海口文明东越江通道通风系统设计分析

王亮

上海市隧道工程轨道交通设计研究院

1 工程概况

文明东越江通道位于海南省海口市，为城市主干路机动车专用隧道，单孔单向行驶，通行各类客车。主线封闭段全长：北线隧道2360 m，南线隧道1740 m。远期设计年份2035 年。隧道采用明挖法施工，采用两孔一管廊形式，中间管廊上部为电缆通道，下部为安全通道。主线设计车速60 km/h，匝道40 km/h，主线最大坡度为±5%，北线设置一对出口匝道，南线设置一对入口匝道。

本隧道车辆采用单孔单向行驶，正常交通时，活塞风较大，采用纵向通风方式可有效利用活塞风[1]，相比横向通风能节约运行费用。同时射流风机直接吊设于隧道顶部，也大大减少了通风机房的土建规模。正常运营时，活塞风即可满足隧道通风要求，无需开启射流风机。

考虑到本工程项目匝道多，洞口多，每个匝道出口均可承担一定的排污能力，且隧道总长度不长，因此通风系统设计中充分利用了这一特点，采用了射流风机分段纵向通风方案，不设高排风塔，将废气分别从主线洞口和匝道洞口排出隧道，以减少洞口集中排放的污染物。

2 通风卫生标准

随着国家节能减排政策的实施，近年来对汽车尾气排放的的控制越来越严格，管理也日臻完善，车辆的车况和排放标准均有所改善[2]。早在1994～1996 年期间，我国有关单位就对G85 渝昆高速公路重庆中山隧道进行了大量现场实测。实测时，专门组成了交通量与车型组合完全符合原设计条件的车队，进行通风实效的检验。在中梁山左线上坡隧道风机全部运行时，所测CO 浓度平均值仅为42 ppm（单向交通）与68 ppm（双向交通）。2010 年，中梁山隧道单洞设计高峰小时交流量较大，且出现经常性的交通拥堵。有关单位再次对该隧道进行了洞内运营环境实测，上坡隧道在正常交通、并不开启任何风机情况下，洞内CO 浓度仅为11.3～40 ppm[3]。可见即便车辆尾排控制一般的山岭隧道CO 浓度也远低于150 ppm。另外，有科研项目组对上海市运行的隧道进行调研的情况表明：尽管多数隧道高峰时期的交通量达设计上限值，车速不足设计速度的50%，但隧道内污染物浓度并不高。2006年延安东路隧道高峰期实测CO 浓度不超过30 ppm，2013 年上中路隧道、复兴中路隧道高峰期隧道内记录的CO 最高浓度不超过15 ppm，外滩通道CO 最高浓度约35 ppm，所有市区内隧道运营中均未发生过CO或能见度超标触发风机开启的情况。从而证明，实际隧道运行时的通风污染物浓度与《城市地下道路工程设计规范》CJJ221-2015 规定的CO 正常150 ppm、阻滞200 ppm 均相距较大。世界道路协会（PIARC）在2004 年以及2012 年技术报告中均给出相同的CO 浓度限值[4]，如表1 所示。

表1 PIARC 2012 年技术报告通风限值

即当洞内正常交通时（50～100 km）和日常阻滞时CO 设计浓度均取70 ppm，较少阻滞和停滞状态时CO浓度取取值为100 ppm，仍远小于现行业标准规定的150 ppm。考虑到我国车辆排放标准滞后欧盟5～6 年左右，上海地标《道路隧道设计规范》DG/TJ 08-2033-2017 结合实际运营调研资料，并按PIARC2012 建议值对CO 污染物浓度限值已做出修正。所以，本工程经综合考虑后，CO 浓度设计标准如表2 所示。

表2 CO 设计浓度限值

3 通风设计

文明东越江通道进出口匝道较多，正常运行时主线的活塞风与匝道的活塞风互相影响，隧道通风系统存在多个支路和多个进排风口，通风网络复杂，常规的通风计算方法对多匝道隧道并不能完全适用，故在本工程设计中，运用了SES 程序计算各工况下气流分布情况。

北线隧道设置一对出口匝道，匝道由一个共用段和两个分流段组成，南线隧道设置一对入口匝道，匝道有一个共用段和两个合流段组成。设计采用SES 程序对南北两线远期正常工况和阻塞工况下活塞风量以及风机配置进行模拟计算。计算结果如下图1～4。

图1 北线正常工况下活塞风量图

图2 南线正常工况下活塞风量图

图3 北线阻塞工况下活塞风量图

图4 南线阻塞工况下活塞风量图

从图1～4 可以得到以下结论：1）隧道内匝道和分流点较多，通风网络复杂，通过合理的气流组织和风机动作，可以使各个通风区段的有效新风量均大于设计需风量，满足隧道内卫生标准。2）通过风机的运作开启，可以使出口匝道起到分散排污作用，减少主线出口的污染物排放量。3）阻滞工况应按最不利交通阻滞场景配置风机，且对各个阻滞区段均应分析计算，风机配置应满足各阻滞区段需风量要求，保证气流有效分配至各阻滞区段。

4 临界风速计算修正

本隧道采用纵向分段排烟方式，烟气流动方与行车方向一致，火灾时烟气流动速度不小于临界风速。火灾点下游（行车方向前方为下游，反之为上游）的车辆以高于烟气流速的车速驶出隧道，火灾点上游的车辆在安全环境下疏散。纵向气流速度应高于临界风速，但不应小于2 m/s。

对于纵向排烟临界风速的取值目前存在两种方法，一是参考《公路隧道通风设计细则》规定的对应火灾规模下直接取值。二是上海地标《道路隧道设计规范》DG/TJ 08-2033-2017 给出的肯尼迪公式计算出临界风速，见式（1）、式（2）、式（3）：

式中：Vc为临界风速，m/s；Q 为火灾规模，kW；H 为隧道最大净空高度，m；Kg 为坡度修正系数；i 为隧道坡度，%；Cp为空气比热，kJ/(kg·K)；g 为重力加速度，m/s2；T 为火灾远区空气温度，K；Tf为烟气平均温度，K；ρ 为火场远区空气密度，kg/m3；K1为弗劳德数，取值0.606。

上海地标中K1直接取值，对于不同火灾规模的变化未对K1取值进行修正。而NFPA502-2017《Standard for Road Tunnels,Bridges,and Other Limited Access Highways》中给出相应值如表3 所示，可以看出K1在火灾规模较大时取值变化不大，而在50 MW 以下时数值增大，由式（1）（2）（3）可修正临界风速，本工程火灾规模为30 MW，考虑地标公式源于NFPA502，K1取值0.74 计算临界风速。

表3 不同火灾规模下K1取值

5 排烟设计

本工程隧道内车流量大，进出口匝道多，火灾场景复杂，常规的排烟计算难以适应。设计中分析多个火灾场景，采用SES 模拟计算，控制火灾点纵向排烟风速大于临界风速，通过开启不同位置的射流风机，使烟气尽快排出隧道。

北线各火灾场景排烟参考图5～图6。

当北线主线出口区段即2 区段发生火灾时，主线与匝道分流点前方车辆驶离隧道，火灾点至分流点布满车辆，为防止匝道分流削弱火灾点排烟风速，故考虑关闭匝道风机，通过开启主线风机满足纵向风速要求。

当主线入口区段即1 区段发生火灾时，火灾点至隧道入口布满车辆，其余区段车辆驶离隧道，为减少烟气火灾范围，关闭匝道风机，开启主线风机，使烟气全部从主线洞口快速排离隧道。

当北线B 匝道发生火灾时，着火点至分流点布满车辆，其余区段车辆驶离隧道，之后为空隧道状态。此时考虑关闭2 区段风机以减小分流，反向开启A 匝道，以最少的风机配置满足B 匝道火灾排烟风速。

图6 北线匝道火灾风机配置及风量图

A 匝道火灾时与B 匝道火灾场景及风机配置，动作原则均相同故不作赘述。

当北线AB 共用段发生火灾时，A、B 匝道和主线车辆均驶离隧道，只有共用段火灾点至分流点布满车辆。同样按减少分流增大火灾区段纵向风速的原则关闭2 区段风机，开启A、B 匝道风机。

南线各火灾场景排烟参考图7～8。

图7 南线匝道火灾风机配置及风量图

图8 南线主线火灾风机配置及风量图

由南线隧道节点图7～8 可知，南线隧道存在5 种不利火灾场景，即C、D 匝道末端火灾，CD 共用段匝道末端火灾，主线入口末端火灾，主线出口火灾，需采用SES 程序对5 种不同火灾场景一一计算分析，分析结果如下：

当南线C 匝道末端发生火灾时，车辆布满C 匝道，其余路段车辆驶离隧道，均考虑为空隧道，匝道至隧道出口沿线射流风机全部开启，考虑减少风机配置，反向开启D 匝道射流风机，SES 程序模拟结果具体见图7。

南线D 匝道火灾时，火灾场景设置原则及风机动作原则均与C 匝道相同故不赘述，CD 共用段匝道末端火灾时，火灾点后方布满车辆，其余路段均为空隧道，正向开启火灾点前后区段射流风机，关闭主线入口区段风机。

南线主线入口区段火灾时，火灾点前方路段及匝道均为空隧道，开启火灾点前方风机，同时考虑反向开启匝道风机。

南线主线出口发生火灾时，全隧道布满车辆，为最不利火灾工况，此时按照前述风机配置，开启全隧道射流风机排烟，通过SES 程序计算最终确定的风机配置情况。

结合不同火灾场景对应的车辆排队情况，通过SES 软件对排烟进行模拟计算，利用气流相互作用优化配置射流风机，通过合理气流组织和风机动作，优化风机配置数量，满足火灾点的纵向排烟风速大于临界风速，使火灾点后方处于新风保护区内，后方人员疏散至安全通道或邻孔隧道，纵向烟气通过最短的行程快速排出隧道，以减少对隧道造成的影响。

6 结语

海口文明东越江通道匝道较多，通风网络复杂，其通风系统设计具有以下特点。

1）采用分段纵向通风方式，充分利用本工程多匝道特点，采用主线洞口和匝道分散排污，火灾时就近将烟气排出隧道。

2）通过对标分析并结合国内现有隧道运营监测资料，确定合理的隧道污染物浓度设计标准。

3）隧道内匝道和分流点较多，通风网络复杂，利用SES 软件通过合理的气流组织和风机动作，可以使各个通风区段的有效新风量均大于设计需风量，满足隧道内卫生标准。

4）通过对现有规范和NFPA502-2017 研究分析，对临界风速取值做出修正，以使本工程的纵向排烟更加可靠安全。

5）考虑本工程匝道较多，火灾场景复杂，利用SES 软件分析多个火灾场景，针对不同火灾场景得出最合理最高效的排烟控制模式，同时考虑气流相互干扰，确定合理的风机配置方案。