合肥少荃湖隧道通风系统设计探讨

蔡昊

合肥市市政设计研究总院有限公司

1 工程概况

少荃湖隧道位于合肥市新站区，是文忠路下穿少荃湖段隧道，隧道暗埋段全长1090 m，设计为双向8车道的城市主干道，是安徽省目前已建成的断面最大的水下隧道。隧道远期预测交通量为2698 pcu/h，设计行车速度为60 km/h，不通行危险化学用品车辆。

图1 少荃湖路隧道实景图

2 通风方案选择

目前国内外隧道采用的排烟方式主要有纵向式，横向和半横向式三种。横向和半横向式排烟方式由于造价高，运营控制复杂，该方式适用于隧道内车流量较大、暗埋段较长并且经常发生阻滞的隧道。纵向通风排烟方式适用于单向交通的隧道，可以控制射流风机产生的纵向风速不小于临界风速，将火灾烟气全部吹往下游，火源上游人员下车后在无烟环境中进行疏散，火源下游人员可以乘车在无烟环境中进行疏散。

少荃湖隧道为双管单层单向交通隧道，不通行行人和非机动车，结合隧道单向交通的特点，采用射流风机全纵向通风方式。正常运营时可利用车辆在隧道内行使时产生的活塞风稀释隧道内的污染空气。当隧道内发生阻塞或停滞时，根据隧道内的环境空气质量情况，开启进行诱导纵向通风。隧道内发生火灾时，开启全部风机，沿车行方向进行纵向排烟，将烟气排至隧道洞口外。

3 通风系统设计

3.1 隧道环境设计标准

对于隧道内的环境设计参数通常分为三类：安全标准，卫生标准和舒适性标准，其中安全性标准主要考虑稀释机动车排放的烟尘为主。卫生标准应以控制隧道内部的二氧化碳浓度为首要任务。而舒适性标准主要是考虑行车过程中轮胎摩擦等带来的异味及隧道内的富余热量，这部分通常难以量化，可以通过保证一定标准的换气次数来保证。本隧道环境设计标准如表1：

表1 隧道环境设计标准

3.2 需风量计算

确定隧道的需风量需分别计算稀释烟尘，CO 的需风量以及保证换气次数的所需风量，并取三者的最大值确定。对于射流风机兼做纵向排烟的隧道还应校核火灾时的排烟量。

3.2.1 通风需风量

设计小时交通量以及对应的机动车有害气体排放量是计算稀释烟尘、CO 的需风量的主要依据。机动车尾气排放中的有害气体排放量是影响通风系统规模的一个主要因素。机动车有害气体排放量以各设计目标年份对应的交通量及有害气体基准排放量为主要参数，随着我国汽车工业的进步、国家汽车污染物排放法规的不断完善和严格、油料品质的不断提高，机动车有害气体基准排放量会逐年递减，因此有害气体排放量的确定，应与设计目标相匹配[1]。

本工程远期设计目标年为2035 年，机动车有害气体基准排放量以2000 年为起点，按每年2.0%的递减率计算至设计目标年份，最大折减年限取30 年。

经计算，本工程设计污染物排放量如表2：

表2 设计污染物排放量

计算稀释污染物的需风量需要考虑多种因素，如道路等级越低，出现低速老旧车型的机率越高，污染物排放量也较多。沿行车方向上坡发动机负载大，污染物排放量增多。海拔越高发动机运行工况差造成污染物排放增多等[2]。综合考虑纵坡系数，车型车况系数以及海拔高度等系数，本隧道通风需风量见表3：

表3 隧道通风量计算表

3.2.2 火灾排烟的需风量

少荃湖隧道为双洞单向隧道，不通行集装箱车和危化用品车辆，选取最大火灾热释放功率为20 MW，参考《公路隧道通风设计细则》确定火灾临界风速为3 m/s,火灾排烟需风量计算公式如下：

式中：Qreq(f)为隧道火灾排烟需风量，m3/s；Ar为隧道净空断面积，m2；v 为隧道火灾临界风速，m2。

少荃湖隧道隧道净空断面为82 m2，计算确定火灾排烟需风量为246 m3/s。

4 设备选型与配置

少荃湖隧道采用射流风机进行全纵向通风兼排烟，考虑到隧道穿越少荃湖的覆土要求，为减少隧道埋深，采用φ710 射流风机。隧道射流风机群的总升压力根据隧道内压力平衡方程计算：

式中：∑Δpj为射流风机群总升压力，N/m2；Δpr为隧道内通风阻力，N/m2；Δpm为隧道自然通风力，N/m2；Δpt为隧道内交通风力，N/m2。

图2 少荃湖路隧道通风系统原理图

经计算，隧道射流风机群的总升压力为38 N/m2，选用单台推力为5.6 N/m2的射流风机共18 台（图2），每3 台为一组，左右线各3 组，风机前后均配置2D 长度的消声器。值得注意的是射流风机兼顾排烟，火灾时射流风机可能直接位于火源处，为保证排烟能力，需校核并满足设备配置的冗余量。射流风机直接悬挂在隧道顶部，安装射流风机处隧道顶局部抬高，不影响行车限界。

5 设计中若干问题的思考

5.1 防灾救援组织

市政隧道通行交通量大，且通常位于城市中心或人流密集区，如发生事故或火灾危险性极大，隧道通风排烟系统的首要任务是及时排出烟气为人员疏散提供时间和空间上的保证，本隧道为双洞单向交通隧道，在只考虑一起火灾的情况下，当某向隧道发生火灾时可由对向隧道作为救援通道，射流风机负责诱导排除烟气，同时提供清晰的指示风向，引导人员迎着气流方向从最近的疏散横通道进入对向救援通道安全疏散。本工程疏散救援路径如图3 所示：

图3 隧道疏散救援示意图

5.2 火灾释热量的选取

相关研究表明对于火灾释热量来说，纵向通风是一把双刃剑。一方面它为火焰的燃烧带来更多的氧气，使释热量增加。另一方面它带来的空气又可以对火灾环境起到一个降温的作用[3]。笔者认为纵向排烟不同于横向排烟方式，其最重要的作用是营造一个稳定的断面风速，保证火源点后方的安全环境，使人员可以安全撤离，因此没有必要追求过高火灾释热量的纵向风速。本工程不通行集装箱货车，参考上海地方标准及美国《公路隧道/桥梁和其他封闭式高速公路防火标准》NEPA520（2004 版），选取火灾释热量为20 MW，此外综合考虑人能清晰感受风速基本在1.5～2 m/s 左右，本工程选取了3 m/s 作为火灾排烟的临界风速。

5.3 光过渡对通风气流组织的优化作用

光过渡是隧道洞口常见的装饰手法，其可形成光环境过渡区，缓解亮度差异造成的视觉冲击，提高行车安全。目前常用的光过渡设计中通常将光过渡当作装饰雨棚设计，左右线进出洞口均设置，且光过渡范围内中隔墙采用通透方式，如图4 所示：

图4 普通光过度实景图

笔者认为在纵向通风工况下，隧道中车辆产生的废气均经过射流风机诱导组织，通过洞口直接排放。在双洞发生交通阻塞开启风机通风时，上述光过渡方案极易将某侧洞口排出的废气再次卷吸进入对向隧道洞中，从而造成隧道内污染物超标，排烟工况下亦是如此。因此笔者认为应对进出洞光过渡进行区别设计，将出入洞见天位置交错设置或采用电控通风型光过渡方案，防止气流卷吸回流，如图5 所示。

图5 电控通风型型光过渡示意图

少荃湖隧道在方案设计阶段考虑了此种交错型光过渡方案但在后期，出于整体景观和洞口效果的考虑取消了光过渡设置，从设计角度留下了一个遗憾。

6 结语

对于暗埋段长度小于2000 m 的隧道，射流风机全纵向通风方式是一项经济合理的选择。在通风系统设计时需合理确定火灾规模，根据工程条件优化风机配置，同时建议充分利用洞口光过渡的设置强化通风的效果。