)

1 概述

水下公路隧道在功能定位、地理环境等方面有别于山岭隧道，具有运营舒适性高、环保要求高、建设条件受限、火灾后修复难度大的特点。1910年，美国在底特律河用沉管法修建第1座用于交通运输的水下隧道起，目前全世界已建成的沉管法隧道数量已超过100座；20世纪90年代初，中国大陆建成了第1条公铁两用通行的沉管法隧道——广州珠江隧道。截至2017年底，已建成18座沉管法隧道，随着城市交通的日渐繁荣及城市规划的提升，沉管法隧道在国内呈现出爆发式的发展[1]。杨秀军等[2]采用性能化的手段对港珠澳大桥沉管隧道正常运营通风和火灾工况下紧急通风进行了定量的分析，以提高隧道运营安全性和运营节能效果；姜同虎等[3]依托某特长隧道，通过对该隧道通风方式、通风井类型进行比选研究，确定了此特长公路隧道全射流纵向通风+斜井排烟的通风方案；李志鹏[4]结合某特长公路隧道工程特点，提出合流型通风井排出式+射流风机纵向通风、平导压入式网络通风以及射流风机纵向通风+斜井分段排烟3种通风方案，对各通风方案进行比选，通过比较各个方案的优缺点，最终给出推荐方案:射流风机纵向通风+斜井分段排烟方案。

以某过湖沉管法公路隧道为例，根据隧道内污染物浓度设计标准，计算隧道通风需风量，进而依据隧道工程线路设置及环评要求，提出3种可行性高的隧道通风排烟方案，从技术可行性、环境保护、经济性等多方面比选合理确定推荐方案，并给出推荐方案的设备配置，为工程后续实施提供理论依据。

2 工程概况

某过湖公路隧道穿越太湖，隧道长约9 km，采用双向六车道高速公路标准，隧道设计速度120 km/h。断面采用双孔一管廊的形式，单孔净宽17.45 m，内部根据高度不同，分为浅段、中段、深段三个断面，其中深段隧道的行车道路面到隧道顶板底面的高度最高，为8.10 m。中间管廊宽度为5.0 m，上部为排烟风道(见图1)。本工程湖底隧道段长7.70 km，故风塔间排烟区段最长7 700 m，而在建及已建类似工程最长5 600 m，本项目建成将是全国水下隧道排烟风塔间距最长隧道工程，并且下穿位置位于国家5A级风景区，对环境空气质量、景观要求高，因此，设置通风排烟井的位置及占地也极其严苛，隧道通风排烟系统的设计是工程设计中的关键环节。

3 需风量计算

3.1 隧道内污染物浓度设计标准

隧道内污染物浓度设计标准参考JTG/T D70/2—02—2014公路隧道通风设计细则及PIARC的推荐值[5]基础上，稀释污染物的设计标准的取值如表1所示。

表1 通风卫生标准

1)在阻塞工况，当CO浓度达到150×10-6的时间超过15 min或阻塞长度接近1 km，以及烟雾浓度接近0.012 m-1时，应采取禁止洞口车辆进入等交通管制措施。考虑隧道交通流量情况以及齐备的监控设施，设计考虑由于出口不畅导致全隧道车辆以10 km/h时速缓慢行驶以及由于维修或突发事故导致局部阻塞，其中局部阻塞阻滞段长度取1 000 m，阻滞段位置取隧道出口和湖底中间段进行计算。

2)隧道内风速应满足稀释空气异味的需风量要求风速，每小时换气次数不少于3次。

3)隧道内火灾规模按50 MW设计，根据隧道内纵坡情况，采用集中排烟时，火灾烟雾生成率80 m3/s～100 m3/s[6]。

3.2 隧道需风量计算

1)交通量预测及其车型组成。

本隧道内交通量和车型比例如表2所示，方向不均匀系数0.55，高峰小时系数为0.091。

表2 各特征年隧道车辆构成比例预测表 %

a.车种比例(禁止危化品车辆通行)。

b.各特征年年均隧道日交通量预测，如表3所示。

表3 各特征年年均隧道日交通量预测表 pcu/d

2)隧道需风量计算结果。

经对现有资料的详细分析，结合隧道的内空断面积、纵坡、海拔高度、车辆构成以及行车速度，分别计算各设计年限隧道单洞在正常运营时，稀释洞内CO、烟尘、除异味及交通阻滞等工况的隧道需风量，综合确定隧道的设计风量，计算结果如表4所示。

表4 单洞隧道需风量表

4 隧道通风方案

隧道通风方式的选用涉及到隧道长度、交通流量、行车方式、峒口环境保护要求和隧道施工方法等多种因素。本隧道通风方案结合总体设计及环评要求，湖西岸1号风塔设置桩号BK8+450，东岸3号风塔设置桩号BK16+110，提出方案一。考虑到本项目受后期交通量影响，且隧道暗埋段长度为8 000 m，排烟区段长度约7 700 m，故在湖中人工岛增设2号高送风井和排风塔(桩号BK12+800)，正常工况时分段通风，火灾时分段+重点排烟，提出方案二。与太湖流域管理局初步对接，方案二因湖中设岛规模过大，建议优化人工岛面积，故在方案二基础上优化湖中人工岛规模，在岛中仅设2号低矮排烟风井(桩号BK12+800)，正常工况时出洞端高风塔分流排风，火灾时分段+重点排烟，提出方案三。即：

1)不设岛。湖岸设2座风塔，“风井分流排出+射流式”分段通风+重点排烟方案(湖西1号排风塔BK8+450、湖东3号排风塔BK16+110)。

2)设岛(规模1.53 ha)。湖岸设2座风塔，湖中设人工岛用于排风和排烟，“风井送排+射流式”分段通风+重点排烟方案(湖西1号排风塔BK8+450、湖东3号排风塔BK16+110，湖中2号排风塔BK12+800)。

3)设岛(规模0.53 ha)。湖岸设2座风塔，湖中设人工岛仅用于排烟，“风井送排+射流式”分段通风+重点排烟方案(湖西1号排风塔BK8+450、湖东3号排风塔BK16+110，湖中2号排风塔BK12+800)。

4.1 不设岛，“风井分流排出+射流式”分段通风+重点排烟方案

正常工况，左、右线隧道采用“风井分流排出式+射流”分段通风方式，左线隧道需风由主道进口进入，由湖西岸1号高风塔排出，部分气流由出口排出，风塔排污比例占左线隧道的70%。右线隧道需风由主道进口进入，由湖东岸3号高风塔排出，部分气流由出口排出，风塔排污比例占右线隧道的70%。

火灾时，采用重点排烟，利用隧道之间电缆通道上部空间作为排烟风道，排烟风道面积为23 m2，每隔60 m设置专用排烟风阀，排烟风井最长间距为7 700 m。

方案一左、右线隧道通风剖面示意图如图2，图3所示。隧道排烟剖面示意图如图4所示。

4.2 设岛(规模1.53 ha)，“风井送排+射流式”分段通风+重点排烟方案

正常工况，左、右线隧道采用“风井送排式+射流”分段通风方式，左线隧道进洞段需风由主道进口进入，由湖中2号高排风塔排出；出洞段需风由湖中2号送风塔送入，湖岸1号高风塔排出，部分气流由出口排出，风塔排污比例占左线隧道的70%。右线隧道进洞段需风由主道进口进入，由湖中2号高排风塔排出；出洞段需风由湖中2号送风塔送入，湖岸3号高风塔排出，部分气流由出口排出，风塔排污比例占左线隧道的70%。

火灾时，两线隧道排烟方案一致，正常通行工况采用分段纵向通风排烟，开启火灾点下游近端风塔排风机排烟，射流风机调压，形成纵向排烟的控制风速。阻滞工况采用重点排烟，利用隧道之间电缆通道上部空间作为排烟风道，排烟风道面积为15 m2，开启火灾点区域300 m范围内5组重点排烟口，启动重点排烟风机，将烟气就近排出。在湖中人工岛增设2号低矮排烟风井(桩号BK12+800)，设置2台重点排烟专用风机，排烟风井最长间距为4 500 m。

方案二左、右线隧道通风剖面示意图如图5，图6所示，隧道正常交通排烟及隧道阻塞交通排烟示意图如图7，图8所示。

4.3 设岛(规模0.53 ha)，“风井分流排出式+射流式”分段通风+重点排烟方案

正常工况，左、右线隧道通风原理与方案一相同，不再赘述。

火灾时，两线隧道排烟方案一致，正常通行工况采用分段纵向通风排烟，开启火灾点下游近端风塔排风机排烟，射流风机调压，形成纵向排烟的控制风速。阻滞工况采用重点排烟，利用隧道之间电缆通道上部空间作为排烟风道，排烟风道面积为15 m2，开启火灾点区域300 m范围内5组重点排烟口，启动重点排烟风机，将烟气就近排除。在湖中人工岛增设2号低矮排烟风井(桩号BK12+800)，设置2台重点排烟专用风机，排烟风井最长间距4 500 m。方案三左线隧道正常行车排烟示意图如图9，图10所示，隧道阻塞交通排烟示意图如图11所示。

4.4 隧道通风方案比选

根据上述3种隧道通风方案描述进行多方面技术性、经济性分析，具体详见表5。

表5 隧道通风方案比选表

综上所述，方案二与方案一相比，方案二增加了2号高送排风塔及隧道风机房，需在湖中设置人工岛，造岛规模达1.53 ha，极大增加了土建工程量，湖中风井对太湖景观影响有极大风险，隧道风机功率容量较方案一大50%。但方案一排烟区段长度超过5 km，大于规范要求，对整个消防系统等提出了严峻挑战。方案三隧道最大需风量断面风速7.23 m/s，在保证隧道内空气质量可靠性的基础上，增加了2号排烟风井及隧道风机房，排烟路径最长4 350 m，保证烟气及时排除，人员安全疏散，同时降低后期受交通量、环评要求的影响，造岛规模在方案二基础上进行极大优化，机电投资增加小，故推荐选择方案三(设岛规模0.53 ha)：右、左线隧道采用“风井分流排出式+射流”分段通风方式，湖中设人工岛，火灾时有纵向、重点排烟措施：

1)隧道采用高风塔排风和射流风机调压相组合的纵向通风方式。

火灾时，正常通行工况采用分段纵向通风排烟，开启火灾点下游近端风塔排风机排烟，射流风机调压，形成纵向排烟的控制风速。阻滞工况采用重点排烟方式。

2)隧道风塔处通风设备设置情况。

湖西1号风塔设轴流排风机4台(风量：140 m3/s，风压：1 200 Pa)，专用轴流排烟风机2台(风量：110 m3/s，风压：1 600 Pa)；湖中2号低矮排烟风井设专用轴流排烟风机2台(风量：110 m3/s，风压：1 600 Pa)；湖东3号风塔设轴流排风机4台(风量：140 m3/s，风压：1 200 Pa)，专用轴流排烟风机2台(风量：110 m3/s，风压：1 600 Pa)。

3)隧道内射流风机设置情况。

隧道射流风机分4个集中段设置，每段设置12组，每组3台。其中，每台射流风机流量：33.8 m3/s，风机直径：1 120 mm。

5 结语

本隧道属于特长水底隧道，作为穿越太湖地区的工程项目，首要考虑的是工程项目对周边生态环境的影响以及运营需求。本文在确保洞内污染物浓度和排放量满足环评要求的基础上，为乘用人员、维修人员提供合理的通风卫生标准，提出三种隧道通风及火灾排烟方案。为确保隧道正常运营情况下的安全、舒适，火灾情况下为司乘人员疏散、救援人员的灭火扑救提供安全的环境，从水利影响、土建影响、风塔位置受限情况、隧道通风排烟效果、设备配置及配电容量等多方面综合分析对比多种可行性高的隧道通风方案，最终确定合理的推荐方案，可为同类工程提供参考。